内容提要
二次近红外(NIR-II)荧光生物成像具有穿透深度深、分辨率高、侵入性小、动态可视化好等优点，近年来在生物成像领域取得了很大的进展。为了实现高性能的NIR-II荧光生物成像，各种具有明亮NIR-II发射的材料和探针在过去几年中被广泛探索。在这些NIRII发射材料中，共轭聚合物和共轭小分子由于其天然的生物安全性和可调的光学性能而引起了广泛的关注。本文综述了NIR-II发射共轭材料的亮度策略，并重点介绍了NIR-II荧光生物成像的最新进展。简要，详细概述了分子设计和调控方法，提供了他们的高亮度，长波长，和优越的成像性能。然后，通过提供逐步的例子，介绍了使用明亮共轭材料作为NIR-II探针的各种典型案例。最后，简要讨论了目前获得NIR-II发光共轭材料用于NIR-II荧光生物成像的问题和挑战，并提出了这些材料的意义和未来前景，为NIR-II发光材料的发展提供有益的指导。
共轭材料的亮度策略
NIR-II发射共轭材料由给予电子的给体和通过共轭共价键偶联的吸电子的受体组成通过调节给、受体基团的组合，可以灵活调节带隙，实现更强的分子内电子转移(ICT)过程通过这一原理，可以获得波长更长的NIR-II发射共轭材料，从而获得更高的亮度和更好的成像性能。然而，在NIR-II窗口中，高ICT不仅会导致更强的吸收(高ε)，而且不可避免地会减弱发射(低QY)。因此，通过微调给体和受体的ICT来设计具有高亮度的NIR-II发射共轭材料具有挑战性。为了平衡ε和QY并减少非辐射衰变，详细提出了包括位阻、原子规划、AIE效应、j聚集体和蛋白质包装在内的策略。
空间位阻
受激共轭材料受水的冲击而产生的非辐射衰变所造成的能量损失是NIR-II发射共轭材料亮度低的主要原因为了解决这一问题，引入了几种具有烷基侧链的大体积给体，如3,4-乙氧基二氧噻吩(EDOT)和3,4-丙基二氧噻吩(PDOT) 95。这些特别设计的给体通过位阻效应导致共轭骨架的扭曲，从而阻止分子间和分子内的相互作用，增加QY。例如，Dai的团队报告了一种高亮度共轭材料IRE1 (QY = 0.7%，溶剂:H2O)，他们通过偶联强受体苯并双噻二唑(BBT)和两个大体积的EDOT供体获得了IRE1;该材料获得的荧光亮度比IR-T1 (QY = 0.06%，溶剂:H2O)高10倍，没有大量的供体。然而，共轭骨架的畸变通常会削弱ICT效应，导致ε的降低。为了解决这个问题，使用PDOT可以改善这个问题。Ma等人使用给体PDOTs替代EDOTs，对骨干扭曲的影响较弱，保持ICT效果。随后，报道了屏蔽单元提高NIR-II发射共轭材料亮度的能力。96−99 Dai团队采用两个9,9 ' -二烷基取代芴分子作为屏蔽单元，设计了基于共轭骨架的IR-FEP材料。屏蔽单元通过保护激发中心免受水分子的影响，有助于提高NIR-II发射共轭材料的亮度。另一方面，在共轭骨架中引入长侧链也会限制分子间的相互作用例如，戴的小组通过调整供体单元上的侧链开发了一系列NIR-II发射共轭材料由表可知，IR-FTAP(5.3%，溶剂:H2O)和IR-FTGP (QY = 1.4%，溶剂:H2O)的QY分别是IR-FTTP (QY = 0.1%，溶剂:H2O)的53倍和14倍。此外，Zhu等人证明，由于刚性侧链难以形成聚集体，具有刚性侧链的共轭材料比具有柔性侧链的共轭材料更亮侧链工程对共轭聚合物也有很好的效果例如，Yin等人设计了三种具有相同主链和不同烷基侧链的共轭聚合物:在NIR-II窗口中，P3 (QY = 0.5%，溶剂:四氢呋喃(THF))具有庞大的支链烷基链，其亮度比P1 (QY = 0.3%，溶剂:THF)和P2 (QY = 0.3%，溶剂:THF)高1.6倍然而，过多的侧链也会引起共轭骨架的显著畸变，从而导致吸收系数的降低。增强荧光亮度的空间位阻策略示例的化学结构:IR-T1、IR-E1、IR-BBEP、IR-FEP、IR-FTTP、IR-FTAP、IR-FTGP、P1、P2和P3。在位阻工程期间审查平衡，以最大限度地增强共轭骨架的亮度，提高NIR-II窗口的成像质量。
原子的编程
原子编程是开发NIR-II发射共轭材料的另一种常见策略。硫族重原子的引入可以减小带隙，利用重原子效应实现吸收和发射的红移虽然这种策略可以将共轭材料的发射红移到NIR-II窗口，但由于系统间交叉(ISC)衰减的增加，QY降低了例如，我们小组成功开发了硒(Se)替代材料IDSe-IC和硫(S)替代产物IDS-IC，在水溶液中，IDSe-IC的QY分别为4.3%和1.7%(图3)。这一策略也在Zhou等人的研究中得到了证实。他们开发了Se-取代TPAT-BSeNT和s -取代TPAT-BNT, QYs分别为12.7%(溶剂:正己烷)和35.9%(溶剂:正己烷)。此外，另一种策略是在共轭材料中引入氟原子，以减少激发态和基态之间的结构畸变，从而增强荧光亮度。Liu等人开发了一系列不同氟原子取代数的共轭材料。随着氟原子数量的增加，QY显著增加。四氟化mPBTQ4F纳米颗粒(NPs)在水溶液中的QY高达3.2%，是不含氟的m-PBTQ的3倍。许多研究已经利用原子编程技术实现了高亮度的NIR-II发射共轭材料。这些研究结果有力地表明，合理的原子规划是设计高亮度共轭材料的有效策略。
