内容提要
Cy7 染料的分子结构包含由聚甲炔基组成的中心共轭体系，这使其对近红外光具有强烈的吸收。分子结构两端连接两个含氮吲哚杂环，其中一个带正电荷，导致 Cy7 染料形成具有离域正电荷效应的介电离子化合物，这也是其低化学反应性的原因。本文主要从三个方面进行综述：(1) 综述提高光敏剂荧光成像性能的方法，使其更适用于环境监测和生物成像；(2) 总结提高光敏剂光热转换效率（PCE）和单线态氧（¹O₂）产率（ΦΔ）的主要策略，以更好地应用于肿瘤和微生物等相关疾病的光疗；(3) 讨论光氧化断裂策略在药物递送和控释中的成功应用。
近红外光对 Cy7 染料的影响
Cy7 染料化学结构的优化设计必然始于对雅布隆斯基图（Jablonski diagram）的回顾。光照射会使光敏剂从基态（S₀）转变为单线态激发态（Sₙ），并通过快速内转换（IC）和振动弛豫到达最低单线态激发态（S₁）。处于 S₁态的光敏剂可通过三种不同的能量耗散途径返回 S₀态。首先，电子从最低激发态（S₁）通过辐射衰变返回基态（S₀），并以光子形式释放能量（荧光，途径 1）。在生物应用中，这些光子被检测并转换为图像引导的电信号，用于疾病诊断。其次，激发能也可通过非辐射振动弛豫到达 S₀态，该弛豫过程由分子内运动和与周围分子的碰撞介导，导致热生成（途径 2），这种热生成对肿瘤光热疗法（PTT）非常有用，且与光敏剂的光热转换效率（PCE）密切相关。最后，光敏剂可发生系间窜越（ISC），从 S₁态转变为非荧光的最低三线态（T₁）（途径 3）。尽管 ISC 到 T₁的过程通常较为罕见，但其高能量（大于 1 eV）和长寿命（通常为 10² μs）是影响光敏剂光稳定性的重要因素，同时也会产生显著的生物医学效应。T₁态的能量偏移会导致磷光发射，并引发一系列不可逆的化学反应，其能量可转移至附近的氧气或底物，产生活性氧（ROS），如 ¹O₂和自由基。这些新生成的 ROS 会导致光敏剂降解（光漂白），并具有高细胞毒性。
优化Cy7染料的荧光成像性能
荧光成像数十年来一直是组织学、生物测定和显微技术的支柱。各类经典染料已被开发为荧光探针的信号报告分子]。其中，Cy7 染料因其最大荧光发射峰位于近红外区域（>650 nm）且具有优异的生物相容性，成为生物医学应用中荧光探针的理想选择。遗憾的是，与短共轭链的花菁染料（如 Cy3 和 Cy5）相比，Cy7 染料在吸收光能后电子跃迁至激发态的概率更高，使其在光化学反应中更为活跃。这种高化学活性导致其在实际应用中稳定性较差。此外，窄斯托克斯位移和高非特异性蛋白结合率导致的低信噪比（SNR），仍是 Cy7 染料实际应用中面临的挑战。
提高 Cy7 染料光稳定性的设计策略
调控 Cy7 染料的 T₁态寿命
在氧饱和溶液中，³O₂与 T₁快速反应生成大量 ROS，导致快速光漂白。在无氧气分子的情况下，自由基态（R⁺和 R⁻）可能通过与周围环境的电子转移迅速形成，并发生闪烁和光漂移。因此，已证实精确控制 T₁态的生成效率和寿命的方法可显著增强荧光成像的光稳定性。三线态猝灭剂（TSQ）是淬灭荧光团三线激发态的顺磁性化学物质。借助 TSQ，荧光团无法沿三线态中间体诱导的漂白途径进行。尽管向溶液中直接添加 TSQ 已显示可显著改善荧光团的光稳定性，但溶液添加剂的使用受限于其相对较低的溶解度和不确定的碰撞方向。此外，在环境溶液条件（含氧缓冲液）下，由于其三线态猝灭效率相对于氧气较差，饱和添加剂浓度通常无效。
