内容提要
J聚集为分子染料带来了有趣的光学和电子特性，并显著扩展了其在不同领域的适用性，但合理设计J-聚集染料的挑战仍然存在。在此，我们通过逐步精炼常见的七甲基菁的结构，从零开始开发了大量的聚氰染料。通过在染料的中间位置引入具有苄基和三氟乙酰基的支化结构，可以获得具有锐利光谱带(半宽- 38 nm)的J-聚集体。对苄基的微调使j聚集体的光谱调节成为可能。通过对9种染料单晶数据的分析，揭示了J聚集倾向与晶体内分子排列的相关性。一些J聚集体已成功地应用于动物的多路光声和荧光成像。值得注意的是，由于J聚集体的吸收波段清晰，实现了高时空分辨率的三色多光谱光声层析成像。
结果与讨论
本研究通过逐步修饰一个菁氨酸的结构合成了29个花菁我们对J聚集的研究从化合物1开始，它是一个七甲基吲哚菁，在聚甲基桥的环己烯上有一个中氯。1的结构修饰涉及几个关键步骤，即在中心位置用环戊烯取代环己烯部分，在两端用联苯吲哚取代吲哚，将吲哚氮取代基由乙基改为甲基和丙基，并逐步修饰中间取代基。我们寻求在NIR-II区获得结构良好的J-聚集体，从而开发了CYJ1007(由9组成)。这一突破是通过引入一个由苄基和三氟乙酰基组成的支链中介取代基实现的。进一步微调苄基部分可以调节焦聚集体的光学性质。最终，我们得到了16种J-聚集染料，其中10种(9、17、19-25和28)可以形成良好的聚集，其光谱几乎没有单体的迹象，1种(5)可以形成H-聚集，2种(4和6)似乎同时表现出H-和J-聚集的光谱特性。
将特定J-聚集染料的DMSO溶液加入2-(4-(2 -羟乙基)哌嗪-1-基)乙磺酸(HEPES)缓冲液中，离心纯化，制备大量J-聚集物。所产生的j聚集体被重新分散在HEPES缓冲液中用于光学研究。以化合物9为例，比较了单体和Jaggregate的光学性质。如图所示，化合物9(单体)的吸收带相对较宽，最大吸收带在878 nm处，而其Jaggregate (CYJ1007)的吸收带在1007 nm处明显红移且吸收带强烈，荧光带几乎重合。此外，CYJ1007显示出强烈的廷德尔效应，这是粒子形成的标志。在TEM上观察到颗粒呈球形。如图所示，J-聚集体的荧光寿命明显短于单体，这为J-聚集体的形成提供了额外的证据。此外，圆二色性(CD)光谱显示，单体在600 ~ 1200 nm范围内不表现出CD信号，而jj1007聚集体在CYJ1007的最大吸收点(1007 nm)处表现出强烈、尖锐的负峰CD信号，这可能是由于J-聚集体的手性排列、激子耦合和或远程有序所致。化合物9的DMSO溶液加入HEPES后，吸光度在10分钟内突然增加，证明了聚集体的形成相当快。化合物9在HEPES溶液中也表现出较低的临界聚集浓度，在30 nM至50 nM之间。从图可以看出，将化合物9的DMSO溶液加入到含有10%胎牛血清(FBS)的Dulbecco 's modified eagle培养基中，仍能形成J-聚集体，说明化合物9在生物体液中具有较强的J-聚集倾向。有趣的是，一些单体的吸收光谱几乎相互重叠，而它们的j聚集体的吸收光谱则各不相同，范围从1007 nm到1059 nm。J-聚集体在生理pH值中也表现出良好的pH稳定性，比单体具有更好的光稳定性，在37°C下100% FBS中具有良好的稳定性。为了使这些J-聚集体在水介质中具有更大的稳定性，这对于体内光学成像至关重要，我们将J-聚集体封装在Pluronic F127胶束中。值得注意的是，这种封装只会引起它们吸收光谱的微小变化(图S40c)，而极大地提高了它们的稳定性。据我们所知，HEPES中封装的Jaggregates具有比商业和报道的NIR-II分子染料和水介质中的Jaggregates更窄的光谱带。
我们利用CYJ1059@F127进行NIR-II MSOT成像。选择小鼠上腹部的特定横截面来观察静脉注射后Jaggregates的分布。注射后不久，在主动脉和肝脏中检测到CYJ1059@F127，随着时间的推移，肝脏内的积累逐渐增加，如图S58d所示。这一观察结果与荧光成像基本一致。通过对单色NIR-II荧光成像和MSOT成像的比较分析，显然前者可以产生惊人的高分辨率图像，而后者则擅长于可视化位于小鼠体内深处的探针。显然，双模NIR-II成像提供了有价值的平均磅1，用转运蛋白β-LG处理后形成用于肾脏靶向的1@β-LG[17])。三种样品在pH 7.4 HEPES溶液中的吸收光谱和光声光谱如图所示。