本文要点：近红外（NIR）供体-受体-供体（D-A-D）荧光染料设计的最新进展揭示，在连接增溶基团和/或屏蔽基团时，其结构变化能够增强染料溶解度并减轻由聚集和溶剂相互作用引起的荧光淬灭。然而，关于这些分子结构变化如何影响荧光染料本身的光物理特性，研究仍存在显著空白。本研究全面分析了供体取代基位置对一系列D-A-D近红外荧光染料稳定性和光学性能的影响。研究者通过将噻吩噻二唑（TTD）与六种不同的甲氧基苯基或二甲氧基苯基供体结合，形成了一个甲氧基取代基位于受体邻位、间位和/或对位的D-A-D近红外荧光染料库。研究的实验结果，辅以密度泛函理论（DFT）计算，表明甲氧基供体的位置与发射波长、亮度和稳定性密切相关。总体而言，对位供体表现出更长的发射波长（902-907 nm），而间位供体的量子产率（0.88-0.90%）高于邻位和对位供体（0.31-0.47%），这使得它们在生物成像应用中具有潜在的应用前景。

在本研究中，以甲氧基苯基作为烷氧基苯基取代基的模型，探究其在D-A-D偶联物中的性质。具体而言，研究者考察了甲氧基苯基供体在与强电子受体噻吩噻二唑（TTD）相关的邻位、间位和对位每个位置上可能提供的变化。本研究中包含了二甲氧基取代的供体，以评估它们对光物理性质的影响，以及它们在连接多个基团以提高溶解度和更好地控制聚集分布方面的合成用途。在整个系列中，间位具有醚取代基供体的染料表现出最高的荧光量子产率3-MT（ΦPL=0.88%）和3,5-MT（ΦPL=0.90%），而那些具有邻位醚取代基的染料则表现出较低的光稳定性，其中2,6-MT在照射10小时后失去了约40%的结构完整性。这项工作填补了研究中的一个重要空白，概述了供体基团位置对所得荧光染料整体性质的重要性，并为D-A-D分子设计提供了一个补充指南。

图1. 染料结构与一般合成方案染料结构与一般合成方案

本研究采用噻吩噻二唑（TTD）作为受体分子制备D-A-D型化合物，该受体分子是研究者及他人此前合成近红外发光分子的常用原料。TTD属于噻二唑类受体家族，可用于构建具有近红外I区吸收（700-1000 nm）、高稳定性，并能发射更长波长近红外II区（>1000 nm）荧光的D-A-D型有机分子。首先，研究者将受体与两个己基取代的噻吩偶联，这类烷基取代噻吩常与其他烷基噻吩配合使用，通过扩展π共轭体系来合成D-A-D型荧光染料并提高其溶解度。随后，将己基噻吩取代的TTD（TTD-hexT）与六种不同甲氧基/二甲氧基苯基供体进行偶联，这些供体的甲氧基取代位相对于受体分别位于邻位、间位或对位。其中2-甲氧基苯基、3-甲氧基苯基和4-甲氧基苯基为单甲氧基取代，分别用于制备2-MT、3-MT和4-MT荧光染料；其余三种供体为双甲氧基取代（2,6-二甲氧基苯基、3,5-二甲氧基苯基和3,4-二甲氧基苯基），分别用于合成2,6-MT、3,5-MT和3,4-MT（图1）。

表1. 每种染料的理论和实验垂直单线态激发能和计算的振子强度（f）

为降低成本效率，染料结构通过用3-甲基噻吩替代3-己基噻吩间隔基团得以简化。采用TD-DFT方法在ω97BX-D/6-31G(d)理论水平下计算了荧光染料从基态S0到最低激发态S1的单态跃迁相关垂直激发能，这些能量与实验吸收最大值λmaxabs的误差在10%以内（表1）。

