行业文献

内容提要

   同时加速辐射和受限非辐射衰变对于在近红外第二波长窗(NIR-II)构建高发光效率的荧光团具有重要意义。本文提出了π-扩展和氘化的双重策略，有效地改善了这一棘手问题。通过扩展芳香族基团的π共轭作用，并在AIEgen中引入同位素效应，实现了增强的振子强度，抑制了激发态的形变和高频振荡。在这种情况下，可以同时实现更快的辐射衰减和受限的非辐射衰减。AIEgen在分子状态下的优异发射特性可以被聚集体很好地保持。相应的NIR-II发射aiegen纳米颗粒同时具有高亮度，大Stokes位移和优越的光稳定性，可用于图像引导的癌症和前哨淋巴结(SLN)手术。本研究为提高NIR-II荧光团在生物医学领域的发光效率提供了一个新的方法。

实验结果与讨论

设计与合成

   采用π共轭大、吸电子能力强的萘二亚胺-2-(1,3-二巯基-2-酰基)乙腈(NDA)片段作为受体。以TPE为供体和转子，与NDA直接耦合构建NDA-TPE，由于NDA-TPE在固体状态下的活跃分子运动具有较强的非辐射衰减，已被证明是一种良好的光热材料。虽然非辐射衰变有助于产生优越的光热材料，但具有平衡光热效应和荧光性能的多功能系统在高级治疗应用或精确治疗方面表现出更多优势，这需要对辐射衰变和非辐射衰变进行微调。为了增强辐射衰减，在D和A之间插入一个苯环，扩展π共轭，建立了化合物NDA-PTPE。为了进一步抑制高频C−H振荡引起的非辐射衰变，将TPE中的部分氢替换为氘来构建NDA-PDTPE。

光物理性质

   所有化合物在450 ~ 800 nm的THF中都有很强的吸收，具有相似的高摩尔吸收系数。NDA-TPE、NDA-PTPE和NDA-PDTPE的光致发光(PL)强度逐渐增大。以ICG (QY = 13%在DMSO中)为参考测量它们的量子产率(QYs)。与NDA-TPE相比，NDA-PTPE的QY有明显改善。NDA-PDTPE的发光效率也有所提高，但并不显著。此外，从图的瞬态荧光光谱可以看出，NDA-TPE、NDA-PTPE和NDAPDTPE的平均荧光寿命分别为1.28、1.62和1.70 ns。由此可以得到K_r和K_nr的动力学参数。与NDA-TPE相比，NDA-PTPE的K_r值提高，knr值降低，显示其加速辐射衰减，抑制非辐射衰减。另一方面，NDA-PDTPE的氘化K_r与NDA-PTPE相似，但K_nr减小，说明氘化可能对辐射衰变影响不大，但会影响非辐射过程。通过收集DMF/H₂O混合物中的PL光谱来验证AIE特征。所有化合物在DMF中由于活跃的分子运动而弱发射，但在逐渐增加水分数形成的聚集体中高发射，表明它们具有典型的AIE性质。NDA-PDTPE的αAIE值(8.2)和NDA-PTPE的αAIE值(6.7)均高于NDA-TPE(2.3)。为了进一步证明AIE的性质，我们测量了2-甲基四氢呋喃中随温度变化的PL光谱。化合物在298 K时弱发射，而在77 K时强发射。当分子运动被冻结时，发射增强可归因于抑制非辐射衰变。该化合物在极性溶剂中荧光微弱，随极性降低而发光增强。这是由于极性溶剂中激发态的活跃分子内运动在低极性溶剂中会被抑制。它将分子构象的变化限制在极化形式，揭示了分子运动在发射行为中的重要作用。