对于三色荧光成像，j聚集体的窄吸收峰是一个优势，而短stock位移则不是。为了减少三色荧光成像中的信号串扰，将三个样品封闭在管中，分别在808、980和1064 nm处激发，分别通过900、1100和1200 nm的长通滤光片采集荧光信号。在特定波长下激发一个样品只会引起其他样品的荧光发射很低甚至可以忽略不计。此外，这三种样品在900、1100和1200 nm处仍然有相当大的尾发射，这使得我们可以在后续实验中捕获荧光信号，从而获得更高的荧光成像分辨率。采用俯卧位和仰卧位对小鼠进行三色荧光成像。前者在小鼠后肢掌部注射CYJ981@F127, 12 min静脉注射1@β-LG, 15 min静脉注射CYJ1059@F127。不同激发波长下的荧光图像和不同时间点的合并后的荧光图像如图所示。正如预期的那样，CYJ981@F127表现出从爪子通过淋巴管向淋巴结的迁移。相比之下，1@β-LG被发现只在肾脏中积累，而CYJ1059@F127在整个血液中表现出全身分布。值得注意的是，通过三色荧光成像，这三个不同的过程都被清楚地识别出来。这是由于j聚集使染料单体的光谱带变得锐利。
对于仰卧位小鼠，通过灌胃管给药CYJ981@F127至小鼠胃底，其余两组通过静脉注射给药。在不同波长下进行成像，以显示膀胱(肾脏代谢后)、肠道CYJ981@F127和肝脏CYJ1059@F127中的1@β-LG。同样，不同器官内的三种染料也被清晰地观察到。
三色多光谱光声层析成像(MSOT)是通过将三种染料注入小鼠体内，并在一次运行中以多个(13)波长照射每个样品，然后进行超声检测、重建和光谱分解我们进行三色MSOT成像，以阐明三种染料在给药后的生物分布，成像过程的时间表如图所示。个人鼠标轻轻麻醉和小心翼翼的成像室MSOT成像是跨越了从6分钟到62分钟,在0分钟和10分钟,CYJ981@F127和1 @βlg分别通过尾静脉注射到老鼠,当CYJ1059@F127交付到鼠标的底部使用填喂法胃管在20分钟。一堆横断面(2 d) MSOT图像扫描获得的特定部分的腹部鼠标,这些横截面图像可以单独检查或渲染成3D表示(最大强度投影，MIP)。图中为小鼠冷冻切片图像，其横切面位置与图对应。通过记录每种染料的信号，可以监测三种染料的生物分布，如单通道和合成图像所示。非常明显，1@β-LG选择性地聚集在两个肾脏内，而CYJ981@F127和CYJ1059@F127分别位于肝脏和肠道内。两个感兴趣区域的三色MSOT成像进一步证实了这一观察结果。此外，3D MSOT图像提供了有关三种染料分布的空间信息，使我们能够更精确地确定染料的生物分布。离体三色成像为三色MSOT成像提供了额外的证据。
总结
在这项研究中，我们揭示了一种很有前途的解决方案，通过在七甲基菁的中间位置引入含有三氟乙酰基单元和苯基单元的大体积分支结构，来确保j聚集体在NIR-II区域的吸收带。通过对n -苄基部分的轻微修饰，获得了一系列具有不同光谱性质的J-聚集体。我们成功地培养了9个单晶，并对这些晶体学数据进行了比较分析，结果表明，当染料的单晶结构表现出与j聚集相一致的特征时，它可能具有形成j聚集的内在倾向。此外，具有红移和窄化吸收/发射光谱以及增强消光系数等优越光谱特性的J-聚群体的可用性使我们能够构建用于复用三色NIR-II荧光和MSOT成像的最佳染料组合，在无串扰的成像中实现卓越的时空精度。本研究为生成具有所需光谱特性的j聚集体提供了一种有效而直接的方法。
参考文献
Structurally Modulated Formation of Cyanine J-Aggregates with Sharp and Tunable Spectra for Multiplexed Optoacoustic and Fluorescence Bioimaging Chaobang Zhang+ , Yinglong Wu+ , Fang Zeng,* Yubei Wen, Jiawei Chen, Gaowei Deng, Liangliang Zhang, Shulin Zhao,* Shuizhu Wu,* and Yanli Zhao*,Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202406694 doi.org/10.1002/anie.202406694
