近红外二区荧光探针的设计策略及应用成果
2025-11-06 来源:本站 点击次数:45
在生物医学成像领域，荧光探针一直是科研人员探索微观世界的得力助手。近年来，近红外二区荧光探针崭露头角，以其独特的优势为生物成像带来了全新变革，成为生命科学研究和医学诊断的新宠。今天，就让我们深入了解一下这项前沿技术。
一、传统困境与近红外二区的突破
传统荧光探针多在400nm - 900nm的可见光和近红外一区工作，这个波段的光在生物组织中面临重重阻碍。皮肤、脂肪等组织对其吸收和散射作用明显，导致穿透深度有限，难以清晰展现深层组织的情况。就好比光线在浓雾中传播，很快就被散射得失去方向，无法抵达更深处。这极大限制了对体内深层病变的检测和研究，对于一些早期隐匿性疾病，传统荧光探针常常“力不从心”。 
图1：无机稀土荧光纳米探针
为突破这一困境，科研人员将目光投向波长900nm-1700nm的近红外二区光。近红外二区光就像一位“穿透高手”，能更有效地穿透生物组织，大大减少背景干扰，从而获取更清晰、更准确的图像。它的出现，宛如在黑暗中为生物成像开辟了一条崭新的“光明大道”。
二、近红外二区荧光探针的设计策略
（一）分子内电荷转移调控
分子内电荷转移（ICT）是近红外二区荧光探针设计的关键策略之一。通过扩展共轭骨架、优化电子供体（D）-受体（A）强度，科研人员可以巧妙地将吸收/发射波长红移至近红外二区。例如，在传统菁类染料基础上引入强电子给体，显著增强分子内部的电荷转移能力，使分子在激发态中同时实现“局域激发”与“电荷转移”，如同两个紧密咬合的齿轮协同运作，成功将发射波长延伸至近红外二区波段，实现了近红外二区的荧光发射，为荧光分子的设计提供了全新思路。
（二）空间构象与J-聚集效应
分子平面化工程通过增强刚性结构，减少非辐射衰变，提高荧光效率；而扭曲构象则能在一定程度上平衡荧光亮度与波长红移的矛盾。J-聚集策略利用超分子作用力，让荧光探针的吸收峰红移200-300 nm。基于苯并双噻唑（BBT）的LZ - 1105探针，通过π-π堆叠实现1064 nm激发的近红外二区b区（1500-1700 nm）发射，信噪比提升8倍，成像效果大幅提升。
图2. 花菁染料FD-1080单体及其J-聚集体的性能测试。（a）FD-1080和DMPC的分子结构式；（b）FD-1080单体和J-聚集体的归一化吸收和发射波长；（c）FD-1080单体和J-聚集体的圆二色谱图；（d）FD-1080单体和J-聚集体的荧光衰减曲线；（e）FD-1080 J-聚集体的TEM图像、分子动力学模拟和J-聚集体示意图。
（三）特殊骨架与染料修饰
1.BBT/TBZ/TQ骨架：利用强吸电子单元（如噻二唑）构建D-A-D结构，TBZ-3探针在1350nm激发下实现穿透3 cm肌肉组织的超深成像，让深层肌肉组织的情况清晰可见。
2.花菁染料：引入环戊烯桥链稳定polymethine链，ICG衍生物在1064 nm激发下的血管成像分辨率达25μm，为血管相关疾病的研究和诊断提供了高精度的成像手段。
3.BODIPY：氟化修饰使发射波长延伸至1300nm，用于脑胶质瘤边界精准识别，助力脑胶质瘤的手术治疗，提高手术切除的精准度。
4.方酸菁染料：通过氨基酸修饰实现肾脏快速清除（90%在6小时内），在发挥成像功能的同时，保障了诊疗的安全性，减少体内残留带来的潜在风险。
三、近红外二区荧光探针的应用成果
（一）肿瘤精准诊疗
