内容提要
在第二近红外(NIR-II, 1000-1700 nm)窗口发射具有强光学收获和高量子产率的分子荧光团在体内深部组织成像和高分辨率生物传感方面具有很大的潜力。最近，J聚集体被用于设计长波NIR-II发射器，并在肿瘤检测、血管测绘、手术导航和光治疗方面显示出独特的优势，因为它们在所需的滑动堆叠排列聚集状态下具有色移光学带。本文着重阐述了如何利用特定的分子结构形成具有J型聚集激子耦合的滑动堆叠包装基序。首先，积极总结并深入分析了几种分子调控策略，以实现包含分子间相互作用和外部条件的NIR-II J -聚集体。系统总结了近年来有关J聚集体用于NIR-II生物成像和治疗学的报道，为促进NIR-II有机荧光团的发展提供明确的参考和方向。最后，概述了改善和促进NIR-II J -聚集体进一步临床实践的前瞻性努力。
诱导J聚集体形成的策略设计
J聚集的形成通常需要分子结构的有序滑动排列。然而，面对面排列的H-agaggregation比从头到尾的堆叠更容易形成。为了设计稳定的聚荧光团，需要对有序组装结构进行分子调控以制备头尾堆叠。这一部分主要是对J聚集形成的各种战略设计进行总结。
位阻调节策略
位阻是影响有机化学反应的重要因素，在化合物性质和有机反应过程中起着重要作用。在荧光分子的超分子组装中，限制单键旋转和分子扭曲等庞大基团的作用不仅可以增加化合物的稳定性，还可以诱导分子聚集行为。因此，已有关于空间位阻诱导J聚集的报道。Zhao等人在2014年精心设计并制备了采用位阻调节策略表现出J聚集行为的氢氮杂环二酰亚胺衍生物。该分子具有富电子的氢氮杂七烯骨架，具有4个吸电子的二羧基取代基以及4个支链烷基大基。进一步的控制实验旨在证明这些侧链的数量和位置对J聚集的实现有极大的影响。为了进一步分析J -聚集体的形成，他们发现来自支链基团的高空间位阻限制了面对面H-聚集体的堆叠模式。此外，芳香主链与烷基侧链之间的相互排斥作用导致分子扭曲聚集。因此，分子倾向于通过诱导具有空间位阻的基团聚集成J型态。此外，Hao的团队设计并构建了带有四个给电子的甲氧基片段的菲[b]-融合BODIPY (pf-BDP)，这些片段连接在吸电子的BODIPY核心上。此外，在BODIPY结构的介位中引入了一个庞大的单元。这种位阻可以在很大程度上限制扩展BODIPY平面结构的面对面堆叠，以避免不希望的H聚集。通过分子动力学模拟研究，构建的pf-BDP支架的分子填充模式和优化的三维几何形状表明，pf-BDP的大体积间基单元限制了两个侧支BODIPY核心之间的分子间距离，并导致滑动排列。目标分子的结构填充采用了19°的共面滑移堆叠，这解释了J型聚集。此外，Liu等人通过在骨架的介孔位置引入空间位阻体[2,2]副环苯基(PCP)片段(PCP)，设计并制备了PCP- bdp2，该骨架具有J聚集行为和NIR-II荧光发射。Li和同事还制备了阴离子花青素光敏剂，并通过引入三氰呋喃端基实现了分子J型聚集。他们研究了获得的阴离子C3T-X具有不同反离子的性质，其中X表示反离子，分别包括吡啶(X=Py)，钠离子(X= Na)和体积较大的十二烷基(三苯基)磷阳离子(X= Pc)。与其他两种C3T-X相比，所得到的C3T-Pc在单体和聚集状态下都表现出J聚集的能力，具有显著的红移发射光谱，并且单线态氧生成效率都有所提高。此外，Zhang等人利用新型有机金属纳米平台(PpyPt NPs 4.76)开发了一种缺氧反应的NIR-II FI技术，用于体内肿瘤的高度特异性定位。基于该报告，一个空间苯基环官能团与典型卟啉结构(PpyPt)的介位结合，形成具有明显红移到NIR-II区的J聚集荧光团。此外， XRD证实PpyPt J聚集的形成。由于15-苯基环和5-苯基环的位阻相互作用限制了分子的“面对面”堆叠和Pt-Pt相互作用，PpyPt的平面结构表现出明显的J聚集性能，诱导了PpyPt有序的“头尾”型J聚集排列。总的来说，这些报告为阐述空间位阻相互作用的分子堆积模式提供了明确的指导。理想情况下，体积较大的分子支架最适合于J聚集体的错位滑移排列。然而，外部环境、柔性分子侧链、表面电荷等也可能削弱空间位阻对J聚集形成的影响。因此，探索其他控制策略对于J聚集体的产生和阐明J聚集体的形成机制具有重要意义。
电子调节策略
为了进一步丰富J聚集策略库，除了考虑分子本身的空间立体化学结构外，还需要进一步探索分子内或分子间的电子效应来解读J聚集信息学。推挽电子效应、偶极-偶极相互作用和静电相互作用是分子间的主要相互作用机制。分子系统中电子分布的平衡是设计NIR-II J -聚集体的关键。通过电子调节策略制备J聚集分子，我们可以通过促进偶极矩的产生、建立D-A-D结构、充分利用相反电荷来构建分子。电子在分子体系中的不平衡分布可以有效诱导分子的取向排列，促进J聚集体的产生。基于这一原理，设计出了越来越多性能优异的J型骨料。最近提出了基于电子调节原理设计J聚集发色团的优雅例子。例如，Tang的团队开发了一种通过结构异构化调节策略构建J聚集的NIR-II荧光团的有效策略。Wang和同事们通过引入电子共轭效应和推拉电子相互作用，精心制备了一种D -A结构的乙烯桥J聚集BODIPY (BisBDP2)，用于高效光声成像(PAI)和光热治疗(PTT)。制备的BisBDP2由两个供电子THQ基和一个吸电子能力优异的CF3基团组成。此外，BisBDP2通过将两个单体与桥接乙烯基团结合，具有出色的J聚集能力，这是分子J偶联堆叠调节所需要的。随后，由于推拉效应的协同作用和-conjugated平面的扩大，锯齿型BisBDP2形成分子间J偶联聚集，从而产生荧光团向NIR-II区域的显色位移。