图2. 单甲氧基荧光团2-MT、3-MT和4-MT的HOMO-2、HOMO-1、HOMO和LUMO轨道，在ωB97X-D/6-31G（D）能级计算

图3. 二甲氧基荧光团2,6-MT、3,5-MT和3,4-MT的HOMO-2、HOMO-1、HOMO和LUMO轨道，在ωB97X-D/6-31G（D）能级计算

图4. 计算了前线分子轨道和HOMO-LUMO能隙的相对能量

对所有荧光染料而言，S0→S1跃迁均对应最高占据分子轨道（HOMO）向最低未占分子轨道（LUMO）的跃迁，其中HOMO定域于整个共轭主链，而LUMO主要分布在TTD受体上，表明激发过程中发生了分子内电荷转移（ICT）。对于4-MT，其S0→S1跃除涉及HOMO→LUMO跃迁外，还包括电子从HOMO-2向LUMO的转移——HOMO-2比HOMO更集中于对位氧原子周围。这种差异表明与邻位和间位取代基相比，对位甲氧基供体具有更显著的电荷分离特性，从而增强了ICT特征，因为后者的S0→S1跃迁不涉及HOMO-2。值得注意的是，3-MT、3,5-MT和3,4-MT荧光染料的HOMO未延伸至氧原子，说明间位甲氧基团未参与这些分子的ICT过程（图2和图3）。前沿分子轨道能级数据见图4。

表2. 噻吩π-间隔体与甲氧基苯基供体夹角的二面角测量

分子单态基态S0和激发态S1的优化几何结构显示，TTD受体与噻吩间隔基之间的二面角较小，在S0态中为1.01-4.12°，S1态中为0-1.42°。然而，烷基取代噻吩与甲氧基苯基供体之间的二面角在S0和S1态中均显著更大（表2），表明噻吩与TTD之间的共轭程度高于噻吩与甲氧基苯基供体之间的共轭。

在单甲氧基苯基供体中，邻位取代的2-MT（其-OCH3基团朝向相邻噻吩的碳原子，表2所示）在基态（ϕ1=ϕ2=32.8°）和激发态（ϕ1=29.7°，ϕ2=28.7°）下均表现出与每个噻吩环的最大二面角。但当2-MT的反式构型被优化时，朝向噻吩环硫原子的邻位甲氧基基团在基态（ϕ2=23.8°）和激发态（ϕ2=14.8°）中高度平面化，这可能是由于氧原子与硫原子之间的分子内相互作用所致。

除2-MT的反式构型外，3-MT、3,5-MT和3,4-MT中的间位甲氧基供体在基态下表现出最小的二面角（ϕ1,ϕ2=30.6-31.2°）。这种高平面性可能归因于间位甲氧基的诱导吸电子效应减少了π电子之间的电荷排斥。值得注意的是，2,6-二甲氧基苯基供体与噻吩环之间的二面角在系列分子中最大（基态ϕ1=36.5°，ϕ2=39.0°），这很可能是由于邻位两个甲氧基团的空间应变所致（表2）。

表3. CH2Cl2中六种荧光团和TTD hexT核心的还原电位E1/2

系列中六种分子的电化学还原电位E1/2通过循环伏安法测定，结果汇总于表3。每种染料在-0.98至-1.13V范围内呈现可逆的还原峰，对应于TTD单元的还原，与相同溶剂中TTD-hexT核心的测量值-1.17V（vs Ag/AgCl）吻合良好。此外，还原发生在TTD单元的计算数据与实验结果一致，其中LUMO定域于TTD区域。正如预期，TTD局域还原对远端苯环的取代相对不敏感。值得注意的是，2,6-MT的LUMO能级计算值高于其他五种荧光染料，这与该分子测得更负的E1/2值（-1.13V vs Ag/AgCl）一致（图4）。在整个系列中，3-MT、3,4-MT和3,5-MT具有最低能量的LUMO，这与它们易于还原的特性相符（-0.98至-1.03V，表3）。

所有荧光染料均观察到两个可逆氧化峰，而TTD-hexT核心仅有一个。这些峰被归因于末端甲氧基苯基的连续氧化：第一个氧化峰出现在+0.49至+0.69V范围内，第二个在+0.78至+1.10V（vs Ag/AgCl）。这些峰的位移取决于取代位点和甲氧基数量。对于单甲氧基取代化合物，邻位和对位取代染料相对于间位取代的3-MT（+0.59V vs Ag/AgCl）表现出阴极位移：2-MT和4-MT分别为+0.52V和+0.49V。这些值与HOMO计算能级一致，其中3-MT的能级低于2-MT和4-MT，使其更难氧化（图4）。单取代系列中第二个氧化峰也呈现类似趋势，这与HOMO和HOMO-1定域于甲氧基苯基取代基的预期一致。双取代分子中，2,6-MT和3,4-MT比3,5-MT（E1/2=+0.69V vs Ag/AgCl）更易氧化，E1/2值分别为+0.47V和+0.51V，这表明苯环上取代位置对电子给体强度的影响具有可变性。