理论计算

   为了深入了解机理，进行了密度泛函理论(DFT)计算。NDA-PTPE和NDA-PDTPE的D与A的二面角为43.7°，小于NDA-TPE的45.0°。平面分子共轭有利于电子的离域。由于具有强的吸电子性质，lumo在NDA上分布相似。他们的HOMO表现出不同的特征。NDA-TPE的HOMOs在TPE上受限，而NDAPTPE和NDA-PDTPE的HOMOs扩展较多。因此，NDA-PTPE和NDA-PDTPE较高的kr与扩展的HOMOs有一定的关系。为了揭示不同knr值的原因，我们计算了重组能(ΔE)，它反映了激发后的内在结构变化。NDA-PTPE的ΔE值为0.35 eV，小于NDA-TPE的0.37 eV，结构更加刚性。同时，测定了NDA-TPE和NDA-PTPE基态与激发态之间的均方根偏差(RMSD)，为观察分子基态与激发态之间的变形提供了一种直观的方法。NDA-PTPE的RMSD为0.41，远小于NDA-TPE的RMSD(0.65)，表明NDA-PTPE提高了分子刚度，抑制了分子变形。分子运动被认为是引起非辐射衰变的主要原因，分子刚性的提高是NDA-PTPE比NDA-TPE的衰变速度慢的原因。此外，显示了模拟的FT-IR光谱，显示氘化后，部分高频C−H拉伸模式从3208 cm^-1转移到2375 cm^-1。实验结果也记录了同样的现象，证明氘化可以有效抑制高频振荡。NDA-PTPE和NDA-PDTPE的零点能量(ZPE)值也可以证明高频振荡的缓解。NDA-PDTPE的ZPE值低于NDA-PDTPE。通过Shermo程序分析NDA-PTPE和NDA-PDTPE的不同法向振动模式对ZPE的贡献。氘化作用对芳香片段中碳-碳(C−C)键、碳-氧(C−O)键、碳-氮(C−N)键和氮-氧(N−O)键的振动影响不大，因此NDA-PDTPE的ZPE值较小主要是由于C−D比C−H的振动频率更低。通过分析可知，与NDA-PTPE相比，氘化可以通过降低NDA-PDTPE的高频振荡，有效抑制NDA-PDTPE的K_nr。

聚集体的荧光性质

   首先获得了薄膜状态下的UV - vis - NIR吸收。与溶液中几乎一致的光谱相比，NDA-PTPE和NDA-PDTPE在薄膜状态下出现了明显的肩峰，表明聚集后分子间相互作用增强此外，从图S26的粉末x射线衍射(XRD)光谱来看，根据Bragg方程，NDA-PTPE和NDA-PDTPE的面间晶体间距比NDA-TPE小，这有利于增加分子间相互作用，限制分子内运动然后，测量固态下的PL光谱，显示出NIR-II发射。从图中可以看出，NDA-PDTPE固体的发射强度增强，表明分子的发射特性确实可以被聚集体继承。然后，获得了随温度变化的PL光谱。NDA-PTPE和NDAPDTPE在77 K时的PL强度也高于NDA-TPE，这意味着采用该策略后的性能更优越。因此，NDA-PTPE和NDA-PDTPE相对于NDA-TPE具有较高的α_AIE值，这可能归因于聚集体内的分子内运动受到抑制。除实验外，还进行了分子动力学(MD)模拟，以更好地了解聚合态下分子间的相互作用。计算最内层分子的D和A之间的二面角，这对分子旋转有重要作用。在分子状态下，NDA-TPE、NDA-PTPE和NDA-PDTPE的二面角分布较广，表明它们具有自由旋转。但骨料的二面角有显著差异。NDA-TPE最内层分子的二面角分布广泛，与分子状态相似，这与它在聚集体中活跃的分子内运动相一致。而NDA-PTPE和NDA-PDTPE在聚集体形成时，二面角分布明显变窄，表明分子内运动得到有效抑制。进一步计算最内层的NDA-TPE、NDA-PTPE和NDA-PDTPE分子的原子接触比。与NDA-TPE相比，NDA-PTPE和NDA-PDTPE表现出更高的接触比率，这表明NDA-PTPE和NDA-PDTPE具有更高的原子与周围分子相互作用的比例，从而可以抑制分子内运动。总的来说，NDA-PTPE和NDA-PDTPE的聚集体不仅继承了分子的改进发射特性，而且抑制了分子内的运动，这正是所提出的分子路线图的目标。