由于分子间和分子内存在偶极子-偶极子激子耦合相互作用，J聚集体的激发电子分散在整个分子排列中。这种离域电子结构有利于J -聚集体具有很大的红移波长和优异的光/热稳定性。受此特性的启发，Wurthner团队基于双激子耦合策略，设计并合成了具有NIR-II发射的J聚集双方碱(Bis-SQ)荧光团。该有机发色团包含两种近红外染料，其尾部至头部堆叠导致分子内J聚集偶联，在极性氯仿中显示出位于971 nm的荧光峰和961 nm的最大吸收。然而，在低极性溶剂甲苯中，偶极子-偶极子相互作用和双- sq相互作用驱动双- sq自组装成纳米纤维分子间J偶联聚集体，进一步产生1116 nm的光学红移荧光发射和1095 nm的吸收。2022年，Guo等人通过分子内激子分裂策略报道了乙烯桥接aza-BODIPY二聚体。乙烯桥的存在确实促进了分子间激子耦合的发生，促进了J聚集体的形成。将分子荧光团包封在两亲性的F-127聚合物中后，二聚体之间的距离缩短，J聚集的纳米粒子表现出明显的分子间J型激子耦合，在1003 nm处发射。通过调节分子内和分子间激子耦合获得的这种卓越的纳米平台是癌症光疗的实用范例。Kim等人基于静电相互作用设计了一种基于中位酯BODIPY染料的肝素特异性可激活探针C10-Py+，与肝素结合时表现出J聚集行为。制备的C10-Py+由BODIPY主链和酯支链修饰的亲水季铵化吡啶环组成。此外，疏水阳离子十亚甲基链起连接作用。通过与肝素的静电相互作用，C10-Py+的球形聚集纳米结构被破坏，同时形成J聚集的超分子组装体。利用静电相互作用或促进分子偶极矩来促进荧光团的J偶联堆叠调节是一种经过验证的有效方法。这种定制的电子调节策略容易受到周围环境的影响，如极性、pH值和氧化还原，这些都会影响分子系统中的电子分布。在这种情况下，这些不确定因素可能会成为未来先进J聚集领域研究的障碍。
分子间氢键调节策略
作为前面的空间结构调节，氢键的驱动力被认为有很大的潜力帮助分子形成有序的J聚集自组装。氢键在优化有机光功能分子的化学特性和光物理能力方面起着关键作用。分子间氢键的存在可以促进分子形成定向排列。因此，利用分子间氢键可以设计J聚集体。苝酰亚胺(PBI)的J聚集体最典型的例子是基于氢键制备的。由于PBIs骨架为平面的苝酸酐，使得PBIs容易形成不利的H型聚集体，从而极大地限制了其实际应用。为了克服这一挑战，Hecht等人设计了一种具有特定取代基的PBI，通过在平面苝酐的港湾位置引入富电子的二噻吩单元连接3,4,5-三(十二烷基氧基)苯基，改变了PBI的聚集行为，进一步促进了柱状螺旋结构的形成。PBI无取代基的酰胺位置能进一步促进氢键的形成。进一步的研究表明，在氢键和相互作用的引导下，PBI分子可以在溶液中自组装成螺旋J -聚集体。该模式为长波长J聚集分子组件的工程化分子间氢键调节策略提供了参考。利用J聚集体制备非掺杂电致发光器件也引起了人们的广泛关注。赵等通过与C·H··和CN·H··C的相互作用，制备了两个近红外热激活延迟荧光(TADF)发色团。形成的J聚集非掺杂有机发光二极管(oled)具有提高的发射效率。因此，未掺杂的NIR OLED获得了最高的外量子效率(EQEmax)为9.44%，发射峰为711 nm。Herbst等人展示了一系列J聚集的PBI衍生物，其中J聚集可以通过滑动的共轭叠加和强氢键产生。定制的PBI化合物由一个PBI核心与两个亚胺位点的NHs和四个苯氧基组成。这些PBI的螺旋组装可以通过氢键相互作用和滑动-stacking进一步形成扭曲-aggregates，以及PBI外围的空间拥挤，从而提供J聚集的分子排列。最近，Li等人报道了一系列基于喹唑啉酮衍生物的高稳定性和活化的NIR-II J聚集荧光团，这些荧光团与半花氨酸共轭体系具有很强的分子内和分子间氢键相互作用。这些J聚集的荧光团有效地克服了模板的经典限制，并有助于J聚集体的稳定性，允许在生物环境中原位有序自组装。综上所述，本研究试图利用氢键相互作用诱导NIR-II J -聚集体的形成，并有效地开发了构建长波长J -聚集体探针的策略。尽管氢键相互作用相对于分子的有序排列具有很大的优越性，但大多数由氢键相互作用驱动的Jaggregates都是随机发现或偶然观察到的。值得注意的是，许多荧光团具有氢键相互作用，但大多数荧光团难以形成J聚集体。未来的研究可以考虑氢键相互作用与其他潜在因素的协同效应，如分子固有的空间结构和外力。
亲疏水相互作用调节策略