1.肿瘤早期检测：近红外二区荧光探针能实现对早期原位肝癌等肿瘤的灵敏活体成像。一种“关-开-关”近红外二区荧光探针（NDPs），具有近乎理想的零初始荧光特性，可最大限度减少正常组织干扰信号，对早期原位肝癌检测限低至5nM ，能够在肿瘤还处于微小阶段时就精准发现。
图3：小鼠肿瘤成像
2.肿瘤治疗监测：在肿瘤治疗过程中，实时监测治疗效果至关重要。通过标记肿瘤靶向药物，近红外二区荧光探针可以清晰显示药物在肿瘤组织中的分布和代谢情况，帮助医生及时调整治疗方案，提高治疗效果。
（二）骨骼成像研究
中国科学院化学研究所研究团队设计的新型荧光探针分子，对骨组织具有良好的“亲和力”。注射到小鼠体内后，迅速聚集在骨组织中，尤其是关节、脊柱区域 。在荧光成像仪下，小鼠全身骨骼网络轮廓清晰可见，如同给骨头“点亮了灯”。这种成像方式不仅避免了传统X光或CT的电离辐射风险，还能动态观察骨骼代谢过程、骨质疏松等疾病的演变过程，为骨骼疾病的研究和治疗提供了新的视角。
（三）手术导航辅助
上海交通大学樊春海团队研发的框架核酸荧光点（FDF dots），具有超高亮度、厘米级深层组织穿透性、高光稳定性和良好的肿瘤滞留率 。应用该材料可实现近单细胞水平的超高灵敏近红外二区癌症成像，并成功用于成像引导的微小肿瘤病灶的手术切除，帮助医生在手术中更精准地定位肿瘤，提高手术成功率，减少对正常组织的损伤。
图4：荧光指导手术导航
四、数联生物与近红外二区荧光探针
上海数联生物一直致力于推动生物成像技术的发展，在近红外二区荧光探针领域有着深入的研究和丰富的实践经验。我们提供一系列高品质的近红外二区荧光探针产品，涵盖多种类型和功能，满足不同科研和临床需求。同时，我们还为客户提供专业的技术支持和定制化解决方案，从实验设计到结果分析，全方位助力科研人员开展相关研究工作。
五、未来展望
尽管近红外二区荧光探针已经取得了显著的成果，但仍面临一些挑战，如生物降解性调控、标准化制备工艺等。不过，科研的脚步不会停歇。未来，新型AIE（聚集诱导发光）材料、双模态探针（如PET-近红外二区）和动态代谢追踪技术将成为研发重点。相信在不久的将来，近红外二区荧光探针将在疾病早期诊断、精确用药、组织工程等更多领域实现更大突破，为人类健康事业做出更大贡献。
一、传统困境与近红外二区的突破
传统荧光探针多在400nm - 900nm的可见光和近红外一区工作，这个波段的光在生物组织中面临重重阻碍。皮肤、脂肪等组织对其吸收和散射作用明显，导致穿透深度有限，难以清晰展现深层组织的情况。就好比光线在浓雾中传播，很快就被散射得失去方向，无法抵达更深处。这极大限制了对体内深层病变的检测和研究，对于一些早期隐匿性疾病，传统荧光探针常常“力不从心”。
图1：无机稀土荧光纳米探针
二、近红外二区荧光探针的设计策略
（一）分子内电荷转移调控
分子内电荷转移（ICT）是近红外二区荧光探针设计的关键策略之一。通过扩展共轭骨架、优化电子供体（D）-受体（A）强度，科研人员可以巧妙地将吸收/发射波长红移至近红外二区。例如，在传统菁类染料基础上引入强电子给体，显著增强分子内部的电荷转移能力，使分子在激发态中同时实现“局域激发”与“电荷转移”，如同两个紧密咬合的齿轮协同运作，成功将发射波长延伸至近红外二区波段，实现了近红外二区的荧光发射，为荧光分子的设计提供了全新思路。
（二）空间构象与J-聚集效应
分子平面化工程通过增强刚性结构，减少非辐射衰变，提高荧光效率；而扭曲构象则能在一定程度上平衡荧光亮度与波长红移的矛盾。J-聚集策略利用超分子作用力，让荧光探针的吸收峰红移200-300 nm。基于苯并双噻唑（BBT）的LZ - 1105探针，通过π-π堆叠实现1064 nm激发的近红外二区b区（1500-1700 nm）发射，信噪比提升8倍，成像效果大幅提升。