聚集诱导发光
AIE现象是由Tang等人于2001年首次描述的一种反常识现象。108大多数传统的NIR-II发射共轭材料在聚集状态下通过分子间π−π堆叠发生聚集引起的猝灭(ACQ)现象，导致非辐射衰减增加和严重的荧光猝灭一般来说，具有AIE特性的共轭材料即使在非常高的浓度下，在良好的溶剂中也不发出荧光或发出弱荧光。然而，这些共轭材料可以在很低浓度的劣质溶剂中发出明亮的荧光，这是由于聚集状态下分子内旋转受到限制所致该策略被广泛应用于NIR-II荧光生物成像高亮度共轭材料的设计。AIE主要有两种策略:(1)引入扭转转子单元;(2)调整供体上取代侧链的位置。例如，Liang等人通过引入四苯基乙烯(TPE)和三苯基胺(TPA)单元，开发了一系列具有AIE特性的NIR-II发射共轭材料结果表明，具有AIE特性的共轭材料DFTQ-DTPE (QY = 0.083%，溶剂:H2O)和DFTQ-DTPA (QY = 0.064%，溶剂:H2O)比不具有AIE特性的共轭材料DFTQ-DTP (QY = 0.025%，溶剂:H2O)具有更高的QY。基于这些结果，Tang的团队优化了分子结构，发现用TPE单元代替TPA单元可以导致更高的QY。112这是因为TPE的旋转在聚集状态下可以受到强烈的限制，从而减少了非辐射衰变，增加了QY。2020年，Tang的团队提出了另一种设计策略，通过调整侧链对供体的替代位置来实现AIE效应。113 2TT-oC6B是一种具有正取代烷基链的高性能NIR-II发射共轭材料，在水溶液中的QY为8.4%。而其异构体2TT-mC6B在水溶液中表现出猝灭荧光(QY = 1.2%)。
J-聚集体
J聚集体是一种高度有序的聚集体，由荧光分子头尾叠加产生，导致吸收和发射红移，增加ε，减少分子间相互作用，从而产生强荧光强度一般来说，j -聚集体的分子设计主要集中在特定的支架上，包括BODIPY衍生物、菁氨酸分子、方卡因、卟啉衍生物、二酮吡咯和苯并[c]噻吩(BT)。最近，通过使用j聚集体策略，我们的团队设计了一种明亮的D−a共轭材料，命名为BT6。116BT6在THF下具有很高的ICT效率(93.6%)和326 nm的大Stokes位移。当弱溶剂H2O从0%增加到99%时，BT6的吸收峰从627 nm红移至653nm，并在700nm区域出现吸收肩。更重要的是，在808 nm照射下，水溶液中BT6 NPs的QY(0.97%)比其分子态增加了41倍，NIR-II荧光峰从953 nm变为1054 nm。由于j聚集体和AIE效应，BT6 NPs的荧光亮度提高了26倍(图5c,d)。Zhang的团队还设计了一种名为THPP的高亮度j聚集分子(图5e,f)j聚集体得到了广泛的研究，并产生了许多优异的NIR-II发射共轭材料。因此，j聚集体将是未来提高NIR-II发光共轭材料亮度的重要策略。
蛋白质包装
将共轭材料封装到蛋白质的疏水口袋中形成复合物是开发具有明亮NIR-II发射的共轭材料的另一种有效方法。将这些材料装入蛋白质中可以通过限制分子内旋转来增加它们在疏水口袋中的亮度在此机制的启发下，Li等人设计了一种阴离子型NIR-II发射共轭材料CQ-4T，并将其包被在人血清白蛋白(HSA)中得到复合物CQL，在相同OD下，其荧光强度比CQ-4T在磷酸盐缓冲盐水(PBS)中的荧光强度高6倍以上。CQL的发射光谱显示其发射波长可达1400 nm以上，可用于NIR-IIb荧光生物成像更重要的是，用生物大分子包封共轭材料还可以提高其光稳定性、细胞摄取能力和生物安全性，这有利于NIR-II荧光生物成像等生物学功能的实现。
参考文献
Brightness Strategies toward NIR-IIE missive Conjugated Materials: Molecular Design,Aplication,and Future Prospects, XiliangLi, HuanChen, ZihanSu,Q iZhao,* YuWang, NingLi, andShengliangLi*， ACS Appl. Bio Mater.， https://doi.org/10.1021/acsabm.4c00137
