短波红外( SWIR , 1000 ~ 2500 nm)区域的荧光成像由于增强的组织穿透性、低光吸收和减少的散射，在高分辨率活体成像方面具有显著的潜力。传统染料大多数在近红外区域表现出吸收最大值，只有有限数量的花菁和氧杂蒽染料在SWIR窗口内同时具有吸收和发射波长。而J -聚集是一种经典的分子聚集模式，其特征是分子在激发态下的“头-尾”相互作用和滑动聚集，为解决SWIR成像的挑战提供了一种有前途的策略。
NTR 荧光探针的设计与性质
我们选择了我们之前开发的1，4 -二乙烯基苯桥联的BODIPY二聚体( BVB-BDP )骨架，与乙烯桥联的BODIPY二聚体相比，BVB - BDP具有相对较弱的ICT特性。该骨架作为设计所需BODIPY二聚体的基础，16被命名为BVB - BDPagg1 - 8。在这些化合物中，我们在BODIPY母核的meso位和5，50位分别引入了吸电子基团( - CF3和- COOMe)和供电子基团(对甲氧基苯基、对甲氧基苯乙烯基、对二甲氨基苯基和对二甲氨基苯乙烯基)。该变质旨在调节单体的ICT效应，并在聚集状态下调节分子间的D - A偶联。 此外，1，4 -二乙烯基苯基团在BODIPY核的3，30位形成的桥在苯环上带有两个辛基。与我们之前报道的具有聚醚链的BVB - BPD染料不同，辛基的引入使得BODIPY染料同时具有极性D - A结构和非极性特征。因此，烷基链的引入不仅有利于分子的择优聚集，而且抑制了聚集体内部的分子间相互作用。
聚集态下的光物理性质
所有化合物在大多数溶剂中均保持单体状态，在乙腈、乙醇和甲醇中则有聚集的趋势。BVB-BDPagg1 和 BVB-BDPagg5 在这些不良溶剂中形成了 J 聚集体，而BVB-BDPagg4 在这些不良溶剂中形成了 H 聚集体，表现出约在 628 纳米处的宽吸收带。BVB-BDPagg2–3 和 BVB-BDPagg6–8 形成了 J-/H 杂化聚集体，在光谱中可见相应的 J 和 H 吸收带。在四氢呋喃（THF）-甲醇或THF-乙腈二元溶剂中，随着甲醇或乙腈 (fM 或 fA) 在 THF 中的比例增加，两个单体吸收带逐渐减弱，而 BVB-BDPagg1 和 BVB-BDPagg5 的 J 带则增强。 BVB-BDPagg2–3 和 BVB-BDPagg6–8 同时表现出 J 带和 H 带，表明 J 聚集体和 H 聚集体共存。BVB-BDPagg5 的 J 型聚集物表现出极高的发射性。增加不良溶剂的比例会导致这些化合物的单体发射带减弱。当溶剂分数高达 90% 时，J 聚集体在 1100 纳米（针对 BVB-BDPagg1）和 1200 纳米（针对 BVB-BDPagg5）处的 J 发射带显著增强，表明形成了长程有序的 J 聚集体，并导致了聚集诱导发光增强。与 J 聚集体高效的荧光相比，由 BVB-BDPagg4 形成的 H 聚集体导致了显著的聚集诱导荧光猝灭。
BVB-BDPagg1 更容易聚集。使用原子力显微镜表征了聚集体的形态，以探究其结构细节。BVB-BDPagg1聚集体的尺寸为长 269 ± 57 纳米、宽 240 ± 51 纳米、高 6.2 ± 1.9 纳米，而 BVB-BDPagg5 聚集体的尺寸为长 242 ± 34 纳米、宽 230 ± 47 纳米、高 8 ± 2.7 纳米。在相同条件下，BVB-BDPagg4 在甲醇溶液中自组装成块状聚集体，其尺寸相似（长 247 ± 71 纳米、宽 173 ± 32 纳米、高 9.0 ± 1.6 纳米）。它们的块状形态可能是由于长程有序堆积结构所致。结果表明，BVB-BDPagg1、BVB-BDPagg5和BVB-BDPagg4倾向于形成高度有序的堆积结构。
体外成像能力和体内短波红外成像
我们使用从 1000 到 1300 纳米的逐级红移长通滤光片，对这些 J 聚集体的成像能力进行了比较研究。使用 1000 纳米和 1100 纳米滤光片时，除 IR1061 外，所有测试样本均显示出强烈的信号。尽管 BVB-BDPagg1 和 BVB-BDPagg5 J 聚集体在 808 纳米处的吸收不是其吸收最大值，但其成像定量强度甚至略高于 NJ1060、IR1061 和 ICG，表明它们具有高度的荧光特性。随着长通滤光片波长的增加，BVB-BDPagg5 J 聚集体的成像强度保持相对不变，而其他样本的强度则显著降低。这反映了 BVB-BDPagg5 J 聚集体在 1200 纳米荧光发射的亮度成像优势。在相同条件下激发波长对成像性能的影响。随着激发波长从 808 纳米增加到 980 纳米，BVB-BDPagg1 和 BVB-BDPagg5 J 聚集体的成像性能优于其他测试样品。在进行体内短波红外成像之前，我们首先检测了 BVB-BDPagg1 NPs 和 BVB-BDPagg5 NPs 的体外荧光穿透深度。BVB-BDPagg1 NPs 在鸡胸肉组织中的穿透深度达到 6 毫米，而 BVB-BDPagg5 NPs 的穿透深度可达 10 毫米，这表明它们具有较高的成像深度。其次，BVB-BDPagg1 NPs 在正常细胞和癌细胞中均表现出极低的毒性。健康小鼠注射 BVB-BDPagg1 NPs 后的肝功能分析和血液检测也未显示明显异常。这些结果进一步证明了这些纳米颗粒在体内成像应用中的生物安全性。结果表明， BVB-BDPagg1 纳米颗粒和 BVB-BDPagg5 纳米颗粒在基于激发的多重成像方面具有显著潜力。BVB-BDPagg5 纳米颗粒主要通过肾脏和肠道代谢。重要的是，三色复合图像全面展示了三种纳米颗粒的生物分布差异，突显了其在体内光声成像中的高分辨率能力。并且在激光照射下经过六次加热和冷却循环后，纳米颗粒的性能几乎没有下降，这表明其具有出色的热稳定性和光稳定性。结果表明 BVB-BDPagg1 NPs 具有良好的肿瘤靶向性和成像性能。
结论
我们报道了一种通过之字形分子设计来调节 J 聚集体在短波红外区吸收和发射性能的稳健策略。合成了一系列 1，4-双乙烯基苯桥接的之字形 BODIPY 二聚体，这些二聚体配备了可调的给电子和吸电子基团以及烷基链，从而能够精确控制 J 聚集、H 聚集以及 J/H 混合聚集模式。值得注意的是，所得到的 J 聚集体表现出令人鼓舞的短波红外吸收和发射性能。我们通过选择不同的聚集体实现了多色成像，展示了这些聚集体在体内成像方面的卓越能力。而且，我们还揭示了 J 聚集体纳米粒子在光声成像引导的光热治疗中的巨大潜力。
参考文献
Shortwave infrared absorbing and fluorescent BODIPY J-aggregates for high-contrast in vivo imaging ,Zhiyong Jiang, Xiangjun Ma,Kaixuan Song, Tianzhu Wang, Mengxi Dong, Hang Liu, Hu Gao, Xiaoqing Wang,*aJing Zhao,* Zhipeng Liu*, Chem Sci., https:// DOI: 10.1039/d5sc03864b
