内容提要
本文报道了一种通过重硫族原子工程诱导构象多样化来开发 NIR-II 发色团 PSeD 的简洁策略。与准轴向构象体相比，准赤道构象体的发射峰显著红移至 NIR-II 区域，且 NIR-II 发射行为还源于重原子硒驱动的分子间相互作用所形成的长程有序 J - 聚集体。此外，硒原子的存在使 PSeD 具有高的光热转换效率，最终使其在 NIR-II 荧光成像引导的光疗中表现出前所未有的性能。
结果与讨论
PXD在有机溶液中的紫外吸收光谱在λ 580 nm处有较强的吸收，在λ 750 nm处有一个新的吸收峰，随着X原子序数的增加，吸收峰逐渐增强。该新出现的吸收峰不能由S 0-T1跃迁引起，PXD在外部重原子试剂中的紫外吸收评估排除了这一点在PXD的PL测量中也观察到类似的结果。POD仅在750 nm处显示一个发射峰，与激发波长无关，PSD和PSeD均呈现出中心位于1100 nm的新发射峰，其随着X原子序数的增加而逐渐升高，PXD在氮气环境中的PL光谱证明了发射峰不是由T1-S 0跃迁产生的磷光。
因此，我们推测PSeD独特的电子物理行为可能是由于ax和eq构象在基态共存而产生的，PSeD的变温紫外吸收光谱表明，随着温度的升高，PSeD在750 nm处的吸收率逐渐增加。似乎可以合理地推断这两个吸收带可能来自（ax→ax*）和（eq→eq*）跃迁，所有三种化合物都表现出具有许多分子间相互作用的扭曲分子构型。为了验证我们的推测，我们对PSeD进行了变温1H NMR谱测量，结果表明，温度的升高会导致ax构象转变为eq构象，由于p-共轭效应，PSeZ基团上H核的电子云密度降低��，噻吩环上的电子云密度增加，相应的氢质子信号分别向低场和高场移动。我们进一步研究了PXD在固态下的紫外吸收光谱，与溶液中的紫外吸收光谱相比，吸收峰变宽并出现明显的红移，这与J聚集体形成的结果一致。此外，PXD在具有不同水分数的THF/水体系中的PL光谱表明了典型的聚集诱导发射（AIE）特征。随着水含量的增加，在1000 nm处测定到PSeD的新发射峰并逐渐增加，这可能归因于ax构象单体的J-聚集。而1100 nm处发射峰的增强则是由于eq构象单体的限制性分子内旋转引起的，由于重原子效应和单键转子旋转引起的荧光强度降低，PSeD在808 nm激光照射下可能具有光热转换特性POD和PSD溶液的温度保持可忽略的变化，在808 nm波长下的摩尔吸光系数几乎为零。同时，在5分钟激光照射下，PSeD溶液的温度在53.8 °C达到平台。PSeD溶液在不同溶液浓度和功率密度下表现出良好的线性，证明了光疗的良好光可控性。
发现PXZ中的硫属元素原子不直接参与吸收/发射跃迁过程，说明硫属元素原子的引入对单重吸收过程没有影响，但与POD和PSD不同，PSeD具有明显的双峰吸收，因此我们进一步分析了PSeD eq构象的垂直跃迁过程，与PSeD的ax构象相比，N原子上的p电子仅在eq构象中参与吸收/发射跃迁过程，表明构象变化是双吸收的关键原因.分子构象可视化结果表明，尽管ex构象的PSeZ片段与相邻噻吩呈现几乎正交的几何构型，其中N原子的p轨道与苯并噻二唑-噻吩的电子体呈平行分布，反映出ex构象的PSeD分子中的N原子能很好地参与共轭和激发过程.通过对优化的ax和eq构象的共轭碎片键长的连续测量��，我们发现eq构象的键长不仅小于，而且小于键平方的长度，PSeD-eq的N─C键长明显小于PSeD-ax的N─ C键长，这是因为N原子的p轨道和孤电子对参与共轭，减弱了共轭片段中单键和双键交替的趋势，从而降低了带隙。
与吸收不同，PSeD只在1050 nm处显示出单一的发射峰。我们推测这是因为PSeD在激发态（PSeD*）更容易跳过能垒而落入eq构象。通过优化PSeD* 的几何构型，我们发现由于Se原子的半径较大，PSeD* 中PSeZ片段的二面角（θ 130°）小于POD* 中POZ片段的二面角（180°）和PSD PSeD* 中PSZ片段的二面角（149°）。同时，PSeD* 处于高能不稳定状态。
因此，PSeD*-ax更有可能跳过能垒并落入PSeD*-eq。此外，Se元素与BBTD之间存在明显的范德华货车相互作用，源于Se相互作用。分析PSeD分子的表面静电势揭示了负电中心聚集在Se元素周围，而正电中心主要分布在BBTD骨架中，较大的静电相互作用也有利于PSeD有序组装形成ax J-聚集体。