分子的亲疏水性是分子J聚集组装中不可忽视的关键因素。分子的亲水性使它们有可能在不同的介质中有序排列。分子骨架的疏水段和亲水段与周围介质之间的斥力和配位诱导了分子的定向自组装。通过在疏水分子骨架中引入亲水性基团或在分子框架中放置疏水染料，得到的两亲性分子可以容易而有效地诱导取向排列。此外，亲疏水相互作用可以通过限制分子运动来调节J聚集体的产生。这是一种简单易行的方法来调节J -聚集体的制备。最近，Li的研究小组精心设计了一种刺激响应的核壳纳米平台，该平台由亲水性PEG外壳和滑动堆叠的BODIPYs (BD-PGMe)组成。他们采用碘取代的BODIPY(含过氧亚硝酸盐响应的中羧酸酯段)来有序地引导两亲性二嵌段共聚物聚乙二醇-嵌段聚己内酯(PEG-PCL)的分子组装。疏水部分较短的BD-PGMe容易形成J聚集。相反，在加入较长的疏水段后，BD-PGMe可以聚集成随机堆积模型，它们之间具有很强的疏水相互作用，并且容易形成胶束。经过过氧亚硝酸盐的刺激，J聚集的BD-PGMe的疏水中羧酸保护基被破坏，从而破坏了高度有序的J型排列，形成非堆叠状态，同时之前的核壳非板结构转变为纳米棒。亲水/疏水诱导J聚集的另一个代表性范例是通过引入两亲性脂质体。例如，Zheng等人报道并合成了一种创新的aza- bodipy -脂质构建块，并将其推广用于肿瘤的多模态光学成像。进一步的实验表明，在定制的BODIPYsome内存在稳定的近红外J聚集体，这归因于两亲性脂质体结构内受限制的疏水aza-BODIPY诱导的J二聚体效应。组装的aza- bodipy -脂质纳米结构呈现J聚集，导致从660到702 nm的显著红移吸收。鉴于其迷人的光学特性，所获得的Jaggregated BODIPYsome可以在PAI和NIR FI的指导下实现肿瘤组织的可视化。总之，利用亲疏水分子间相互作用形成稳定的J聚集体，对于开发多功能、可调长波双光子纳米平台具有很大的优势。然而，亲疏水分子间相互作用诱导的J聚集体易受复杂生理条件的影响，其结构稳定性和生物稳定性较差。在病理环境下开发稳定或可活化的J -聚集体是进一步临床实践所需的有效方法。
Atom-Programming策略
与不可控的外部环境相比，分子结构的修饰更有利于形成稳定的J聚集体。在分子工程中引入特定的原子有望通过定向力诱导原子聚集，定向力来源于原子之间的电负性差异和形成共价键的倾向。例如，具有中等强度和高度定向相互作用的卤素键(X─B)已成为实现有序自组装超分子体系的有效驱动力。近年来，李的研究小组通过在BODIPY主链上引入不同的卤素原子，开发了一系列J型聚集体。2020年，他们首次利用两种不同的正交X─B相互作用制备了J聚集的2D片层。在BDP-Cl或BDP-Br的晶体状态下，研究了分子间相互作用。如图所示，BODIPY分子中取代的卤素原子与周围的卤素原子相互作用，产生定向X··X键(Cl··Cl或Br··Br)，称为ii型X··X卤素键。值得注意的是，BODIPY分子中的卤素原子是X··X键的供体，同时也是X··X键的受体。这两种卤素相互作用促进了BODIPY J -二聚体的形成。与Cl··Cl键相比，Br··Br键更短，键角更容易达到90°，这是由于氯原子的极化率比溴原子弱。此外，他们合成了不含卤素的BDP-H作为对照，对比探索卤素效应在J聚集体形成中的作用。进一步的研究表明，卤代BDP在水溶液中可以形成J -团聚体，但在相同的溶液中无法观察到BDP- h的J -团聚体，这说明仅靠分子间的堆叠相互作用驱动很难形成J -团聚体。在水溶液中，BDPs的卤素结合相互作用很容易形成强的结合亲和力和有序的堆叠，从而产生J聚集效应。在上述工作的基础上，他们采用相同的策略制备了具有非光漂白和近红外光吸收的J-packing纳米pta (J-NP)。在强相互作用和分子间卤素键的作用下，形成了滑动堆积的J型排列，使得J-NP具有良好的光物理和光化学性能(如103nm的红移吸收)。此外，聚乙二醇化的球形J-NP具有较高的细胞摄取效率，对活体小鼠肿瘤PTT具有良好的光热效力。2021年，Li的团队利用先前提出的卤化J聚集BODIPY设计策略，构建了由双激光近红外光束激活的光敏纳米平台(An-NP)，用于协同光动力治疗(PDT)和PTT的增强抗肿瘤光疗。an - np由三个关键元素组成:产生1O2的光敏剂，能够捕获/释放具有良好可逆性的1O2的蒽衍生物，以及具有优异光热性能的溴取代J聚集BODIPY。他们提出了分数PDT(命名为fPDT)，通过使用不同波长的激光分段光学曝光来照射纳米系统，以便在PDT期间补充氧气。总而言之，特别是利用原子规划策略，卤素键结合相互作用已经被探索和发展到设计J聚集的有机发色团。值得注意的是，这种量身定制的策略通常需要与其他相互作用相结合，以设计高效的J -聚集体，例如强的作用力和氢键。
环境条件
除了修饰荧光团本身，还可以通过调节分子的外部条件，包括温度、无机盐、外部模板调节等来获得J-aggregates。与通过结构优化形成J -聚集体相比，通过环境条件调节来实现有序滑动堆积是一种更容易、更灵活的途径。例如，Zhang的团队最近提出了一种简便的策略，通过在水溶液中热处理H聚集形态(FDH)来制备J聚集的FD-1080 (FDJ)。FD-J表现出明显的红移吸光度和发射波长分别为1360 nm和1370 nm。由于NIRII发射，FD-J用于高分辨率血管测绘。此外，通过改变染料的环境条件，他们将FD-1080加载到有限的空间中，即介孔二氧化硅的垂直通道中，得到NIRII J聚集的MSTPs-FDJ@PAA。制备的MSTPs-FDJ@PAA在1300 nm以上均显示出发射和吸收，可实现荧光成像引导下的微创骨修复手术。Ma和合作者制备了两种氮杂包覆菁菁衍生物N-benzyloxycarbonyl Cy-CO2Bz和Nethyloxycarbonyl Cy-CO2Et，它们在无机盐NaCl的作用下容易形成J型聚集体。随着溶液中NaCl浓度的增加，Cy-CO2Bz和Cy-CO2Et的单体吸收逐渐减弱，而J -团聚体吸收增强。然而，它们的荧光强度逐渐缩小，这可能是由于聚集引起的发射猝灭。有趣的是，进一步的实验表明，Cy-CO2Bz对NaCl表现出良好的荧光信号响应，有助于跟踪盐胁迫对植物的影响程度。而Cy-CO2Et则抑制了荧光信号，显示出优异的光热转换效率(PCE)(57.59%)，促进了PTT在癌症中的应用。重要的是，与化学修饰相比，利用外部条件调节来实现J聚集的形成似乎是一种简单而灵活的途径。然而，潜在的结构不稳定性极大地限制了其进一步的临床应用。这些报道有助于我们深刻理解分子组装J聚集体的堆积行为和光学机制。J-aggregation的形成通常不是由单一的相互作用驱动的。这种高度有序的分子“从头到尾”滑动堆叠通常难以精确定义。未来对J -聚集的研究将集中在合理调节分子间的相互作用与外界条件的关系上。
