近红外双光子探针的结构工程策略

《Coordination Chemistry Reviews》：Structural engineering strategies of near-infrared two-photon probes

　　近红外-双光子（NIR-TP）探针分子工程的"结构-机制-策略"框架。将七种荧光策略精炼为26个探针工程设计模块。四种机制策略与六个生物医学应用场景被系统地联系起来。比较分析指导精准生物成像与医学的理性设计。## 引言双光子（TP）激发和近红外（NIR）发射代表了克服常规荧光成像局限性的两种互补策略。TP激发使长波长光子得以用于实现深组织成像，从而降低光毒性、光漂白和背景干扰；而NIR发射则通过减少光散射和自身荧光，提供改善的组织穿透力和增强的成像对比度[1], [2], [3]。然而，TP荧光团常受限于较小的双光子吸收截面、有限的光稳定性和不足的发射波长；而常规NIR荧光团仍可能存在自吸收和较窄的Stokes位移问题[4], [5], [6]。显然，将NIR发射与TP激发相结合提供了一种有效策略，使激发和发射过程解耦，从而在结合两种光学窗口优势的同时缓解其固有局限性。因此，NIR-TP荧光探针已成为高分辨率和深组织生物成像的有前景的平台。在分子水平上，双光子吸收（TPA）是一个三阶非线性光学过程，其中分子通过虚中间态同时吸收两个光子以到达激发电子态。该过程与分子系统的三阶非线性极化相关，以三阶电光系数（χ3）为特征。因此，TPA响应与分子电子结构和非线性光学性质密切相关，为通过分子结构工程调控TPA提供了物理基础。在TP激发下，NIR-TP荧光团可被波长更长、能量更低的光子激活，从而实现更深的组织穿透、降低光毒性并改善三维空间分辨率。同时，其NIR发射减少了组织自身荧光和光散射，进一步增强了成像对比度，并允许长期深组织可视化。尽管具有这些优势，高性能NIR-TP分子探针的开发仍面临挑战。特别是，具有长波长发射的高效TP荧光团仍然有限，且将分子结构与TP吸收和NIR发射性质相关联的一般设计原则尚未完全建立。虽然已开发出大量用于特定靶点和生物应用的NIR-TP探针，但对分子设计策略和结构-性质关系的系统性总结仍然匮乏。因此，对近期NIR-TP荧光探针及其结构工程策略的研究进展进行全面综述非常必要。因此，本文在此对NIR-TP荧光探针的分子设计策略进行系统概述，重点阐述分子结构与光物理性质之间的关系。本综述总结了6大类荧光团和代表性荧光团骨架、4种分子设计策略、7种荧光激活机制以及NIR-TP探针的6类生物医学应用，提供了从分子工程到生物成像的全面路线图。我们期望本综述提供的系统设计框架将有助于下一代NIR-TP荧光探针的理性工程化，并加速其在高级生物医学成像中的应用。在本综述中，荧光团骨架作为组织正文的主要依据，而分子识别和亚细胞靶向则被视为可集成到不同荧光团平台的功能模块。分析物响应模块被设计用于识别特定的化学或生物靶点并调节荧光信号，而靶向基序主要决定探针的亚细胞或组织定位。这两个功能可以在单个探针中共存，但在概念上是不同的。## 章节摘录### 基于BODIPY的NIR-TP探针BODIPY具有优异的光物理和化学性质，包括长波长发射、窄吸收和发射峰、高热稳定性和出色的光稳定性、易于结构修饰以及高荧光量子产率[7], [8], [9], [10]。### 基于罗丹明的NIR-TP探针罗丹明是一种基于呫吨的荧光染料，其特征是内酯螺旋体（闭环）与开环形式之间的可逆转变[58]。许多基于罗丹明的荧光探针通过光诱导电子转移（PET）机制发挥作用[59]。罗丹明荧光团表现出良好的光稳定性、相对延伸的吸收和发射谱、高荧光量子产率以及pH不敏感性[60], [61], [62]。然而，罗丹明脂溶性较差且……### 基于香豆素的NIR-TP探针近年来，基于香豆素的荧光团已成为探针开发中广泛使用的荧光染料[102], [103]。香狗素染料母体骨架为苯并吡喃酮框架。香豆素骨架包含共轭C=C和C=O双键以及环状内酯，从而形成刚性结构和延伸的π共轭体系[104], [105], [106]。此外，香狗素染料不仅具有强烈的荧光发射、优良的溶解度和膜……### 基于Acedan的修饰在各种TP荧光团平台中，Acedan（2-乙酰基-6-二烷基氨基萘，图10A?）因其固有的供体-受体结构和良好的光物理性质而成为具有吸引力的骨架。在结构上，Acedan含有位于萘核相对位置的二甲氨基作为电子供体和乙酰基作为电子受体，形成高效的分子内电荷转移（ICT）通道。这种固有的ICT特征……### 基于硫代镍罗丹明构建近红外双光子探针硫代镍罗丹明（Nile Red）因其高度可极化的电子结构、延伸的π共轭和环境敏感的光物理性质而成为构建NIR-TP探针的有前景的骨架[5], [85], [151]。硫代镍罗丹明固有的供体-受体特性和易于结构修饰为调控ICT过程并提供长波长发射同时保持良好的双光子激发性质提供了有效平台。因此，通过……### 用于NIR-TP探针的其他荧光团骨架TPA材料在生物医学领域具有广阔的应用前景。合成具有大TPA截面的材料至关重要[154], [155], [156]。除了上述讨论的代表性荧光团骨架之外，还探索了其他几种分子平台用于NIR-TP探针的开发。这些包括杂芳体系、三苯胺衍生物、多甲炔/菁染料、芳基（联）噻吩和方酸染料。尽管这些荧光团有所不同……### 结论在过去二十年中，分子工程的快速进步导致开发了多种具有不同荧光团骨架和传感机制的NIR-TP荧光探针。从分子设计的角度来看，NIR-TP探针已从优化单个光学性质发展到多种光物理参数的协同工程。D-A电子工程已成为通用设计策略，通过π共轭延伸、ICT调控……### 利益冲突声明作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争财务利益或个人关系。### 致谢本研究得到国家自然科学基金（22174090）；陕西省自然科学基金基础研究计划（2022JM-089）；陕西省高层次人才创新创业长效项目（广辰）；国家外国高端专家项目（H0260677；H20250787）的支持。Open Deepseek（0528）工具被用作辅助工具来润色本手稿初稿的英文表达。---Feiyu Yan | Yuxia Liu | Yuanchao Zhang | Dongliang Su | Chao Wang | Siyue Ma | Linlin Wang | Qing Miao | Pu Chen | Bo Tang | Guang Chen