花菁染料的光稳定性及其与光热和光动力效应的相关性

《Chemistry – A European Journal》：Photostability of Cyanine Dyes and Its Correlation to Their Photothermal and Photodynamic Effects

　　

近红外（NIR）吸收小分子染料在生物应用中极具吸引力，包括成像、光热（PT）和光动力（PD）治疗。其中，七次甲基花菁类染料尤为有前景，但其固有的低光稳定性（PS）仍是主要限制因素。尽管PS被公认为对成像至关重要，但其对PT和PD性能的重要性尚未得到充分证实。此外，已报道的PS值高度依赖实验条件，使得不同研究之间的比较具有挑战性。本研究采用经过仔细评估的、旨在确保可靠且可重复测量的方案，系统比较了已有和新合成的七次甲基花菁染料的PS。研究人员考察了常见的结构修饰如何影响PS，并探究了氧的光敏化与光降解之间的关系。研究发现，单线态氧的产生、分子结构与PS之间没有明确的相关性，表明单线态氧并非花菁染料光降解的主要途径。对于选定的染料，研究人员进一步研究了光诱导加热，并证明光稳定性是所有被研究化合物的限制因素。这些结果凸显了PS在成像之外的关键重要性，并提示光稳定性应被视为决定NIR染料在光热和光动力应用中性能的一个关键但常被忽视的参数。

论文解读：花菁染料光稳定性及其与光热和光动力效应的相关性

一、研究背景与问题

近红外（NIR）吸收小分子染料在生物医学领域具有广阔的应用前景，涵盖荧光成像、光声成像、光动力治疗（PDT）和光热治疗（PTT）等多种场景。NIR区域的光具有更深的组织穿透能力和更低的生物样品自发荧光，因此能够提供更好的成像信噪比和更便捷的治疗应用。在PDT中，染料需要经历高效的单重态到三重态系间窜越（ISC）以填充三重态，随后三重态氧作为淬灭剂，再生染料单重态基态的同时产生活性氧（ROS）如单线态氧（¹O₂）。而在PTT中，染料则应优先通过非辐射衰变直接返回单重态基态，将吸收的光能转化为热量，从而诱导恶性细胞死亡。

在众多NIR染料中，花菁类染料因其优异的摩尔吸收系数（ε）、低荧光量子产率（?_Fluo）以及产生¹O₂的能力而备受关注。吲哚菁绿（ICG）和IR820是其中研究最为广泛的七次甲基花菁衍生物。然而，这类染料的一个显著缺陷是其固有的低光稳定性（PS），即染料在光照下发生不可逆化学结构变化而褪色的速率。尽管PS对成像性能的重要性已被广泛认识，但其对PT和PD性能的影响尚未得到系统研究。此外，已报道的PS值强烈依赖于实验条件，不同研究之间的比较极为困难。因此，亟需建立一种可靠的PS测定方法，并系统探究PS与染料光热和光动力性能之间的关联。

二、研究目的

本研究旨在系统比较已有和新合成的七次甲基花菁染料的PS，考察常见结构修饰对PS的影响，并探究氧的光敏化与光降解之间的关系。同时，研究还测定了染料的¹O₂量子产率，并选取部分衍生物考察其在光照下的产热能力，最终探讨¹O₂产生和产热与PS之间的相关性。

三、主要技术方法

研究采用配方缓冲液（FB，含Na₂HPO₄、甘露醇、甘氨酸和Tween20的混合物）模拟生理条件，以810 nm LED作为照射光源进行PS测定，并以ICG作为通用标准参照物。染料的吸收光谱通过紫外-可见分光光度法测量，¹O₂量子产率通过化学探针法测定，光热效应（ΔT）则通过激光照射下的温度变化进行监测。研究涉及的染料包括商业化产品（ICG、IR820、IR806、Cy7-NHS等）和自主合成的衍生物（CKS系列），后者通过在吲哚或苯并[e]吲哚上进行不同取代基修饰，并引入溴原子以增强重原子效应。

四、研究结果

2.1 合成

IR820是ICG的衍生物，主要结构差异在于共轭碳链中引入了氯代环己烯环。这一结构变化提高了分子的刚性，使IR820在NIR照射下具有更高的光稳定性。此外，中心氯原子可作为合成手柄，通过亲核取代反应引入N、O、S等原子，用于调节光学性质或连接靶向基团。研究人员合成了多种IR820衍生物，包括在吲哚或苯并[e]吲哚上引入不同末端基团（羧酸、PEG链、磺酸等）的化合物，以及含有溴取代基的衍生物。所有染料按结构分为ICG衍生物（开放亚甲基链）、苯并[e]吲哚五元/六元环（BI5和BI6）以及吲哚五元/六元环（I5和I6）四组。

2.2 吸收光谱

商业化染料中，ICG、IR820和IR806与810 nm LED的发射谱重叠良好，而Cy7-NHS则表现出较大的蓝移，与LED的重叠较差。合成染料的吸收包络变化不大，但存在细微差异：在七次甲基链中心引入六元环使吸收发生红移（IR820的λ_maxAbs为833 nm，ICG为798 nm）；引入五元环则红移更显著（CKS36的λ_maxAbs为858 nm），但整体与LED的重叠仍可接受。

五、讨论与结论

研究表明，单线态氧的产生、分子结构与PS之间不存在明确的相关性，提示¹O₂并非花菁染料光降解的主要途径。对于选定的染料，光诱导加热实验证明光稳定性是所有被研究化合物性能的限制因素。这些发现强调了PS在成像之外的关键重要性，提示光稳定性应被视为决定NIR染料在光热和光动力应用中性能的关键但常被忽视的参数。该研究发表于《Chemistry – A European Journal》，为花菁染料的理性设计和应用优化提供了重要参考。