NIR-II J聚集体生物成像研究进展
在过去的几十年里，许多J聚集体发色团被合理地设计和开发，包括PBI、BODIPYs、卟啉、方碱染料和花青素染料。大多数报道的J聚集体在传统的NIR-I或可见光区域发射信号，而NIR-II J聚集体在早期阶段被提出和报道。到目前为止，已经成功地发现了几种含有BODIPY衍生物、菁氨酸分子、方碱、卟啉衍生物、二酮吡咯、苯并[c]噻吩和喹唑啉酮衍生物的NIR-II J聚集发色团。本部分主要对这些已报道的NIR-II J聚集支架进行全面总结，用于生物高级应用。
二氢吡咯氟硼类染料
BODIPY是新兴的近红外荧光团之一，具有斯托克斯位移小、吸收/发射波长可调、化学修饰灵活、低光漂、荧光量子产率高等特点，在生物成像、光动力学、PTT等生物医学领域有着广泛的应用。迄今为止，已经有大量的研究致力于调整NIR-II窗口的光学发射和吸收，特别是，修改化学结构形成NIR-II聚集体是实现NIR-II剂的有效途径。据报道，研究发现BODIPY在结晶态、水相和脂质囊泡中形成J聚集体。值得注意的是，Yan的团队制作了一系列Jaggregated BODIPY，具有出色的窄NIRII荧光发射。2022年，他们成功地合成了半乳糖修饰的BODIPY荧光团(Gal-BDP)，并通过分子间堆叠和氢键相互作用获得了具有NIR-II荧光发射的BODIPY J聚集体(Gal-OH-BDP NPs)。此外，在他们的另一项工作中，他们利用一种对酸敏感的两亲性多肽包封Gal-BDP，以提供可激活的J聚集NIR-II探针(Pipr@Gal NPs)。这种NIR-II光疗纳米平台能够在肿瘤微环境中原位形成J聚集体，实现NIR-II fi引导的PTT。基于他们之前的研究，在2022年，噻吩和三苯胺单元被引入到aza-BODIPY的中央平面骨架中。所得到的BODIPY衍生物具有J-aggregation的分子组装倾向，这归因于强位阻和相互作用。与两亲性POEGMA23-PAsp20自组装后，提供J聚集的纳米平台J-NPs分别在1039 nm和939 nm处显示出长发射峰和吸收峰，实现了生命FI。此外，基于空间相互作用的机制，Liu和同事合成了新的BODIPY衍生物(PCP- bdp2)，在BODIPY的中位位置具有大的三维PCP基团，证明了PCP对BODIPY J聚集体的形成至关重要。DFT计算和单晶x射线分子结构谱均证实，PCP大片段在调节PCP- bdp2的光物理性质和诱导J聚集中起着关键作用。值得注意的是，J聚集的PCP-BDP2在水和THF混合溶剂中均在1010 nm和900 nm处显示出NIR-II和NIR-I荧光峰，而NIR-II荧光只在晶体状态下发射。接下来，通过纳米沉淀将PCP-BDP2捕获为两亲性Pluronic F-127后，获得的J聚集的PCP-BDP2可以稳定并表现出高QYs (Φf = 6.4%)。体内成像实验表明，PCPBDP2具有高分辨率的NIR-II活体成像，在小鼠淋巴结定位和成像辅助手术治疗中具有潜在的临床应用价值。总之，本研究为NIR-II有机小分子染料的调控开辟了新的视野，进一步推动了BODIPY衍生物在生物医学领域的生物学实践。
双激子耦合策略在J -聚集体的设计中也显示出独特的优势。当发色团分子间和分子内的跃迁偶极矩处于理想状态时，激子不局限于单个分子，而是在整个发色团骨架中离域。总的来说，聚集体的光物理性能优于单体，如显著的红移吸收和发射以及优异的光学稳定性。2022年，Hao等人通过调节分子内和分子间激子耦合构建了长波长的吸收发射发色团，实现了BODIPY分子的可控聚集，最终开发出性能优化的乙烯桥接aza-BODIPY二聚体(BDP3)。由于单体之间的“偶极-偶极”相互作用，BDP3表现出强烈的分子内激子耦合，表现为吸收带分裂和红移。分子内激子耦合的存在被DFT、圆二色谱和循环伏安法证实。此外，在两亲性三嵌段共聚物F-127中包封后，形成Jaggregation BDP3，其吸收峰和发射峰分别红移至936 nm和1003 nm，也验证了分子间激子耦合的存在。本工作通过调节分子内和分子间激子耦合实现了可控的J聚集体，这有助于开发Jaggregation BODIPYs。
