本文要点：近红外二区（NIR-II）荧光成像凭借深层组织穿透力与高空间分辨率的优势，正成为活体生物分子监测的重要技术。然而，开发具有高发光效率的NIR-II荧光团仍面临挑战。本研究通过结合密度泛函理论与热振动关联函数法的计算策略，系统探究萘基取代策略提升NIR-II荧光团量子效率（FQE）的内在机制。基于苯并双噻二唑（BBTD）受体分子骨架，通过在α/β位取代苯环构建了两种新型萘基衍生物。光物理特性表明：萘基引入既扩大能隙又引发荧光发射蓝移。值得注意的是，绝热激发能升高与振动耦合减弱共同导致的非辐射弛豫抑制，是萘基化合物发光效率提升的主因。其中C1-βNaphth在保持高效NIR-II发射的前提下实现4.2倍FQE提升，成为潜在的高性能NIR-II发色团。该发现为优化NIR-II染料发光特性确立了理性设计策略，将推动生物成像用高效荧光探针的开发。

本研究提出创新策略：通过整合CH1055（重命名C1）的分子骨架与萘基多环芳烃单元，实现NIR-II发射与发光效率的协同优化。研究表明，以萘基取代C1中苯环可扩大HOMO-LUMO能隙并降低荧光团的电荷转移特性，导致光吸收与光发射光谱同步蓝移。同时，含萘发色团的荧光量子产率超母体化合物4倍以上，主要归因于绝热激发能升高以及非绝热耦合与电子-振动耦合减弱。值得注意的是，β-取代萘基荧光团兼具高效NIR-II发射与提升的荧光效率，预示其成为高性能NIR-II荧光团的潜力。这些发现凸显萘基取代策略对优化分子荧光团发光性能的有效性，为生物成像用新型高效NIR-II发色团的设计合成提供了理论依据。

图1.（a）设计策略和（b）所研究荧光团的具有平面度参数的分子结构

本研究荧光团的设计策略与分子结构如图1所示。选择代表性发色团C1作为母体分子，因其兼具长波长NIR-II发射特性及优异的结构可修饰性。其分子内强缺电子性苯并双噻二唑（BBTD）受体与富电子三苯胺供体的组合促进了分子内电荷转移，导致发射光谱红移至近红外区域。为拓展π共轭体系，通过取代BBTD相邻苯环引入萘基团：在萘环α/β位的取代分别生成C1-αNaphth与C1-βNaphth。相较于苯环，萘的双核芳环结构赋予分子更高刚性及扩展电子共轭，可抑制激发态结构旋转并减弱发射过程中的振动弛豫。

由于芳环间空间位阻与π-π相互作用，所有荧光团均呈现对称性扭曲构象，具体表现为受体-供体片段间扭转角变化：BBTD单元与芳基单元二面角从C1的39.84°增至C1-αNaphth的63.57°，而C1-βNaphth为41.22°。C1-αNaphth显著扭曲的分子骨架对应1.57 Å的分子平面性参数（MPP），高于C1（1.21 Å）与C1-βNaphth（1.18 Å），表明α-取代萘基诱导更强烈的分子结构非共面性偏移。

图2. 荧光团的前线分子轨道和分子静电势的分布

尽管这些荧光团的前沿分子轨道（最高占据轨道HOMO离域分布于分子骨架，最低未占轨道LUMO定域于受体单元，图2）呈现相似空间分布特征，但C1-βNaphth的电子密度分布更趋近于C1。相比之下，C1-αNaphth发色团HOMO轨道在受体单元的电子分布减弱，静电势分析表明电子更显著局域于BBTD片段，导致其HOMO-LUMO能级差增至3.87 eV。而C1与C1-βNaphth的能隙分别降至3.62 eV与3.64 eV，该特性有助于荧光发射红移。总体而言，这些荧光团中前沿分子轨道的显著电子分离将促进光物理过程电子跃迁期间的分子内电子密度重分布。