为了验证我们的假设，我们使用不同的泵浦波长进行了PSeD的飞秒瞬态吸收（fs-TA），每个波长选择性地激发ax或eq构象。fs-TA光谱表现出显着差异，表明不同的激发态动力学。在800 nm激发时，通过与稳态吸收和PL光谱的比较，fs-TA光谱揭示了中心在700 nm处的基态漂白（GSB）带和在1000 nm处的受激发射（SE）带。另外，在530、840和1200 nm处观察到三个激发态吸收带，在1000 nm处的代表性动力学曲线的上升时间为1.6 ps，衰减时间为15.8 ps，上升分量可能归因于构象或振动弛豫，而衰减与NIR-II发射相关。
此外，用随后的动力学模型进行的全局分析产生与演化相关的衰变谱（埃兹）。PSeD显示出寿命分别为1.2、23和103 ps的三个EADS。第一个埃兹代表PSeD（eq）的光学允许的S1态的布居，其在1.2 ps内演变成第二个埃兹，EADS分子在23 ps内发生了明显的蓝移，其特征是SE和GSB的降低，这是由于NIR-II发射的发射物种减少所致。第三个埃兹分子的寿命为103 ps，包括600 nm的GSB和1200 nm的ESA，表明非发射物质的衰减。
在620 nm激发下，fs-TA图清楚地显示了ESA 1050和480 nm的衰减全局分析在800、9.1和740 ps的寿命内产生了三个埃兹在800 fs内发生的向第二个埃兹的演变的标志是在750 nm处出现ESA带以及在1050和460 nm处ESA带的同时减小，值得注意的是，该第二埃兹形成了新的激发物质，如通过与在800 nm激发时观察到的第二埃兹相似的光谱形状所证明的。用中心波长为980 nm的新出现的ESA取代SE区，进一步表明了其它激发态物质的存在。因此，可以合理地认为，第一个埃兹由PSeD的光学允许的S1态（ax）和PSeD的S1态（eq）组成。800 fs可能对应于从轴向（ax）到赤道的构象变化（第二个埃兹在9.1 ps内演化为第三个埃兹，其表现出类似的光谱形状，但在1100 nm处出现弱SE，表明PSeD（eq）的S1态内的振动弛豫。第三个埃兹在740 ps内衰变，反映了具有非辐射和辐射特征的混合物质的衰变。
在800 nm激发下，PSeD主要被提升到PSeD（eq）的S1态的高振动能级，随后在1.2 ps内振动弛豫到PSeD（eq）的S1态的最低振动能级。在620 nm激发下，PSeD主要被提升到PSeD（ax）的S1态的高振动能级，其中一小部分占据PSeD（eq）的S1态。随后在800 fs内从PSeD（ax）跃迁到PSeD（eq），在9.1ps内，PSeD（eq）的S1态发生振动弛豫，使S1态的振动能级达到最低，最后在740 ps内衰变到基态。PSeD在荧光发射和光热转换方面的前所未有的特性使其受到鼓舞，进一步探索了其生物应用。通过与DSPE-mPEG 2000组装，制备了具有良好分散性和稳定性的POD、PSD和PSeD纳米粒，ASeD NP还表现出由808 nm激光激发的NIR-II发射和良好的光热性质CCK 8测定和活/死细胞染色的结果证实了PSeD NP对乳腺癌细胞（4 T1）的光热杀伤作用，在激光照射下，在100 μm的浓度下具有超过80%的细胞杀伤效果，然而，POD和PSD NP组显示出最小的细胞毒性，在激光照射下，在相同浓度下具有小于20%的细胞杀伤效果。
我们研究了PSeD NPs在皮下4T1荷瘤小鼠中的肿瘤蓄积和体内光热效应，在尾静脉注射后24 h，在肿瘤部位观察到最亮的NIR-II荧光，表明PSeD NPs具有良好的肿瘤蓄积。令人兴奋的是，在808 nm照射下在肿瘤部位实现了快速加热效应，在注射后24小时在5分钟内达到50 ℃，揭示了PSeD NP的优异的体内光热性质。然后，根据预设的治疗计划，在4T1乳腺肿瘤荷瘤小鼠中监测PSeD NP的体内抗肿瘤效果，在用PSeD NP加激光处理的小鼠中肿瘤生长被显著抑制，实现60%的治愈率。相比之下，与对照组相比，单独用PSeD NP或激光治疗的小鼠没有显示出明显的治疗效果。血小板内皮细胞粘附分子-1（CD31）和增殖标志物（Ki67）的高表达水平和免疫荧光染色结果表明，PSeD NP可以引起最有效的细胞凋亡，在激光照射下，PSeD纳米粒具有增殖抑制和血管生成抑制作用，从而实现有效的肿瘤抑制。