降低 Cy7 染料对 ¹O₂的亲和力
¹O₂作为高反应性氧物种，可引发染料分子的光氧化反应，导致染料褪色和降解 。在染料光稳定性研究中，通常通过添加 ¹O₂猝灭剂来实现 O₂猝灭（途径 3）。目前市售的猝灭剂包括各种化合物，如苯并三唑、羟基二苯甲酮和磷酸酯。然而，这种改善染料光稳定性的方法存在几个缺点：首先，¹O₂猝灭剂的选择性和效率是影响其效果的关键因素。如果猝灭剂不足以清除其他 ROS 或自由基，则可能无法充分保护染料分子。其次，某些猝灭剂可能与染料分子或其他光稳定剂相互作用，影响其性能或导致新的稳定性问题。此外，猝灭剂的稳定性和环境适应性是实际应用中必须考虑的问题，它们必须在不同环境条件下保持有效。为避免这些缺陷，一些研究人员尝试通过降低染料对 ¹O₂的亲和力来避免光氧化降解。
抑制其他化学反应的发生
一些 Cy7 染料，主要是含中间氯原子的染料，被认为易通过中间位点的 S_NR1 途径发生亲核取代反应。尽管这被认为是开发多功能 Cy7 染料的有效策略，但这些化学反应的发生也意味着其化学不稳定性，影响了它们在生物医学成像中的实际应用。最近，已成功开发出值得注意的化学结构修饰策略来解决 Cy7 染料的化学不稳定性问题。空间位阻保护是一种常见的化学保护策略 ，主要用于保护反应中的某些官能团免于过早反应或防止某些反应发生。另一种策略涉及使用纳米材料作为载体来封装 Cy7 染料。封装通过空间位阻抑制聚集，从而提供了一种提高光稳定性的方法。
大斯托克斯位移 Cy7 染料的设计策略
增加电子云密度
分子内电子转移是指电子从分子的一部分转移到另一部分，这种转移会改变分子的电子结构，是影响其斯托克斯位移的主要因素。因此，可通过增加分子内电子云密度来增大斯托克斯位移。氮原子有 3 个五价电子，可通过 sp³ 杂化轨道、共轭体系和诱导效应增加氮原子周围的电子云密度。因此，在 Cy7 染料的大共轭链中引入氮原子可增大斯托克斯位移。。
通过引入不对称电子结构增强内转换
与其他传统荧光团类似，Cy7 染料的电子结构在最高占据分子轨道（HOMO）和最低未占据分子轨道（LUMO）之间表现出特殊的对称性，并表现出小的键长交替和 “花菁极限”。尽管这种对称电子结构使染料具有高量子产率，但其振动亚轨道也大大减弱，导致激发态电子无法转换到较低的振动状态。因此，Cy7 染料的发射波长固定在激发波长附近，斯托克斯位移小。
通过供体 - 受体能量转移实现伪斯托克斯位移
荧光共振能量转移（FRET）是荧光分子间能量转移的一种方法，通常需要两个荧光团作为能量供体和能量受体；能量供体能够吸收激发光的能量并传递给能量受体，从而发射更长波长的能量，产生 “伪斯托克斯” 位移。能量供体的发射波长与能量受体的吸收光谱必须有一定程度的重叠，且能量供体和能量受体之间存在一定距离。因此，已有多种成功方法被报道用于增大荧光染料的斯托克斯位移，其中通过键能量转移（TBET）因其可调节性而受到越来越多的关注。
高荧光亮度 Cy7 染料的设计策略
抑制扭曲分子内电荷转移（TICT）
TICT 是共轭供体（D）和受体（A）分子中常见的光物理现象。通常，单键连接两个平面供体和受体结构。当分子被激发时，激发态在极性条件下诱导分子内进入扭曲的 TICT 态，而从该态返回基态通常通过非辐射跃迁完成。因此，抑制分子内扭转可有效避免荧光染料的 TICT 态，实现 Φf 的大幅提高。限制荧光分子分子间旋转的另一种方法是增强分子结构的刚性。通常，分子结构越刚性，荧光强度越高。这主要是由于增加了 π 电子的共轭程度，同时减少了非辐射跃迁的能量损失，如分子内转换、系间窜越过程和分子的内部振动，从而提高了荧光效率。