图3.（a）吸收光谱，（b）来自不同分子部分的跃迁偶极矩和（c）荧光团在石灰和青色中描绘的电子空穴分布

基于荧光团分子结构，表征其吸收与发射特性以探究萘基取代对光物理行为的影响。激发态下荧光团对入射光场的响应体现于吸收光谱——通过高斯展宽模拟化合物激发态参数获得。如图3a所示，所有荧光团在近红外区均呈现强吸收，但萘基引入导致最大吸收波长蓝移：α位萘基取代使吸收峰从C1的675 nm显著蓝移至C1-αNaphth的573 nm，而β位取代的C1-βNaphth相较C1-αNaphth红移69 nm。衍生体中C1-βNaphth因扩展π共轭及分子平面性获得最高摩尔吸光系数（3.08×10⁴ L·mol⁻¹·cm⁻¹），优于C1（2.67×10⁴）和C1-αNaphth（1.62×10⁴）。此差异与基态（S0）至第一激发态（S1）跃迁偶极矩（TDM）密切相关，其值可分解为三个分子片段贡献（图3b）：所有化合物总TDM主要源于两端对称供体基团；萘基引入使BBTD单元TDM从C1的1.01德拜微增至C1-αNaphth的1.08德拜与C1-βNaphth的1.09德拜，但供体部分TDM贡献差异显著（C1:8.66德拜；C1-αNaphth:5.76德拜；C1-βNaphth:8.99德拜）。显然，β位萘基取代在光吸收过程中诱导更显著的电子分布位移。

电子-空穴分布证实该跃迁行为（图3c）：激发态电子定域于受体，空穴沿分子骨架分布，BBTD核心呈现大范围电子-空穴重叠（重叠参数Sr：C1为0.966原子单位；C1-αNaphth为0.646；C1-βNaphth为0.708）。含萘发色团电子-空穴重叠减弱与前述HOMO中受体π离域减弱一致。

表1. 发射能量（Eemi，单位为eV）、荧光波长（λemi，单位为nm）、相应的振子强度（δemi，单位为a.u.）以及所研究荧光团S1到S0跃迁的跃迁性质

图4. （a）C1，（b）C1-α萘酚，（c）C1-β萘酚的S1到S0跃迁的自然跃迁轨道和电子-空穴热图。HLCT表示杂化的局部和电荷转移，箭头下方的值为局部激发比例

所研究化合物的荧光特性（包括发射能量、荧光波长及相应跃迁特征）汇总于表1。C1的计算荧光波长1117.59 nm与实验值1055 nm合理吻合，差异可能源于模拟中未考虑分子间相互作用。值得注意的是，萘基引入C1分子骨架导致光发射显著蓝移：C1-αNaphth荧光波长957.45 nm，C1-βNaphth为1033.35 nm，该顺序与荧光团HOMO-LUMO能隙大小一致。所有化合物发射峰均源于最高占据自然跃迁轨道（HONTO）与最低未占自然跃迁轨道（LUNTO）间的电子转移（图4）。此分子内电荷转移过程兼具BBTD片段局域化跃迁及末端供体向受体核心的电子转移，呈现杂化局域-电荷转移（HLCT）特性。正如预期，新化合物C1-αNaphth与C1-βNaphth凭借窄能隙及强电子推-拉能力实现900 nm以上长波发射，其中C1-βNaphth的高效NIR-II发射凸显其作为生物成像探针的潜力。

表2. 所研究荧光团的辐射衰变率（kr，in s−1）、非辐射衰变率（knr，in s−1）、荧光量子效率（FQE，in%）和绝热激发能（Ead，in eV）

图5. （a）低频（LF）、中频（MF）和高频（HF）简正模的非绝热耦合，以及（b）C1、（c）C1-α萘和（d）C1-β萘的非绝热耦合与振动频率的关系

在验证高效NIR-II发射的基础上，进一步计算发光效率以评估荧光团作为候选材料的有效性。表2列出各发色团最低单重激发态衰变速率常数：母体C1的辐射衰变速率（kr=3.95×10⁷ s⁻¹）与非辐射衰变速率（knr=1.64×10¹⁰ s⁻¹）计算得荧光量子效率（FQE）为0.24%，与实验值0.3%定量吻合。萘基取代后，C1-αNaphth与C1-βNaphth的kr分别增至4.82×10⁷ s⁻¹和5.52×10⁷ s⁻¹，knr则显著降至0.30×10¹⁰ s⁻¹与0.54×10¹⁰ s⁻¹，使FQE提升至1.56%和1.01%，证实萘基取代策略的有效性。

辐射衰变速率主要由第一激发态垂直跃迁能（ΔEvert）和振子强度（δ）决定：C1-αNaphth的kr升高主要源于ΔEvert从0.11 eV增至1.29 eV（δ略降至0.61原子单位）；而C1-βNaphth的ΔEvert（1.20 eV）与δ（0.86原子单位）同步增加共同加速辐射弛豫。