此外，我们研究了PSeD纳米粒在体外和体内的生物安全性，即使在高浓度（200 μ m）下也是如此。与对照组相比，没有观察到体重减轻。治疗15天后，血液生化分析显示，所有组的肝肾功能指标，包括碱性磷酸酶（ALP）、丙氨酸氨基转移酶（ALT）、天冬氨酸氨基转移酶（AST）、白蛋白（ALB）、肌酐（CREA）和尿素氮（BUN）均在正常范围内。此外，用PSeD纳米颗粒（NP）加激光处理的小鼠中的主要器官（包括心脏、肝脏、脾脏、肺和肾脏）的苏木精和伊红（HE）染色显示正常的细胞形态和分布，与其它组相似，这些结果充分证实了PSeD NPs优异的生物安全性。为了研究PSeD NPs的临床应用潜力，我们将PSeD NP和阿霉素包封在温度敏感性凝胶中，在25 - 30 ℃之间发生相变，以构建可注射水凝胶（称为PSeD NP/DOX凝胶），用于使用膀胱灌注策略的原位膀胱癌的联合治疗，膀胱癌的常见临床治疗模型，该温度敏感性凝胶在低于25 ° C时保持液体，但在高于30 ° C时形成水凝胶，CCK-8测定的结果表明，联合化疗与光热疗法（PTT）使用PSeD NP作为光热剂有效地增强了小鼠膀胱癌细胞（MB 49）中的细胞杀伤作用。此外，使用钙黄绿素乙酰氧基甲酯的活/死染色来研究联合治疗效果分别以钙黄绿素-AM（calcein-AM）和碘化丙啶（propidium iodide，PI）作为活细胞和死细胞的探针，在PSeD NPs/DOX凝胶加激光处理组中观察到PI的最强红色荧光，表明更好的癌细胞杀伤，与CCK 8结果一致。PSeD NPs/DOX凝胶可延长在膀胱腔内的滞留时间。受益于PSeD NP/DOX凝胶的有效保留和出色的光热性能，在808 nm激光的帮助下可以实现快速升温令人惊讶的是，由于凝胶的保护作用，照射区域的温度随着浓度的增加仅增加到50 ° C。如肿瘤抑制实验所证实的，这有效地防止了由过热引起的膀胱损伤，同时保持了良好的抗癌活性。在各种治疗12天后，来自luc-MB 49细胞的最弱荧光信号、最小肿瘤和最轻膀胱重量，PSeD NPs/DOX凝胶加激光治疗组中，，DAE，Ki67和CD31染色表明PSeD NP/DOX凝胶加激光可引起最有效的肿瘤坏死、细胞凋亡，PSeD NPs/DOX凝胶的生物安全性也进行了系统的研究。治疗12天后，血液生化指标和主要器官的细胞形态这些结果充分证实了基于PSeD NPs/DOX凝胶的PTT能够有效增强化疗药物的治疗效果，具有较高的生物安全性，可能为肿瘤治疗提供安全有效的治疗策略。
总结
我们报道了一种独特的重原子工程策略来构建NIR-II发光分子。通过调节重硫族元素原子的掺入，这种方法能够形成多种分子构象并促进J聚集，实现长发射波长，峰值在1100 nm。与传统的NIR-II设计策略相比，我们的方法具有以下优点：易于合成，发射稳定，具有很强的环境耐受性。值得注意的是，重原子的整合不仅增强了NIR-II荧光，还赋予了高效的光热转换能力，从而成功实现了NIRII荧光成像（FLI）引导的光疗。这些结果强调了所开发系统的双重功能及其在生物医学应用中的巨大潜力。展望未来，这一工作为开发高性能的近红外-Ⅱ生色团提供了可靠和通用的设计指导，未来的研究可能会探索这一策略在其他杂原子体系中的应用，研究不同刺激下的动态构象行为，并将所得生色团整合到多功能纳米平台中，用于生物医学、传感和光电子学的各种应用。
参考文献
Heavy Atom Engineering-Mediated Conformational Diversification to Construct Aggregation-Induced NIR-II Emission Luminogens for Cancer Phototheranostics,Zixuan Xu, Yuxun Ding, Mingxuan Jia, Yiting Gao, Yiqi Zhu, Caifa You, Zongyao Wu, Jiangtao Liu, Yinzhen Pan, Dingyuan Yan, Jun Zhu, Wenbo Hu,* Dong Wang,* and Ben Zhong Tang*,Small 2025, 2502354,
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202502354
