本文要点：荧光团聚集导致的发射猝灭效应，长期以来一直是优化荧光成像和光电器件等发射技术的核心问题。本研究揭示了二聚体在缓解稠环荧光团4F的第二近红外区（NIR-II, 900-1700 nm）发射猝灭中的关键作用，并基于此开发了高性能荧光成像技术。通过光谱解构与分子动力学模拟，证实了4F聚集体中二聚体的主导性。超快光谱和量子计算表明，二聚体的弱发射与强分子间非辐射（interNR）特征是4F聚集体发射猝灭的根源。因此通过减少二聚体比例，其NIR-II亮度达到吲哚菁绿的5倍，实现了血管成像的超高分辨率。该研究为聚集猝灭机制提供了关键见解，其影响远超出NIR-II荧光成像领域。

图1. 荧光团中NIR-II发射淬灭的示意图

本研究揭示了二聚体在缓解荧光团聚集体中NIR-II发射猝灭的本质与核心作用（图1）。通过设计疏水性稠环荧光团（4F）并将其封装于两亲性共聚物（Pluronic F-127）中，构建了水溶性纳米颗粒（4F NP1s），进而调控聚集体研究NIR-II发射亮度的机制。光谱解构与分子动力学计算表明，4F NP1s中二聚体与单体均参与NIR-II发射，且二聚体比例显著高于单体。飞秒瞬态吸收（fs-TA）实验与量子化学计算进一步揭示，相较于高发射性的单体，二聚体呈现弱发射特性且具有高效的分子间非辐射（interNR）衰变路径。由此，二聚体的主导性及其弱发射-强interNR特性共同导致了4F NP1s的聚集猝灭（ACQ）现象。基于此，通过简易的聚集调控策略减少二聚体比例，成功制备出超亮4F聚集体（4F NP3s），其亮度达7.1×10³ M⁻¹ cm⁻¹，是吲哚菁绿（ICG，1560 M⁻¹ cm⁻¹）的5倍，创NIR-II荧光亮度新高。这一特性使4F NP3s在血管成像中展现出超高分辨率。

图2. 4F 在单分子和聚集状态下的光学特性

在四氢呋喃（THF）溶液中，4F展现出强近红外吸收（ε₈₀₈ nm = 6.4×10⁴ M⁻1 cm⁻1，图2a）与高强度NIR-II发射，其光致发光量子产率（ΦPL）高达17.1%（参比物：IR-26，ΦPL=0.5%，图2b），性能超越多数已报道的NIR-II荧光团。这种长波长吸收/发射特性源于4F完全平面骨架中的大范围π共轭效应：其在基态（S₀）与激发态（S₁）的扭转角均极小（<0.4°，图2c）。相互作用区域指示分析表明，4F的平面构象由分子内非共价S···O构象锁稳定（图2c）。值得注意的是，这种独特构象锁不仅支撑了长波长吸收/发射所需的平面结构，还增强了分子刚性，显著抑制分子运动导致的非辐射能量耗散。

为适应生物应用，将疏水性4F（1 mg/mL）封装至Pluronic F-127中，制备出水溶性纳米颗粒（4F NP1s）。动态光散射（DLS）和透射电子显微镜（TEM）证实，所得纳米颗粒均一性良好，流体力学直径为50 nm。相较于THF中的单分子4F，4F NP1s的最大吸收峰出现显著红移，且在808 nm处的摩尔吸光系数（ε）提升至6.8×10⁴ M⁻1 cm⁻1（图2a）。这一红移使其吸收更接近800 nm左右的生物组织透明窗口波长，增强了其在深部组织生物应用中的潜力。然而，4F NP1s的荧光性能显著下降，其光致发光量子产率（ΦPL）从17.1%骤降至2.6%（图2b）。相应地，4F NP1s的荧光亮度相较于THF中的单分子4F降低了一个数量级（1.79×10³ M⁻1 cm⁻1¹ vs. 1.09×10⁴ M⁻1 cm⁻1），极大限制了其生物成像应用价值。

当fw增至20%时，4F在约850 nm处出现新的红移吸收峰，并在1050 nm附近产生PL峰，与4F NP1s（聚集态）的光谱特征高度吻合。随着fw继续增加，1050 nm处的聚集态发射峰显著增强，而4F整体PL强度逐渐降低（图2d）。分子动力学模拟证实，体系中存在多种二聚体构型与单体共存（图2e、f）。因此，将850 nm处的长波长吸收峰与1050 nm处的发射峰归因于二聚体。光谱解构进一步揭示4F NP1s的双组分荧光特性（图2h），其发射峰分别对应单体（~940 nm）和二聚体（~1050 nm）。值得注意的是，4F NP1s中二聚体占比显著高于单体（64.3% vs. 35.7%），表明二聚体在体系中占主导地位（图2h）。此外，量子化学计算表明，二聚体的振子强度小于单体，预示其发射能力较弱。同时，纳米颗粒内二聚体分子间距仅约3Å（图2f），强烈的π-π相互作用进一步加剧了非辐射衰变。综上，4F聚集态荧光减弱的主要原因是体系中占主导的低发射性二聚体种群。

图3. 通过减少二聚体数量显著缓解发射猝灭

接着，研究者通过调控F-127溶液中4F的掺杂浓度，实现对聚集体内二聚体种群的精准调节。相较于高浓度（4F: 1 mg/mL）的4F NP1s，低浓度掺杂的4F NP2s（4F: 0.1 mg/mL）和4F NP3s（4F: 0.01 mg/mL）的流体力学直径略有减小，分别为40 nm和30 nm。长期储存的4F NPs荧光强度和光谱形态均无明显变化，光学性能稳定。上述结果共同表明4F NPs具有卓越的稳定性。4F NP2s的吸收光谱与4F NP1s相似，分别在760 nm和840 nm处呈现单体和二聚体的特征吸收峰（图3a）。相比之下，4F NP3s的840 nm处二聚体吸收峰和1050 nm处发射峰均显著减弱（图3a, b）。光谱解构显示，4F NP3s中二聚体占比从73.5%降至64.3%（图3a），随着4F浓度降低，二聚体比例减少。