避免 Cy7 染料的自聚集
聚集引起的猝灭（ACQ）是指某些分子在溶液中具有良好的发光性能，但在聚集或固态状态下，由于分子间相互作用增强，非辐射能量损失增加，导致荧光效率降低甚至不发光的现象。这种现象在 Cy7 染料中尤为常见，是荧光亮度降低的主要原因之一。因此，有效避免聚集的方法是提高 Cy7 染料荧光亮度的实用策略。ACQ 是一个可逆过程，这意味着如果分子间距离增加，其荧光会变强。基于这一原理，Flood 等人设计了一种称为小分子离子隔离晶格（SMILES）的新材料。
长发射波长 Cy7 染料的设计策略
与近红外一区（NIR-I）荧光成像技术相比，NIR-II 荧光成像具有更大的穿透深度（>10 mm）、更高的信噪比（约 20）和更优异的空间分辨率（约 3 μm），显示出显著的临床转化潜力。因此，开发具有长发射波长的 NIR-II Cy7 染料对深部组织的荧光成像至关重要。目前，延长 Cy7 染料发射波长的策略主要包括化学结构修饰和构建 J - 聚集体。其中，化学结构修饰策略包括四种方法：A）延长共轭链；B）杂原子取代。在末端部分进行杂原子取代是另一种可延长 Cy7 染料发射波长的实用修饰方法；C）引入富电子基团。研究表明，在两端的杂环结构中引入给电子基团（EDG）可拓宽染料的发射波长；D）烷基环化。
更高信噪比（SBR）Cy7 染料的设计策略
SBR 是光学成像中灵敏度、检测能力和线性度的关键决定因素。在光学成像过程中，提高 SBR 仅存在两种途径：放大信号或抑制背景干扰。通过延长共轭链、优化端基结构等化学修饰策略，Cy7 染料已实现更长的发射波长、更高的量子产率和更好的光稳定性，从而在深部组织成像中展现出优异的荧光信号。两性离子 Cy7 染料 ZW800-1 已成为一种卓越的近红外荧光成像剂，因其血清结合率低、非特异性组织背景超低且具有快速肾脏清除特性。尽管其平衡的表面电荷导致缺乏固有肿瘤靶向能力，但与靶向配体结合可显著增强肿瘤特异性成像性能。这些偶联物不仅保留了 ZW800-1 的低血清结合和快速肾脏清除的固有优势，还实现了高 SBR 的靶向成像。
改善 Cy7 染料光动力性能的设计策略
重原子效应
分子中电子的自旋和轨道运动相互独立。然而，当分子中存在重原子时，重原子核的高核电荷会增强自旋 - 轨道耦合（SOC）]。这种耦合改变了电子的自旋状态，增加了从 S₁到 T₁的跃迁概率]。因此，为改善 Cy7 染料的 PDT效果，通常将重原子引入共轭芳烃的结构骨架中，利用重原子效应提高 ¹O₂产率。
无重原子效应
ISC 过程是电子自旋禁阻跃迁，只有少数分子可被光直接激发至 T₁态。然而，基于自由基增强系间窜越（REISC）机制的系统可将自旋禁阻的 ISC 过程直接转换为自旋允许的内转换（IC）过程，从而增强 T₁生成]。该系统通常将稳定自由基引入有机发色团，通过电子自旋 - 自旋交换相互作用增强 ISC 过程。除 REISC 机制外，自旋 - 轨道电荷转移系间窜越（SOCT-ISC）被认为是提高 ¹O₂生成速率的有效策略。SOCT-ISC 是一种涉及分子电子从一种自旋状态转变为另一种自旋状态的内能量转换过程。在此过程中，分子中的电子经历电荷转移和自旋翻转，增加系间窜越效率。