探索具有理想摩尔消光系数(MEC)和亮度的荧光分子对于活体生物成像至关重要。对于显像剂来说，这两个关键参数往往难以同时增强。例如，高MEC的菁染料在水溶液中总是表现出聚集引起的猝灭(ACQ)现象。对于D - p - D型颜料，可以通过引入三苯胺(TPA)等官能团来实现聚集诱导发光(AIE)来避免ACQ，但其固有的低摩尔消光系数不能通过简单的给体修饰来改变。因此，设计具有高MEC和高亮度的发色团具有重要意义。为了解决这一挑战，Zhang的团队精心设计并制备了一种新型的NIR-II J聚集AIE荧光团(THPP)，其中融合环二体二聚体作为荧光核心，TPA作为提供AIE效力的官能团。AIE - J聚集的形成是由于强大的相互作用和位阻作用。值得注意的是，THPP在J聚集体中表现出优越的MEC和增强的发射吸收，最大吸收/发射波长显著延长至970 nm/1010 nm，荧光发射信号增强。此外，稳定的刚性结构使THPP具有优异的化学稳定性和光稳定性。此外，将优化后的THPP掺入到两亲性聚合物F-127中形成胶束，用于活体FI，与商用ICG相比，具有前所未有的强亮度。此外，胶束不仅可以动态跟踪深肺、肾、主动脉弓和颈椎，还可以以高帧率准确监测心脏跳动过程。
鉴于BODIPY在生物环境中分子成像方面的巨大优势，越来越多的人致力于设计基于BODIPY的多模态成像平台。如今，PAI和NIR-II FI发展迅速。虽然PAI具有大的信号背景比、深入组织和良好的时空分辨率，但对于复杂的深部病变，综合多模式成像技术可以提供更准确的诊断信息。考虑到在NIR-II区域具有理想荧光和吸光度的适当分子荧光团的局限性，很少有报告表明将NIR-II光声/荧光双模成像结合用于生物医学实践。因此，开发具有NIR-II荧光和吸光度的多功能光学纳米平台仍然是准确诊断癌症的一个挑战。BODIPYs已被探索用于不同的生物医学应用，包括FI、PDT和PTT。然而，基于BODIPY衍生物的体内NIR-II FI/PA定位的协同效用很少被报道。最近，Feng的研究小组精心设计并构建了一种环状熔接的Aza BODIPY衍生物(称为HBP)，其特征是NIR-II的尾部发射和窄化的NIRI吸收。通过与化疗药物PTX和Pluronic F127共沉淀，调节HBP分子的堆叠和亲疏水相互作用，形成有序堆叠的HBP/PTX胶束。HBP/PTX的峰吸收红移至1012 nm，不影响原始NIR-II发射荧光。此外，HBP/PTX J -聚集体呈现出比一般HBP胶束更亮的NIR-II荧光信号，这是由于PTX阻断了HBP的分子间聚集。此外，量身定制的NIR-II HBP/PTX胶束可以在NIR-II FI系统的指导下实现实时淋巴结和肿瘤检测，并在1064nm NIRII PAI下显示活体小鼠的肿瘤微血管系统。因此，本工作强调了NIR-II光治疗BODIPY平台的开发，以实现高效的高分辨率NIR-II PA/荧光双模生物成像。由于优异的光学性质和灵活的结构修饰，BODIPY衍生物在NIR-II J聚集领域占据主导地位。这些现有的工作证实了BODIPY衍生物在调节分子排列方面具有吸引力的优势，提供了高效的J聚集体。大量的研究致力于延长这些发色团的发射波长，但很少关注探索可激活的NIR-II J聚集体，它们仅在病理组织中发出NIR-II荧光。开发可活化的NIR-II J聚集的BODIPY是进一步临床研究和实践的理想和有效途径。
花菁染料
在J聚集领域，菁染料也被认为是实现长波长分子组装的高度重视的分子支架。典型的菁染料由一个庞大的共轭甲基链和两端的两个杂环基团组成，这些杂环基团具有可控的光学和物理性能，如吸收波长、荧光强度、光稳定性和溶解度。迄今为止，花青素染料已广泛应用于光治疗和生物医学应用，但调整其聚集排列仍然是一个艰巨的挑战。由于染料分子间的分子间填充效应和菁菁骨架的静电相互作用，所报道的菁菁分子在极性溶剂中通常具有明显的聚集倾向。已经开发了许多方法来探索J聚集的NIR-II荧光菁分子，定制的J聚集物具有理想的QYs，大MEC和优异的水溶性。2019年，Zhang等人基于菁染料FD-1080和1,2-二myristoylsn-glycero-3-phosphocholine (DMPC)制备了一类NIR-II J聚集探针，其发射和吸收峰均在1300 nm以上。在生理条件下，J -团聚体具有较高的水溶性和稳定性。通过分子动力学模拟证实了磷脂DMPC与花青素染料在形成Jaggregation过程中的亲疏水相互作用行为。同时，J聚集探针FD-1080确保位于1500 nm以上的NIRII FI具有高分辨率图像显示和满足信噪比(SNR)，从而监测高血压小鼠降压期间血管的动态变化。鉴于FD-1080花青素染料出色的NIR-II荧光特性，Zhang及其同事基于FD-1080开发了J聚集荧光团序列，旨在增强NIR-II荧光生物成像。2021年，Zhang进一步优化了他们的提议，并设计了一种简单的一锅制备方法，获得了NIR-II J -团聚体(FD-J)，该材料具有良好的水溶性、化学稳定性和光稳定性，其发射峰和最大吸收分别在1370 nm和1360 nm处。此外，Zhang等人在合成FD-1080的基础上，还设计了一种新颖的NIR-II J聚集标记介孔植入物(MSTPs-FDJ@PAA)，用于荧光引导的微创骨修复手术。在这项工作中，介孔硅层首先生长在医用钛板(mstp)上，为FD1080的加载提供空间。由于介孔孔的空间有限，随着溶液极性的变化，介孔孔中的FD-1080分子进一步组装形成J -聚集体，发射和吸收波长在1300 nm以上发生红移。