图2. 花菁染料FD-1080单体及其J-聚集体的性能测试。（a）FD-1080和DMPC的分子结构式；（b）FD-1080单体和J-聚集体的归一化吸收和发射波长；（c）FD-1080单体和J-聚集体的圆二色谱图；（d）FD-1080单体和J-聚集体的荧光衰减曲线；（e）FD-1080 J-聚集体的TEM图像、分子动力学模拟和J-聚集体示意图。
1.BBT/TBZ/TQ骨架：利用强吸电子单元（如噻二唑）构建D-A-D结构，TBZ-3探针在1350nm激发下实现穿透3 cm肌肉组织的超深成像，让深层肌肉组织的情况清晰可见。
2.花菁染料：引入环戊烯桥链稳定polymethine链，ICG衍生物在1064 nm激发下的血管成像分辨率达25μm，为血管相关疾病的研究和诊断提供了高精度的成像手段。
3.BODIPY：氟化修饰使发射波长延伸至1300nm，用于脑胶质瘤边界精准识别，助力脑胶质瘤的手术治疗，提高手术切除的精准度。
4.方酸菁染料：通过氨基酸修饰实现肾脏快速清除（90%在6小时内），在发挥成像功能的同时，保障了诊疗的安全性，减少体内残留带来的潜在风险。
三、近红外二区荧光探针的应用成果
（一）肿瘤精准诊疗
1.肿瘤早期检测：近红外二区荧光探针能实现对早期原位肝癌等肿瘤的灵敏活体成像。一种“关-开-关”近红外二区荧光探针（NDPs），具有近乎理想的零初始荧光特性，可最大限度减少正常组织干扰信号，对早期原位肝癌检测限低至5nM ，能够在肿瘤还处于微小阶段时就精准发现。
图3：小鼠肿瘤成像
（二）骨骼成像研究
中国科学院化学研究所研究团队设计的新型荧光探针分子，对骨组织具有良好的“亲和力”。注射到小鼠体内后，迅速聚集在骨组织中，尤其是关节、脊柱区域 。在荧光成像仪下，小鼠全身骨骼网络轮廓清晰可见，如同给骨头“点亮了灯”。这种成像方式不仅避免了传统X光或CT的电离辐射风险，还能动态观察骨骼代谢过程、骨质疏松等疾病的演变过程，为骨骼疾病的研究和治疗提供了新的视角。
（三）手术导航辅助
上海交通大学樊春海团队研发的框架核酸荧光点（FDF dots），具有超高亮度、厘米级深层组织穿透性、高光稳定性和良好的肿瘤滞留率 。应用该材料可实现近单细胞水平的超高灵敏近红外二区癌症成像，并成功用于成像引导的微小肿瘤病灶的手术切除，帮助医生在手术中更精准地定位肿瘤，提高手术成功率，减少对正常组织的损伤。
图4：荧光指导手术导航
上海数联生物一直致力于推动生物成像技术的发展，在近红外二区荧光探针领域有着深入的研究和丰富的实践经验。我们提供一系列高品质的近红外二区荧光探针产品，涵盖多种类型和功能，满足不同科研和临床需求。同时，我们还为客户提供专业的技术支持和定制化解决方案，从实验设计到结果分析，全方位助力科研人员开展相关研究工作。
五、未来展望
尽管近红外二区荧光探针已经取得了显著的成果，但仍面临一些挑战，如生物降解性调控、标准化制备工艺等。不过，科研的脚步不会停歇。未来，新型AIE（聚集诱导发光）材料、双模态探针（如PET-近红外二区）和动态代谢追踪技术将成为研发重点。相信在不久的将来，近红外二区荧光探针将在疾病早期诊断、精确用药、组织工程等更多领域实现更大突破，为人类健康事业做出更大贡献。
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