氧自给系统
基于 ¹O₂生成机制，PDT 的效率在很大程度上受肿瘤内氧气不足的限制。此外，癌细胞在缺氧环境中激活缺氧诱导因子 1α（HIF-1α），导致缺氧诱导的耐药性。最近，一些研究小组开发了结合纳米工程的氧自给系统，以改善 PDT 的疗效，该系统已被用于调节肿瘤缺氧。
改善 Cy7 染料光热性能的设计策略
缩小 HOMO-LUMO 能隙
分子内运动包括旋转、振动和扭转。活跃的分子内运动促进有效的非辐射衰减，并以热的形式释放激发能。因此，分子转子的自由旋转（通过非辐射衰减促进）减少了荧光和 ROS 生成，从而增加了热生成 [163]。最近，Peng 等人证实，在 Cy7 染料的聚甲炔共轭链中引入低能垒旋转基团可显著提高 PCE [39]。如图 16A 所示，在 Cy7 染料中间引入 - CF₃降低了电子密度，改善了聚甲烷链的光稳定性，缩小了 HOMO 和 LUMO 之间的能隙，显著提高了 PCE（>50%）。CF₃Cy 表现出最高的 PCE，为 83%。
除了增加分子内运动外，增加 Cy7 染料的共轭长度已被证明可扩展 π- 电子云，并通过缩小 HOMO-LUMO 能隙实现高效 PCE。共轭结构的添加降低了染料的 HOMO-LUMO 能隙。
增强分子内电荷转移（ICT）
ICT 过程是影响有机染料 PCE 的核心机制之一，其通过调节非辐射衰减通道和激发态能量耗散途径显著增强光热性能。光诱导电子转移（PET）是一种常见的过程，涉及电子从供体到受体部分的转移，生成电荷分离态，其在荧光探针设计、生物传感器开发和光电材料研究中具有重要应用。
分子堆积与 H 聚集体
将小分子染料自组装成超分子组件是提高其光学转换效率的有效方法。通常，在自组装过程中，小分子染料有两种填充模式：J - 聚集体和 H - 聚集体。染料的 J - 聚集体通常具有特殊的光物理性质，如强而窄的红移吸收带和高 Φf。然而，J - 聚集体的 PTT 效率可能较低，因为其非辐射激活途径受到抑制。相比之下，由于面对面接触且表面重叠强烈，H-聚集体通常呈低荧光或非荧光状态，但其非辐射途径是允许的，并且具有良好的 PCE 。因此，设计具有良好H-聚集趋势的 Cy7 染料对开发优异的 PTT 试剂具有积极意义。
优化 Cy7 染料的药物递送性能
Cy7 染料可作为荧光成像剂，广泛应用于生物成像和疾病监测。此外，它们还可作为光敏剂，在近红外光刺激下通过产生活性氧（ROS）和 / 或热量发挥肿瘤光疗和抗菌活性。然而，Cy7 染料的副作用不可避免。例如，光诱导的 ROS 会导致 Cy7 染料光降解，使其失去所有原始功能。但最近研究表明，这一缺点可通过基于近红外光调控的药物递送策略准确转化为可靠优势，主要有两种应用：一是作为荧光标签标记药物分子，实现体内药物示踪；二是通过光氧化降解实现药物控释。本章将介绍 Cy7 染料用于药物控释的应用案例和设计策略。
基于 Cy7 染料的光笼策略
光笼是对光的生物正交性、空间和时间分辨率响应的光敏物质。光笼的主要功能是在不暴露于光时保护特定化合物的活性，并在光照射下释放这些化合物，从而激活蛋白质、核苷酸和小分子药物。
有氧条件下的光氧化降解
Cy7 染料的光氧化降解不可避免，最常见的机制是 ³O₂通过 T₁光敏化形成 ¹O₂，进而氧化降解附近的 Cy7 染料生成羰基光产物。