为了进一步提高显像剂在临床应用中的性能，科学家们把重点放在了商用菁染料的改性上。例如，2019年，Chen等人通过使用稳定且具有生物相容性的中空介孔二氧化硅纳米颗粒(HMSNs)获得了具有NIR-II发射的J聚集显像剂。作者首先合成了负载在Stöber球形核上的介孔二氧化硅。随后，在hmsn上装载不同浓度的IR-140荧光团，在不同的溶剂中。紫外-可见-近红外光谱分析表明，分散在DMSO和HMSNs中的IR-140出现了相应单体(826 nm)的吸光度消失峰。当用PBS洗涤时，产生了大量的J2聚集体，在1040 nm处吸收最大，并且没有孔或内表面的Stöber球体仅观察到小的J带。在确认HMSNs可以促进IR-140的J聚集形成后，我们用PEG链对装载IR-140的HMSNs (hmsn -PEG)进行了精心修饰，以赋予其水溶性以进一步的生物应用。最后，裸鼠静脉注射hmsn - peg进行生物成像实验。980 nm激光照射活体小鼠，收集强NIR-II荧光图像。为了进一步促进市售IR1061的利用，2022年Du等人引入具有强生物相容性和生物稳定性的人血清白蛋白(human serum albumin, HSA)制备了IR1061@HSA纳米颗粒，极大地提高了IR1061在生理环境中的水溶性和循环时间。制备的IR1061@HSA纳米粒子具有典型的J聚集。随后，将J聚集体成功应用于NIR-II图像，实现肿瘤血管的无创可视化和实时成像辅助手术导航。此外，由于J聚集的纳米平台具有较高的PCE效能，制备的IR1061@HSA也被用于PTT，从而实现了肿瘤的高效热消除。总之，这个NIR-II J聚合IR1061@HSA为肿瘤光治疗实践建立了一个可用的多功能纳米平台，具有良好的临床应用前景。通过调节亲疏水相互作用和引入外部模板，越来越多的菁菁染料作为荧光支架被用于NIR-II J -聚酰基的利用。一般来说，NIR-II J聚集型菁氨酸染料具有很高的临床应用前景。然而，在未来的工作中，提高光学稳定性和荧光效率可能对满足临床转化的要求具有重要意义。
方酸
探索新型J聚集支架对扩大NIR-II分子文库具有重要意义。作为一种突出的光电分子，方碱及其衍生物已被用于开发长波长的荧光团。共振方形两性离子在中心(A)有一个缺电子的四元环，两侧有两个给电子基团(D)，呈现出独特的分子内D - A - D电荷体系结构。由于本质上较大的-conjugated体系，方碱染料在500至900 nm的尺度上表现出突出的吸收。由于强大的范德华力和正方形染料之间的相互作用，它们也具有很强的聚集性能，根据外部环境的不同，它们倾向于形成J -聚集体和h -聚集体。迄今为止，方碱衍生物已广泛应用于许多领域，如太阳能电池，发光二极管和生物医学，由于其易于合成和理想的光物理性质(例如，近红外吸收，理想的长波发射，高摩尔吸收系数，强光稳定性)。由于其独特的结构和复杂的修饰过程，开发NIR-II荧光方英染料仍然是一个巨大的挑战。在2020年，Yao和他的同事们通过在squaraine核心中引入强电子吸引的二氰丙烷和提供电子的1,8-萘酰亚胺，报道了一种新的NIR-II发射方形染料。制备的荧光团在980 nm处出现荧光峰，发射尾向NIR-II窗口扩散。然而，复杂的改性工艺制约了方英染料的进一步发展前景。J聚集方胺染料的开发可以有效地促进长波长荧光团的发展。
窄带隙有机染料由于h聚集体面对面排列或电荷转移导致跃迁偶极矩减小，其荧光效率相对较差。为了克服这些缺点，Shen等人提出了一种分子内双J -偶联方法，通过两个双极性方形发色团(“J -二聚体”)之间的共价头尾连接，进一步进行自组装形成分子间J -聚集体。由于增加了最低激发态的跃迁偶极矩，J耦合成为最有前途的增强辐射的方法之一。通过提高分子内J偶联所需的跃迁偶极矩的首尾叠加，构建了J二聚体双(方碱)染料bis - sq，该染料在长波下具有明显的发射和吸收特性。BisSQ在低极性甲苯中自组装成螺旋纳米纤维，NIR-II的发射波长为1116 nm，吸收波长为1095 nm。
大多数NIR-II试剂是疏水的，通过包封在胶束内或用亲水性基团修饰来使用。纳米试剂的ACQ效应是不可避免的。2018年，范的研究小组通过采用一种简单有效的策略来解决纳米剂的荧光猝灭问题，开发了一种高性能的NIR-II探针——squaraine纳米颗粒SQP-NPs(J)。合成的SQP-NPs(J)有序地形成分子J型堆叠，这是由于分子体系中电子分布不平衡，从而有效地诱导了J聚集体的产生。H聚集的方碱纳米粒子SQP-NPs(H)作为对照组。J聚集的形成有效地抑制了荧光猝灭的困扰，增强了SQP-NPs的NIR-II荧光强度(J)。为了研究SQPNPs(J)在体外的荧光增强作用，他们分析了两种NPs(SQP-NPs(J)和SQPNPs(H))培养的MCF-7细胞的NIR-II FI。经SQP-NPs(J)培养的MCF-7细胞的荧光信号明显比SQP-NPs(H)亮4.1倍，表明SQP-NPs(J)在细胞水平上具有良好的NIR-II FI能力。这些结果都证明了调节染料形成J聚集可以有效地增强NIR-II的荧光发射。因此，NIR-II FI显示探针成功富集到肿瘤部位，光热处理后肿瘤生长得到有效抑制。总的来说，这个NIR-II J聚集的方卡因荧光团为扩大方卡因染料库提供了一个范例。然而，长波长方碱分子的大共轭结构是难以合成的。因此，探索新型支架可以促进NIR-II J聚集研究和NIR-II荧光成像的发展。
卟啉衍生物