NPs的制备、表征和性质

   为了使AIEgens具有良好的水溶性和生物相容性，我们用F127将其包封在NPs中。透射电镜(TEM)和动态光散射(DLS)显示， NDA-PDTPE NPs具有良好的均匀性，干尺寸约为125 nm，平均水动力尺寸约为156 nm，多分散指数(PDI)为0.056。还检测到负表面电荷(- 13.7 mV)，保证了血液循环的延长和肿瘤靶向。在不同条件下(磷酸盐缓冲盐水(PBS)、胎牛血清(FBS)、半胱氨酸(Cys)和血液)评估其大小和荧光稳定性。NPs具有良好的胶体稳定性和荧光稳定性。从图可以看出，NDA-TPE、NDA-PTPE和NDA-PDTPE NPs的荧光性能是逐渐提高的。NPs良好的稳定性和较高的QY有利于其在生物成像中的应用。NDA-PDTPE NPs的最大吸收和最大发射分别位于673 nm和1018 nm。令人印象深刻的是，NDA-PDTPE NPs表现出345 nm的巨大Stokes位移，这可以有效地减少吸收光谱和发射光谱之间的重叠，避免有害的自吸收效应。NDA-PDTPE NPs的发射光谱具有延伸至1400 nm的尾部，更有利于NIR-IIa(1300−1400)荧光成像。在NIR-IIa窗口中的荧光成像可以提供更好的成像对比度，更高的分辨率，并且通过光子散射的减少可以提供更明确的图像输出。此外，NDA-PDTPE NPs的荧光强度随浓度呈线性增强，为定量分析提供了平台。需要持续监测的生物成像场景，如干细胞追踪、炎症长期监测、图像引导肿瘤手术等，意义重大，但具有挑战性。在长期监测中，光稳定性对获取可靠的成像信息至关重要。通过监测DMF在光照射下的吸收强度波动，首次研究了DMF在分子状态下的光稳定性。在近红外光(808 nm, 0.6 W/cm²)连续照射60 min下，吸光度强度几乎没有变化，显示出分子状态下良好的光稳定性。然后，通过记录NIR-II PL强度进一步研究NPs的光稳定性。在连续照射下，NPs的NIR-II PL强度几乎没有变化，而ICG强度迅速下降。此外，通过4T1细胞对NDA-PDTPE NPs的生物相容性进行了评价，发现即使在50 μg mL^-1的浓度下，NDA-PDTPE NPs也表现出较高的活性，显示出良好的生物相容性。

光热和光声特性

   光和热都是相互竞争的激发态能量耗散形式。为了研究光热效应，在808 nm (0.6 W cm^-2)激光照射下，测量了NPs在100 μM水溶液中的光热性能。NDA-PTPE和NDA-PDTPE NPs表现出相对较低的平台光热温度，这可能是由于NPs内部分子内运动受限所致。这一结果进一步证明π扩展和氘化是抑制非辐射衰变的有效方法。对于影像引导手术，不同影像方式的结合可以提供病变的全面信息，从而改善手术效果因此，考虑到NDA-PDTPE NPs的适度光热性能，其光声(PA)性能被评价为依赖于光热的PA效应。随着浓度的增加，PA强度逐渐增强，表明NDAPDTPE NPs在PA成像中的潜在应用。此外，为了研究NDA-PDTPE NPs光热处理能力，我们对不同浓度NDA-PDTPE NPs在808 nm激光照射和不照射下培养4T1癌细胞的活性进行了评估。NDA PDTPE NPs在黑暗中表现出较低的细胞毒性。然而，在808 nm激光照射下，NDA-PDTPE NPs对4T1细胞表现出明显的细胞毒性，在100 μg mL^-1下杀伤率约为80%。结果提示NDA-PDTPE NPs在多功能治疗系统中的潜力。