单取代和双取代染料在CHCl3中的归一化电子吸收光谱见图5，其对应的最大吸收波长λmaxabs和摩尔吸光度ε列于表4。

图5. 六种荧光团在CHCl3中298K（λexc=695nm）下的归一化吸收（实线）和发射（虚线）光谱

表4. 每种染料的电子吸收最大值λmaxabs、摩尔吸光系数ε、发射最大值λmax、量子产率ΦPL和激发态能量E00

在室温CHCl3溶液中观察到了各分子的发射光谱（图5所示），其中2-MT、3-MT、3,5-MT和2,6-MT的发射峰约为888nm，4-MT为907nm，3,4-MT为902nm（激发波长λexc=695nm）。六种染料的室温发光特性及其量子产率ΦPL汇总于表4。通过归一化吸收光谱与发射光谱的交点计算了各荧光发光激发态能量E00，结果在12,210至13,040cm-1范围内。

在单甲氧基荧光染料2-MT、3-MT和4-MT中，4-MT表现出最长的吸收和发射最大值（分别为690nm和907nm），这与对位甲氧基作为更优电子给体的预期一致，其氧化电位低于2-MT和3-MT的实验结果也证实了这一点（表3）。4-MT之后，2-MT的λmaxabs和λmaxem分别为680nm和891nm，长于3-MT的665nm和888nm，这与分子氧化电位的变化趋势一致（表3）。对于双甲氧基取代染料2,6-MT、3,5-MT和3,4-MT，3,4-MT具有最长的λmaxabs和λmaxem（690nm和902nm），这同样归因于其对位甲氧基比邻位和间位取代基更强的电子给体特性（表3和表4）。

虽然摩尔吸光度在整个系列中没有明确的规律，但量子产率ΦPL的最高值出现在间位甲氧基取代的3-MT（ΦPL=0.88%）和3,5-MT（ΦPL=0.90%）中（表4）。3-MT在单甲氧基染料2-MT、3-MT和4-MT中量子产率最高，而3,5-MT在双甲氧基染料中发光效率最优。这一趋势可归因于3-MT和3,5-MT比系列中其他分子具有更高的平面性（表2），与先前研究发现的供体-受体共轭主链扭曲会增加非辐射能量损失，而平面体系能增强电子离域和光致发光强度的结论一致。

在环境氧条件下，近红外发射荧光染料的光稳定性至关重要，因为长时间照射会导致结构损伤，从而引起荧光淬灭和光分解。因此，评估近红外荧光染料的光稳定性对于其在生物成像应用中的使用至关重要，因为在生物成像中可能需要延长近红外照射时间。通过在CHCl3中监测每种荧光染料的吸收光谱随照射时间的变化（670 nm，100 mW）进行了光稳定性研究。结果表明，单取代分子的分解程度相似，在照射10小时后均保留了约80%的初始吸光度。在双取代荧光染料中，3,4-MT和3,5-MT表现出最小的分解，各自保留了约85%的初始强度，而2,6-MT则显示出显著的分解，照射10小时后仅保留了约60%的初始强度（图6）。这些结果表明，基于TTD的荧光染料（除2,6-MT外）在长时间高功率照射（10小时，100 mW）下表现出优异的光稳定性（>80%强度）。

图7. （a）2-MT和（b）2,6-MT的光谱表征，包括在CHCl3中可变延迟时间的瞬态吸收光谱（顶部；λexc=750，fwhm=85fs），以及在CH2Cl2中施加电势下获得的单电子还原（中间）和氧化（底部）物种的电子吸收光谱（相对于Ag/AgCl）

采用飞秒瞬态吸收光谱记录了CHCl3溶液中经750nm激发（5μJ，脉宽85fs）后各荧光染料的激发态，2-MT和2,6-MT的谱图展示于图7a,b（上部），其余染料谱图见图S23。所有分子均在~400nm处呈现ICT带基态漂白信号，并在440-620nm范围内显示宽激发态吸收峰，最大值位于~490nm。通过光谱电化学方法辅助解析瞬态吸收谱中的激发态特征。氧化时所有分子在450-540nm（峰值~525nm）及近红外区（700-900nm）吸光度显著增强（图7a,b下部），这与甲氧基苯阳离子自由基的形成一致，证实首次氧化发生于远端取代供体。同时，分子氧化导致~400nm和~650nm处ICT信号减弱，归因于甲氧基苯向TTD单元的电荷转移减弱。