卟啉衍生物选择性有限、近红外吸收/发射弱、超疏水性等缺点阻碍了其进一步的临床应用。因此，合理设计长波长卟啉分子对扩大其生物学应用具有重要意义。2022年，Li等人精心设计并制备了一种基于D-A卟啉核心骨架(PPPor)和PBI的共轭聚合物。制备的P-PPor在NIR-II窗口中表现出较强的发射信号，峰值位于1015 nm处。然而，制备的基于P-PPor的纳米颗粒(PPor NPs)由于ACQ效应而表现出荧光猝灭，进一步限制了NIR-II荧光的应用。最近，Zeng课题组设计并制备了两亲性小分子NIR-II卟啉荧光团(por)。在水溶液中自组装后，PPor NPs描述了70%的PCE和NIR-II荧光能力，从而实现了NIR-II引导的PTT。虽然上述构建策略可以获得NIR-II发射的卟啉分子，但结构修饰固有的复杂性不可避免地给应用带来了一系列障碍。由于分子滑叠排列中多种激子偶极子的耦合，J -聚集体在红移荧光光谱中通常表现出超辐射效应，被认为是打破单个NIR-II分子荧光限制的可行方法。因此，Zhang和同事构建了一种新型缺氧触发的NIR-II J聚集磷光成像探针，通过在传统的Pt(II)-卟啉(PpyPt)的中间位置引入立体苯基环单元，用于体内肿瘤的高特异性成像。简而言之，他们合成了一种NIR-II Jaggregation 5,15-bis(2,6-bis(十二烷基氧基)苯基)-卟啉铂(II) (PpyPt)，并证实了J -聚集PpyPt在结晶状态下的形成。此外，PpyPt在固态下的激发和发射光谱揭示了J聚集的NIR-II荧光特性。此外，制备的水溶性J聚集PpyPt纳米平台(PpyPt NPs 4.76)在水溶液中具有出色的氧敏感性和微秒级的NIR-II磷光寿命。PpyPt NPs 4.76在细胞和荷瘤小鼠中显示出相当大的生物缺氧感应潜力。总之，构建NIR-II J聚集PpyPt为设计NIR-II荧光探针检测肿瘤缺氧提供了一种有效的方法。未来的研究可以继续探索更多的NIR-II J聚集的卟啉分子，特别是稳定和高亮度的荧光团。
双酮吡咯(DPP)
开发新型NIR-II J -聚集体的途径从未停止。双酮吡咯(DPP)具有刚性的平面结构和多个反应位点(C = C, C = O, NH)，使其能够进行NIR-II成像的分子修饰。由于分子内酰胺键、氢键和分子间的相互作用，DPP表现出典型的ACQ效应，在有机溶剂中溶解时表现出较强的荧光强度，而在聚集状态下表现出较弱的荧光。幸运的是，通过DPP分子的烷基化，可以减少分子间的氢键和分子的堆叠，从而显著提高DPP的荧光效率。同时，得益于大的共轭结构和强的吸电子能力，DPP衍生物通过共轭不同的电子给体得到具有电子推拉效应的DA结构，表现出突出的吸收和向近红外区扩展的发射。DPP单元具有吸电子能力强、光热稳定性好、荧光量子产率高、易于修饰等优点，已广泛应用于制备高性能荧光团。目前，已经报道了几种基于DPP分子的NIR-II荧光剂。例如，在2018年，Cheng等人构建了基于dpp的半导体聚合物纳米探针，其最大发射波长为1032 nm，用于活体FI和图像辅助肿瘤手术。Lu等成功制备了NIR-II小分子DPP-BT-TPA，具有良好的生物相容性和1000 nm以上强发射。另一个优雅的例子是Tang的小组提出的，他们提出了一个“扩大吸收库”的新想法来制备NIR-II荧光团。他们选择了具有庞大conJugated结构的DPP单元来开发最高的光子吸收系统。得到的dpp基NIR-II荧光团的PCE为60.4%，QYs为0.1%，发射峰位于1275 nm处。尽管已经报道了NIR-II DPP衍生品，但短期股票变动限制了NIR-II FI的进一步应用。深入了解DPP的分子结构，可以通过改变结构和调整聚集状态来设计J -聚集体。最近，Tang等人提出了一种结构异构化触发的3D D-A互锁网络来调节纳米颗粒制备过程中DPP的分子聚集。首先，以3,6-二甲基修饰的DPP片段为电子受体，与给电子基团甲氧基萘醛偶联，通过一步无金属催化Knoevenagel缩合，合成了两个D-A-D型异构体6MNVDPP和4MNVDPP。进一步分析了6MNVDPP和4MNVDPP在晶体状态下的分子堆叠模式，发现两种异构体均表现为阶梯结构排列和极共轭平面。在4MNVDDP晶体中，层内和层间只形成单一的D-D相互作用，从而产生二维D-D型J聚集。与之形成鲜明对比的是，在6MNVDPP晶体中，同一层的相邻分子通过萘环氢原子与DPP羰基之间的氢键形成双分子间D-A相互作用。此外，分子间的双D-A相互作用也是由层间相邻分子之间的强相互作用形成的。这种空间上的D-A相互作用赋予6MNVDPP强有力的分子间三维构型D-A互锁网络。制备纳米粒子后，光物理测试表明，与单体相比，J聚集的6MNVDPP NPs的最大吸收量发生了178 nm的色移。摩尔消光系数达到3.71 × 104 M−1 cm−1，发射波长扩展到NIRII窗口。此外，6MNVDPP NPs具有良好的ROS生成能力、高PCE(89%)和良好的光热稳定性。理论计算和单晶结构表明，6MNVDPP分子间的D-A相互作用导致层间交错排列和致密堆叠，从而形成致密的3D D-A互锁网状堆积(J -聚集模式)。在静脉注射6MNVDPP NPs后，对荷瘤小鼠进行NIR-II荧光介导的双模光疗，显示出抗癌活性。以上，这种异构化诱导的三维D-A互锁网络策略为开发有机NIR-II J聚集的癌症光治疗剂提供了新的思路。
