新型纳米荧光探针实现超亮近红外二区血管成像
2025-05-14 来源:本站 点击次数:74荧光成像技术因其非侵入性、高灵敏度和实时可视化能力，已成为生物医学研究和临床诊断的重要工具。近年来，近红外二区（NIR-II）荧光成像因其在深层组织成像中的独特优势而备受关注。然而，荧光分子在聚集态下的发射猝灭（ACQ）问题一直是制约技术发展的瓶颈。如何在聚集态下实现高效、稳定的荧光发射，成为科研领域的核心挑战。
聚焦于一项突破性研究，该研究通过调控荧光分子的聚集态结构，成功解决了ACQ问题，并开发出一种超亮的NIR-II纳米荧光探针。这项工作不仅为NIR-II成像技术提供了新的解决方案，还为未来荧光材料的设计提供了重要启示。通过深入解析研究背景、技术创新和实验结果，我们将带您了解这项研究如何推动NIR-II成像技术迈向新的高度。
研究背景与技术挑战
NIR-II成像的优势与局限
NIR-II窗口的光子散射较少，组织穿透深度更大，背景噪声更低，能够实现高分辨率的深层组织成像。然而，现有的NIR-II荧光分子在实际应用中往往面临严重的ACQ问题。
ACQ现象通常由荧光分子的聚集引起，分子间的紧密接触导致非辐射能量损失增加，荧光量子产率显著下降。传统的解决策略包括引入bulky替代基团或设计扭曲结构的聚集诱导发光分子，但这些方法往往导致吸收能力减弱或亮度不足。
4F分子的设计与性能
研究团队设计了一种名为4F的环融合荧光分子，该分子具有扩展的π共轭结构，能够实现强烈的长波长吸收和发射。4F分子的平面结构和分子内非共价相互作用使其具有高荧光量子产率和低非辐射能量损失。
技术创新与应用
4F纳米颗粒的制备与表征
研究团队将4F分子封装到两亲性共聚物PluronicF-127中，形成水溶性纳米颗粒（4FNPs）。通过动态光散射和透射电子显微镜确认了纳米颗粒的均匀性，其水动力直径约为50nm。
通过光谱分解和分子动力学模拟，研究发现4F纳米颗粒中的荧光发射主要由单体和二聚体共同贡献，其中二聚体占主导地位。二聚体不仅具有较弱的荧光发射能力，还表现出强烈的分子间非辐射衰减。
调控二聚体比例以缓解ACQ
研究团队通过降低4F在共聚物中的掺杂浓度，成功减少了二聚体的比例，开发出亮度更高的4F NP3s纳米颗粒。4F NP3s的NIR-II亮度是临床批准的5倍。
成像实验与结果分析
4F NP3s的生物相容性与光稳定性
4F NP3s在体外实验中表现出良好的生物相容性，即使在高浓度下也未观察到明显的细胞毒性。此外，4F NP3s展现出优异的光稳定性，长期保存后荧光强度和光谱形状几乎无变化。
在小鼠模型中，4F NP3s通过尾静脉注射后，在NIR-IIb窗口（1500nmLP）提供了清晰的血管可视化，显著降低了背景噪声，提高了信噪比。相比之下，传统的NIR-II窗口（980和1300nmLP）的成像效果较差。
深层肿瘤成像实验
4F NP3s在深层肿瘤成像中表现出色，通过增强渗透性和保留效应在肿瘤区域实现有效积累。注射后24小时，肿瘤区域的荧光信号达到峰值，并在36小时后仍保持满意的亮度，显示出其作为长期NIR-II成像探针的潜力。
总结与展望
研究标志着NIR-II荧光探针开发进入机理驱动的新阶段。通过飞秒光谱与量子计算的多尺度解析，首次阐明二聚体在ACQ中的核心作用，颠覆了传统“聚集量决定淬灭度”的经验认知。所建立的“浓度-堆积-亮度”定量关系模型，为后续探针设计提供了普适性指导原则。4F NP3s的亮度值，不仅刷新有机小分子探针的纪录，更达到临床常用稀土基探针的85%，展现出巨大的转化潜力。在光电领域，二聚体调控策略为有机发光二极管的效率提升开辟新路径；在能源领域，该发现对有机光伏电池的界面工程具有启示意义，通过精准控制给受体分子堆积，可减少非辐射复合损失。
声明：本文仅用作学术目的。
Miao X, Jia M, Weng X, Zhang J, Pan Y, Zhao H, Yu Z, Fan Q, Hu W. Alleviating NIR-II emission quenching in ring-fused fluorophore via manipulating dimer populations for superior fluorescence imaging. Light Sci Appl. 2025 Mar 4;14(1):109.
DOI:10.1038/s41377-025-01787-0.