非辐射衰变受绝热激发能（Ead）主导：含萘荧光团的Ead值（C1-αNaphth:1.67 eV; C1-βNaphth:1.50 eV）较C1（1.40 eV）显著提升，有效抑制激发态非辐射弛豫。图5显示各振动简正模对非绝热电子耦合的贡献（按频率分三区）：高频区（HF,ω>1000 cm⁻¹）耦合强度主导非辐射衰变，其值在C1（67.35 cm⁻¹）、C1-αNaphth（34.94 cm⁻¹）和C1-βNaphth（57.20 cm⁻¹）依次降低。C1中1543.75 cm⁻¹振动模（BBTD单元C-C伸缩/TPA部分C-H弯曲）具有最大耦合强度（15.50 cm⁻¹），而萘基衍生物中该振动被显著抑制，其最强耦合分别转移至1571.43 cm⁻¹（6.46 cm⁻¹）和1559.59 cm⁻¹（11.30 cm⁻¹）。因此，BBTD邻位苯环萘基取代有效降低了分子非绝热电子耦合强度，从而抑制发光过程的非辐射衰变。

图6.（a）C1和C1-β萘的电子振动耦合与振动频率的关系，（b）具有代表性的振动模式。（c）键长、键角和二面角对电子振动耦合有贡献

尽管C1-αNaphth展现出最优荧光量子效率（FQE），但其低于1000 nm的发射波长限制了NIR-II荧光成像应用。相比之下，C1-βNaphth兼具高发光效率与高效NIR-II发射，是更理想的NIR-II荧光团候选者。为深入探究荧光团构效关系，图6对比了C1与C1-βNaphth的电子-振动耦合特性：具有强耦合强度的振动模式是激发态能量耗散的主要非辐射衰变通道。通过电子-振动耦合的内坐标分解（图6c），发现键伸缩振动贡献度远超键角弯曲与二面角扭转，表明原子间伸缩振动是激发能耗散主路径。

C1与C1-βNaphth的电子-振动耦合差异主要源于二面角组分变化，这与S1/S0态间几何变化一致（表S6）：供体-受体间二面角差（Δθ1）在电子态间波动较小，而供体部分苯环间扭转角差（Δθ2）在萘基引入后显著减小（C1:7.63°；C1-αNaphth:2.83°；C1-βNaphth:2.62°）。C1-βNaphth中Δθ2的大幅降低导致其均方根位移（0.525 Å）小于C1（0.531 Å）。因此，β位萘基取代显著抑制供体单元自由旋转并减少结构形变，从而削弱荧光团振动耦合。此外，萘基存在使绝热激发能升高，进一步抑制非辐射弛豫路径。综上，含萘荧光团C1-βNaphth通过降低非辐射衰变实现了发光效率提升（图7）。

为建立分子结构与非辐射衰变的内在关联，展示了所研究荧光团的平面性参数、电子-空穴重叠度与非辐射衰变速率的关联性。电子-空穴重叠度与非辐射衰变速率呈显著正相关，表明该基于电子跃迁的参数与化合物非辐射过程密切相关。然而，非辐射衰变速率常数随分子平面性参数（MPP）呈非单调变化，这说明仅基于分子几何结构的描述符不足以准确预测荧光团的非辐射弛豫行为。

本研究通过热振动关联函数法结合量子化学计算，系统探究D-A-D型近红外二区（NIR-II）荧光团的光物理性质，提出萘基取代策略以提升发光效率。研究表明：萘基引入分子骨架可扩大HOMO-LUMO能隙，诱导吸收光谱蓝移，并降低激发态电子-空穴重叠度；当萘基取代位从α位转为β位时，因π共轭扩展与分子平面性提升，发射光谱红移76 nm。尤为关键的是，α/β位萘基取代使荧光量子效率（FQE）分别提升至1.56%与1.01%，较母体C1实验值（0.3%）实现6.5倍与4.2倍增强。相较于已报道的芳香取代D-A-D型NIR-II发色团，萘基间隔基的引入兼具合成简便性、成本效益与可调控空间位阻优势，为精准调控荧光团电子/光学特性提供新思路。化合物C1-βNaphth凭借绝热激发能升高、非绝热电子耦合与电子-振动耦合减弱，同步实现高效NIR-II发射与发光效率提升，被预测为理想候选材料。这些发现凸显萘基修饰策略在开发高效NIR-II生物成像探针中的普适性价值。当前工作聚焦萘基化合物的理论光物理评估，后续将深入开展实验验证与活体成像研究以推进实际应用。

参考文献

Chen, Wenshuo, et al. "Naphthyl-substitution strategy for enhancing luminescence efficiency of NIR-II fluorophores in bioimaging." Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy (2025): 127175.

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