虽然这项工作为通过调节电子分布形成分子J型堆叠来设计基于dpp的NIR-II J -聚群体提供了一个具有代表性的范例，但进一步的工作几乎停止了。通常，大多数基于dpp的荧光团难以形成“头尾”滑动堆叠的J聚集体，这归因于难以调节分子相互作用与外部条件之间的平衡。未来对J聚集DPP的研究可能会集中在具有多种相互作用的分子荧光团上，从而提供稳定的分子聚集体来满足临床翻译的需要。
苯并[c]噻吩(BT)
为了进一步探索NIR-II J聚集文库，对苯并[c]噻吩(BT)衍生物进行了广泛的研究。BT衍生物被证实是一种活性药效学单位，具有活跃的生物活性，其衍生物具有抗菌、抗癌、抗炎等药用价值，经过化学修饰后，BT已广泛应用于癌症光疗。Tang的研究小组通过诱导苯并[c]噻吩作为构建块，设计并合成了NIR-AIEgens，称为TPA-BT-DPTQ。TPABT-DPTQ被两亲性聚合物DSPE-PEG2000-MAL包封，组装成可水分散的NPs，具有良好的生物相容性、高NIR-II QYs、优异的稳定性和良好的PCE，可用于多种光疗。2020年，Lee的团队通过操纵分子结构，设计了基于BT衍生物的稳定的长波吸收有机纳米颗粒，用于癌症PDT。即使BTs的吸收可以通过从640到802 nm的红移进行修饰，NIR-II的发射也很难实现。幸运的是，在2023年，他们改进了分子设计，并引入了AIE概念来制备NIR-II剂。基于BT3的结构，在doxylamine和BT3之间嵌入一个二甲基苯基，形成一个新的分子BT6。特别是，由于广泛的供体和增强的D-A构象扭曲，分子内电荷转移(ICT)相互作用得到了极大的改善，将BT6的斯托克斯位移扩展到326 nm。制备纳米颗粒后，BT6 NPs表现出明显的红移吸收和J型聚集，在808 nm处吸收增强41倍，同时808 nm激光照射下热量和ROS生成增强。此外，与BT3相比，BT6在THF/water水溶液中表现出AIE效应。总体而言，该贡献构建了基于bt的J -聚集体，具有强亮度，用于体内NIR-II荧光生物成像和癌症光疗，并丰富了J -聚集体工具箱。此外，这种模式还指导了新的J聚集发色团的开发，而不需要合成复杂的分子结构，这对进一步的临床实践具有很大的前景。
喹唑啉酮衍生物
J聚集使有机荧光团具有化学稳定性，并通过有序的堆叠排列形成顽固的纳米聚集，这可能会减少荧光组分在生物组织中的扩散。然而，由于分子间相互作用弱，传统的J聚集在生理组织中容易分解成单体，导致荧光信号稳定性弱，极大地阻碍了生物应用。为了解决这一问题，利用无机介孔硅或两亲性聚合物载体来维持和保护荧光团。不幸的是，这些方法很难设计可激活的J聚集发色团。相对于传统的“永远打开”的J聚集荧光探针，智能可激活荧光团能够在生物标记物的刺激下改变特定的发射信号，具有无与伦比的特异性定位优势。然而，到目前为止，这种量身定制的原位活化NIR-II Jaggregated探针很少被报道，主要原因是其设计不可预测。
最近，Zhang及其同事创新性地提出了一种具有有序J聚集的原位分子自组装方法，以制备可激活的NIR-II荧光探针，用于活体生物成像和肿瘤手术导航。本报告利用喹唑啉酮衍生物(命名为HPQ)的氢键和相互作用制备了智能NIR-II J -聚集体，避免了引入不稳定的外源模板。设计并合成了一系列NIR-II J聚集的荧光团。结果表明，制备的J -聚集体不仅具有明亮的NIR-II荧光信号和优异的水溶液稳定性，而且具有抗扩散性能。此外，优化后的NIR-II Jaggregation荧光团(HPQ-Zzh)可以通过羟基修饰进一步转化为ONOO−响应探针。基于鼓舞人心的结果，可激活的NIR-II J聚集荧光团实现了体内ONOO -原始成像和NIR-II荧光辅助肿瘤切除。总体而言，本研究提供了原位有序堆叠排列工程的创新范例，提供了NIR-II J聚集荧光团，为J聚集策略促进分子成像开辟了新的视角。然而，考虑到动态和复杂的生理条件，将这种可激活NIR-II J-aggregate的病理参数推进到临床应用仍然是一个挑战。
结论与展望
NIR-II显像剂近年来受到了科学界的广泛关注。NIR-II荧光J聚集体的出现为NIR-II显像剂的设计带来了新的思路。由设计良好的荧光团单体制备的NIR-II J -聚集体显示出明显的向NIR-II区域的色移发射和延长的库移，这有利于NIR-II FI。在这篇文章中，我们系统地总结了通过引入官能团来调节光子分子间和分子内相互作用来制备J型堆叠排列的调节策略。随后，我们总结了具有代表性的NIR-II J聚集OSFs的最新进展，并利用NIR-II FI进行生物组织可视化和深层组织分子分析。目前，对NIR-II J -聚集体的研究仍处于早期阶段，适当的分子设计为临床应用的J -聚集体的开发提供了希望。
参考文献
J-Aggregation Strategy toward Potentiated NIR-II Fluorescence Bioimaging of Molecular Fluorophores,Xiaoming Hu, CaiJun Zhu, Fengwei Sun, ZeJing Chen, Jianhua Zou,* Xiaoyuan Chen,* and Zhen Yang*, Adv. Mater. 2024, 36, 2304848, https://doi.org/10.1002/adma.202304848
