相較于可見/紫外光，波長更長的近紅外光在生物組織中具有更大的穿透深度、更高的信噪比，因此適用于器官、組織、活體動物等復雜生物組織的成像。為了更好的成像效果，研究人員急需開發(fā)高性能的熒光染料——不僅最大吸收波長要大于 800 nm（金標準是最大吸收波長在 780 nm 的吲哚菁綠染料），而且需具備極高的熒光量子效率。

近日楊有軍課題組便開發(fā)了這樣一系列高性能染料，且被成功應用于活體小鼠的全身血管成像，開啟NIR成像領域新征程。相關研究成果 “Stable, Bright, and Long-Fluorescence-Lifetime Dyes for Deep-Near-Infrared Bioimaging" 已在 Journal of the American Chemical Society 發(fā)表。

研究背景

2017年，楊老師課題組開發(fā)了一系列碳橋連的二苯并呫噸染料母核（ECX），它的最大吸收/發(fā)射波長在880/915 nm，可以說是高性能紅外熒光染料開發(fā)方面的一個重大進展。此后楊老師課題組的工作，主要聚焦于在這個母核基礎上，將它的碳橋連改造成硅橋連基團，并研究這個改造對染料光物理性質(zhì)有何影響。

今年這項工作也迎來了新突破，楊老師課題組結合硅羅丹明母核和 ECX，將 ECX 的碳橋連改造成硅橋連基團，開發(fā)的一系列深紅外二苯并硅羅丹明染料（ESi5a-ESi5d），在 808 nm 激發(fā)下有極高的熒光量子效率。同時該染料還具有優(yōu)異的光穩(wěn)定性以及低毒性，已被成功應用于活體小鼠的全身血管成像。

如圖1所示，ESi5a-ESi5d 可通過高效的5步級聯(lián)反應實現(xiàn)克級合成。

圖1 肖義教授和錢旭紅院士前期報道的硅羅丹明以及本文所報道的二苯并硅羅丹明母核（ESi5）

由于 ESi5 系列染料的 LUMO-HOMO 軌道有大量的重疊，使得該染料具有較高的摩爾消光系數(shù)（ε > 10⁵ cm^?1 M^?1），剛性的母核結構使得它們具有較高的熒光量子效率（? = 0.14 in CH₂Cl₂）以及較長的熒光壽命（τ > 700 ps in CH₂Cl₂）。

接下來研究人員對染料吸收光譜進行了拆分，每一個拆分出來的組分都對應一個單獨的光物理吸收的過程，為分子的光譜表征提供了新的方法。同時，用自主搭建的熒光顯微鏡在 808 nm 激發(fā)下對染料進行了光穩(wěn)定性測試，并利用指數(shù)衰減曲線擬合出分子的光漂白半衰期。另外，研究人員還利用超快光譜對染料激發(fā)態(tài)動力學進行了研究，結合理論計算，發(fā)現(xiàn)硅原子的大原子半徑會提升染料結構的剛性，讓染料有極高的熒光量子效率。

圖2 （A,B）ESi5a，（E,F）ESi5c 和（I,J）ESi5b-PEG 的紫外-可見吸收和熒光發(fā)射光，對吸收和發(fā)射光譜進行拆分并繪制（C,D）ESi5a 和（G,H）ESi5c

最后，為了驗證 ESi5 系列染料在生物成像中的應用潛力，研究人員選用 ESi5a 用于活體小鼠全身血管成像。由圖3可以看出，小鼠肝臟、脾、心臟、左后肢、腦部等部位的血管清晰可見。另外文中也用荷瘤小鼠驗證了 ESi5a 具有光聲成像的應用潛力。