还原实验中（图7a,b中部），2-MT和2,6-MT在可见-近红外区吸光度普遍下降，伴随450-475nm新峰出现（3-MT除外），对应还原TTD核心的生成。3-MT在可见区吸光度下降的同时300nm处略有增强。单电子还原物种在2-MT、4-MT、2,6-MT和3,4-MT中呈现450-500nm吸收峰，而3,5-MT则发生显著红移（峰值525nm）且信号更强。瞬态光谱（图7）与光谱电化学获得的氧化/还原物种电子吸收谱特征吻合，表明激发态源于甲氧基苯供体向TTD核心的分子内电荷转移。正信号衰减与基态漂白可通过双指数函数拟合，各荧光染料寿命相近（表5）。初始1ICT激发态（S1）的振动弛豫寿命为2-13ps，随后通过电荷复合在200ps-670ns内返回基态S0（表5）。TTD-hexT核心电荷分离态寿命为550ps。氧化/还原特征与全局寿命的观测证实了分子中取代苯基向TTD核心的电荷转移过程，其寿命由电荷复合速率决定。

表5. CHCl3中测量的瞬态吸收衰变分量τ1和τ2，具有百分比贡献，以及辐射和非辐射衰变率kr和knr

非辐射衰减动力学中一个关键参数是最低激发态能量E00，这一关系被称为能隙定律（EGP）。该定律指出，随着激发态与基态能隙减小，非辐射衰减速率knr会增加，导致激发态寿命缩短。通过荧光量子产率ΦPL和激发态寿命τ，利用经典关系式计算得到各荧光染料的辐射速率常数kr和非辐射衰减速率knr，结果列于表4。ln(knr)与E00的关系基本符合EGP预期趋势，其中1ICT激发态能量越低，knr值越大。

表5显示，3-MT的knr值最低（6.36×10⁸ s⁻¹），其次为2-MT（8.79×10⁸ s⁻¹）和3,5-MT（1.26×10⁹ s⁻¹）。若非辐射失活通过供体基团旋转实现，表2所列1ICT激发态S1至基态S0的二面角变化Δϕave将影响knr大小。3-MT的平均二面角变化最小（Δϕave=4.8°），与其最低knr值一致；2-MT（syn构型）和3,5-MT的Δϕave值也较小（分别为3.8°和4.5°），对应其较低的knr值。此外，3-MT、2-MT和3,5-MT表现出更长的1ICT寿命和更高的发射量子产率（表3和表4），这与它们较低的knr值相符。

遵循EGP趋势的4-MT和3,4-MT具有最短寿命和最大knr值，同时S1→S0的二面角扭曲更大（表2和表4）。2,6-MT的非辐射失活速率knr高达1.34×10⁹ s⁻¹（表5），与其计算得到的S1→S0供体旋转角Δϕave=10.8°一致（表2）。值得注意的是，2,6-MT的短寿命和整体不稳定性使其在成像应用中成为较差的荧光染料设计。可通过在甲氧基位引入屏蔽基团或聚合物包埋来保护受体免受亲核试剂（如溶剂分子）影响，以改善其稳定性，因为D-A-D染料降解被认为发生在受体位点。当前研究正探索多种策略以增强染料稳定性和水溶性，从而与本工作结果进行直接比较。

本研究证实，近红外供体-受体-供体（D-A-D）荧光染料的不同取代位置会直接影响其光物理特性。实验发现，间位甲氧基的引入能通过增强D-A-D骨架的平面性提高光致发光量子产率，而邻位双取代则会因D-A-D平台的空间应变降低光稳定性。计算分析与电化学研究共同证实，邻位供体的电子给体能力弱于对位供体。研究明确揭示了这类近红外D-A-D荧光染料在激发时形成电荷分离激发态，且供体位置会直接影响电荷复合寿命。这些发现为未来研究提供了优化光稳定性和亮度的指导原则，同时可通过远端取代策略兼顾生物相容性需求。

参考文献

Ghazala M, Garcia S P, Sheldon C F L, et al. Positional Tuning of Ether-Substituted NIR Donor–Acceptor–Donor Fluorophores[J]. The Journal of Physical Chemistry A, 2025, 129(45): 10295-10304.

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