缺氧环境下的光异裂
目前，光裂解过程存在两种公认机制：在有氧条件下，Cy7 染料经历自敏化氧化生成 ¹O₂以产生降解产物；在无氧条件下，Cy7 染料可在光刺激下直接断裂化学键释放 payload。
近红外光激活纳米凝胶
利用Cy7染料的光不稳定性，研究人员开发了各种近红外光激活光笼以实现药物释放。但该策略需要药物与 Cy7 染料共价结合，不适用于缺乏连接基团的分子。药物分子对 Cy7 染料的共价修饰会影响 Cy7 染料的某些固有性质，也会影响药物本身的生理活性，且大多数化学反应位点具有生理活性。Chen等人以 N - 异丙基丙烯酰胺（NIPAM）为单体、Cy780 - 丙烯基为交联剂，设计了一种用于近红外光介导药物递送的纳米凝胶系统。
结论
目前优化的Cy7染料在临床转化指标上仍面临关键瓶颈。
（1）长发射波长的染料通常存在量子产率低的问题。未来的研究应重点主要包括精确调控ICT效率，以平衡波长和辐射衰减速率；设计刚性π共轭骨架，以抑制振动弛豫引起的能量损失；开发新型两性分子结构，实现溶剂化壳层的可控组装。
（2）光稳定性的增强可能以光治疗效率为代价。为了解决这一矛盾，当前研究提出了三种创新策略：构建氧自供系统，例如利用类似过氧化氢酶的纳米材料维持局部氧浓度；通过分子工程开发双激发态调控染料，实现S1 → T1界面交叉与T1 → S1弛豫之间的动态平衡；设计聚集诱导发光（AIE）系统，通过超分子自组装同时增强光稳定性和光化学效率。
（3）光动力治疗（PDT）和光热治疗（PTT）表现出显著的竞争性相互作用。它们形成了一对矛盾的组合：高效的PDT光敏剂往往由于强的系间转换而导致光能转化效率（PCE）受限。PTT/PDT 协同作用的分子机制主要集中于 ROS 与热效应的互补、微环境调控以及免疫激活，而纳米技术和分子设计是突破当前临床瓶颈的关键。
（4）治疗效率与生物毒性需要平衡。为应对这一问题，目前主要采用两种策略：优化递送系统。通过将 Cy7 包封在脂质体或金纳米颗粒中以提高稳定性和靶向性，同时降低对正常组织和细胞的毒性。利用联合治疗策略。例如，Cy7 可以在近红外光照下同时产生活性氧 (ROS) 和热量。通过优化单态氧 (1O2) 量子产率，可在增强疗效的同时减少所需剂量，从而降低毒性。
（5）目前对体内代谢机制和毒性的系统性评估仍然缺乏。目前研究中仍存在关键空白：代谢物毒性评估不足。体内复杂的代谢网络可能导致生成更具毒性的二次代谢产物，但大多数研究仅关注急性毒性评估，缺乏长期暴露下动态代谢物积累的系统追踪；代谢途径异质性。结构差异较大的染料在代谢清除率上存在显著差异。(3) 模型局限性。目前的评估主要依赖斑马鱼或小鼠的短期暴露实验，无法模拟慢性低剂量人类暴露下的代谢积累效应。
参考文献
Modifications and applications of heptamethine cyanine (Cy7) dyes as near-infrared photosensitizers,Lei Long , Xiaohui Cao , Xiaorui Shi , Jiaping Zhang * , Chunmeng Shi*,Coord. Chem. Rev. 541 (2025) 216780,https://doi.org/10.1016/j.ccr.2025.216780