淋巴结和血管成像

   首先在体外评估成像能力。与NDA-TPE NPs和NDA-PTPE NPs相比，NDAPDTPE NPs在不同覆盖深度下表现出更高的信本比(SBR)，这表明π扩展和氘化相结合确实有利于获得高对比度的成像结果。在体内成像之前，通过测量不同时间点血浆中的荧光强度来研究血液循环时间。NDA-PDTPE NPs表现出良好的血液潴留，这可归因于良好的稳定性。然后，为了证明该策略的重要性，还通过血管成像评估了体内性能。与NDA-TPE相比，NDA-PTPE NPs可以改善血管的SBR。NDA-PDTPE NPs可以进一步提高SBR。体内成像表明，混叠策略有利于实现高对比度的活体图像。解剖成像分析NDA-PDTPE NPs的生物分布。不同脏器的荧光信号提示NPs主要分布在肝脏和脾脏，说明NDA-PDTPE NPs主要被网状内皮系统捕获然后，通过足垫注射对淋巴结进行成像。高对比度和低背景表明NDA-PDTPE NPs具有较好的荧光成像能力。由于具有优异的荧光和PA性能，我们采用NDAPDTPE NPs对皮下荷瘤小鼠进行成像。NDA-PDTPE NPs易于在肿瘤内逐渐积聚，边界清晰，这可能与肿瘤的渗透性和滞留性(EPR)作用增强有关。这些结果表明NDA-PDTPE NPs适用于双模型NIR-II和PA成像。

双模式影像引导手术与SLN解剖

   在体内测试了良好的NIR-II和PA性能后，是否可以进行生物医学治疗，如图像引导肿瘤手术，值得探讨。将NPs经尾静脉注入原位乳腺荷瘤小鼠体内，记录不同时间间隔的PA和荧光图像。静脉注射NDA-PDTPE NPs后，肿瘤部位的PA信号和荧光强度随着时间的推移逐渐增强，符合手术切除的前提。

   前哨淋巴结是肿瘤转移的主要途径，与肿瘤预后、分期及治疗决策密切相关因此，在肿瘤手术中观察前哨淋巴结的肿瘤转移是至关重要的。在PA和荧光成像的帮助下，成功完成肿瘤的切除手术，同时切除前哨淋巴结。来自荧光素酶表达的4T1肿瘤和LNs的生物发光与NIR-II荧光信号重叠良好，揭示了NDA-PDTPE NPs在成像引导手术中的优异性能。切除肿瘤和LNs的苏木精伊红(H&E)染色证实LNs有明显的肿瘤转移。结果进一步证明了双模式影像引导下的精确切除手术的完成，使肿瘤转移的快速确认成为可能。

总结

     本文提出了π扩展与氘化的混搭策略，巧妙地同步构建了具有加速辐射衰变和限制性非辐射衰变的高光效率NIR-II aigens。通过深入的实验和理论计算，揭示了其潜在的机理。结果表明，HOMO离域引起的f改善加速了辐射衰减，而抑制变形和高频振荡导致非辐射衰减受限，最终提高了发光效率。此外，芳香族片段的延伸增加了分子间的相互作用，有效地限制了分子内的运动，使NDA-PDTPE在分子状态下的优异发射特性被聚集体继承。鉴于NDA-PDTPE NPs具有出色的亮度、光稳定性和大的Stokes位移，我们在活体小鼠中完成了双模型图像引导肿瘤和前哨点LN手术。本工作为开发高发光效率的NIRII光源提供了一种合理的方法。

参考文献

Boosting Luminescence Efficiency of NearInfrared-II Aggregation-Induced Emission Luminogens via a Mash-Up Strategy of πExtension and Deuteration for Dual-Model Image-Guided Surgery， Fulong Ma, Qian Jia,Ziwei Deng, Bingzhe Wang, Siwei Zhang, Jinhui Jiang, Guichuan Xing, Zhongliang Wang, Zijie Qiu, Zheng Zhao,* and Ben Zhong Tang*， ACS Nano , https://doi.org/10.1021/acsnano.3c11078