正如预期，4F NP2s和4F NP3s的荧光量子产率（ΦPL）显著提升，分别从4F NP1s的2.6%增至2.9%和7.5%（图3c）。此外，随着聚集程度降低，其在808 nm处的摩尔吸光系数（ε）也从6.8×10⁴ M⁻1 cm⁻1逐步提升至7.2×10⁴和9.5×10⁴ M⁻1 cm⁻1，其中4F NP3s的ε808nm甚至高于单分子态4F（ε808nm=6.4×10⁴ M⁻1 cm⁻1）。综合来看，4F NP3s的荧光亮度高达7.1×10³ M⁻1 cm⁻1（图3c），几乎与THF中单分子态4F的亮度（10.9×10³ M⁻1 cm⁻1）相当，且是4F NP1s（1.8×10³ M⁻1 cm⁻1）的4倍。值得注意的是，4F NP3s的亮度还比吲哚菁绿（ICG，1560 M⁻1 cm⁻1）高出约5倍，达到NIR-II荧光亮度的顶级水平。这些现象表明，通过调控二聚体比例可有效缓解聚集导致荧光猝灭（ACQ），从而显著提升4F聚集体的NIR-II亮度。

进一步通过超快光谱分析，深入理解了4F NP3s的ΦPL提升机制。基态漂白（GSB）区域的动力学曲线显示，4F NP2s和4F NP3s的非辐射衰变（interNR）速率减缓，其时间常数从0.49 ps延长至0.98 ps（图3d）。同时，二聚体发射寿命从9.4 ps延长至11.6 ps。飞秒瞬态荧光光谱测得4F NP3s的荧光寿命为435 ps（图3e），与飞秒瞬态吸收（fs-TA）在GSB区域提取的长寿命组分（496 ps）高度吻合。因此，4F NP2s（227 ps）、4F NP1s（179 ps）和单分子态4F（134 ps）的时间常数被合理归因于单体荧光。遗憾的是，受限于检测灵敏度（~300 ps），无法通过飞秒瞬态荧光光谱测得4F NP2s、4F NP1s及单分子态4F的荧光寿命。综上，这些结果证实了二聚体在调控4F聚集体NIR-II亮度中的核心作用：增大分子间距的二聚体不仅能保留强效的长波长吸收，还可缓解长期存在的ACQ问题，为设计超越NIR-II成像应用的更高亮度荧光团提供了重要指导。

图4. 体内高性能NIR-II荧光成像

4F NP3s的卓越亮度展现了其在活体NIR-II荧光成像中的巨大潜力。对4F NP3s的NIR-II荧光成像性能进行评估，并与临床认可的造影剂吲哚菁绿（ICG）进行对比。将4F NP3s或ICG溶液（200 μL，1 mg/mL）通过尾静脉注射至小鼠体内后，使用配备不同长通滤光片（1000、1300及1500 nm）的InGaAs探测器进行全身血管造影（图4a）。成像结果显示，4F NP3s的空间分辨率显著优于ICG。值得注意的是，在NIR-IIb窗口（1500 nm长通）下，4F NP3s能清晰显示血管结构且背景噪声显著降低，与常规NIR-II区域（980和1300 nm长通）的模糊血管相比，展现出卓越的成像对比度。通过后肢血管的高倍放大成像，980、1300及1500 nm长通滤光片对应的血管半峰宽（FWHM）分别为0.49、0.30和0.25 mm（图4b），证实NIR-IIb成像具有更高分辨率。同时，NIR-IIb区域的信背比（SBR）高达4.04，远超980 nm（1.71）和1300 nm（2.75）长通滤光片的SBR。更重要的是，NIR-IIb窗口下可清晰分辨腹部血管周围的分支小血管，而常规NIR-II窗口则无法获得清晰图像（图4a）。这些结果表明，4F NP3s在活体内实现了高性能荧光成像，并具有优越的信背比。

4F NP3s在骨肉瘤荷瘤BALB/c裸鼠模型中进一步展现了其在深部肿瘤成像中的潜力。如图4c所示，注射后6小时即可在肿瘤部位观察到显著的NIR-II荧光信号，且信号强度随时间逐渐增强，于24小时达到峰值。这表明4F NP3s能够通过增强渗透滞留（EPR）效应实现深部穿透成像，并在肿瘤区域有效富集。即使注射后36小时，肿瘤部位荧光信号虽有所减弱，但仍保持良好亮度，凸显了4F NP3s作为深部肿瘤导航探针的长期NIR-II荧光成像潜力（图4d）。4F NP3s展现出高分辨率的NIR-IIb血管成像性能，并作为肿瘤导航对比剂在光热诊疗应用中具有卓越潜力。

本研究提出并验证了以弱发射和强烈的NR间衰减为特征的占主导地位的二聚体群体是在 4F 聚集体中观察到的 ACQ 的基础。这标志着在解决 ACQ 长期挑战方面取得了重大进展。这种方法的成功引入了一种创新策略，即使在聚集状态下也能开发超亮有机π共轭材料。总之，这项研究不仅为克服 ACQ效应提供了新的见解，也为创建高效和稳定的 NIR-II 荧光团铺平了道路。

参考文献

Miao X, Jia M, Weng X, et al. Alleviating NIR-II emission quenching in ring-fused fluorophore via manipulating dimer populations for superior fluorescence imaging[J]. Light: Science & Applications, 2025, 14(1): 109.

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