内容摘要
本综述系统总结近红外二区荧光成像的最新研究进展，重点介绍日益丰富的、具有可调控近红外二区发射波长的生物相容性有机荧光团。文中强调了多种优化策略，以提升有机荧光团在吸收/发射波长、荧光量子产率和生物相容性方面的性能。本文总结并介绍了有机荧光团在血管成像、淋巴成像、肿瘤成像、器官成像、成像引导治疗及生物传感器中的多种应用。最后讨论了有机荧光团向临床转化过程中面临的当前挑战与未来展望。
近红外二区荧光成像用有机荧光团
近红外二区荧光成像是一种依赖荧光物质的成像技术。当受到激发光照射时，近红外二区有机荧光团会从基态（S₀）被激发至激发态（S₁）；处于激发态的有机分子从S₁态通过辐射跃迁回到S₀态时，会发射近红外二区荧光。通过检测这些近红外二区荧光信号，可获取组织内部的结构和功能信息。近红外二区有机荧光团包括共轭小分子（CSMs）和半导体聚合物（SPs）。其中，共轭小分子含有双键、芳环等多个结构单元，电子可在这些结构单元间自由移动，因此具有独特的光电性能。经过不断发展，共轭小分子已形成多个体系，以花青染料和D-A结构共轭小分子为代表的材料在荧光成像中展现出良好的适用性。半导体聚合物是由一种或多种共轭小分子单元/基团通过聚合偶联形成的大分子，分子量通常为10⁴-10⁶，聚合物内部形成单体单元与不同单元相连的共轭结构。这种共轭体系赋予半导体聚合物优异的光电性能，如较长的吸收/发射波长和较高的荧光亮度，有助于提升近红外二区荧光成像质量。
花菁染料
1856年，Williams通过喹啉与碘戊烷的反应首次合成了花青染料。这类染料由含奇数个碳原子的共振次甲基链或甲川链构成，链的两端连接两个含氮杂环，形成共轭链。独特的结构使花青染料具有诸多优势：摩尔消光系数高、吸收/发射谱带窄、荧光光谱可从紫外-可见光区调控至近红外区；且细胞毒性低，可在活细胞和组织中进行长时间成像而不造成细胞损伤。目前，已有多种花青染料实现商业化，如噻唑橙（TO-NH）、MnO-PEG-Cy5.5纳米颗粒、IRDye800-CW、BTC1070等。值得注意的是，吲哚菁绿（ICG）是目前唯一获FDA批准用于临床诊断的花青染料。传统花青染料存在吸收/发射波长较短、在溶剂中易发生荧光猝灭、稳定性较差等缺点，限制了其进一步的生物医学应用。为克服这些挑战，研究人员投入大量精力开发光学性能更优的花青染料。随着各类优化方法的探索与成熟，花青染料得到了蓬勃发展，在近红外二区荧光/光声（FL/PA）成像、肿瘤手术引导、光疗等领域展现出巨大潜力。2018年，Zhang团队报道了一种新型花青染料FD-1080，其最大激发波长和发射波长分别为1064nm和1080nm。与临床批准的ICG染料相比，FD-1080在连续激光照射下表现出优异的光稳定性。FD-1080的量子产率为0.31%，与胎牛血清（FBS）形成复合物后，量子产率可提升至5.94%，能够实现小鼠左后肢血管、腹部血管和脑血管的深层组织高分辨率活体成像。该团队又开发了一系列稳定且波长可调的花青染料CX-1、CX-2、CX-3。在极性非质子溶剂氯仿中，它们的最大吸收/发射波长分别为883/920nm、981/1032nm、1089/1140nm。研究人员选用在近红外二区亮度最高的CX-2对裸鼠进行淋巴引流荧光成像：将CX-2皮内注射到裸鼠后爪，10分钟后获得荧光图像；在高倍镜下，可清晰观察到后肢踝关节处至少3条侧淋巴管。侧淋巴管横截面强度分布的最大特征分辨率为0.48mm，信号背景比（SBR）为17.4。
D-A结构共轭小分子
D-A结构共轭小分子是一类具有特定分子结构的有机化合物，分子中同时含有电子供体（D）和电子受体（A），且通常呈现D-A、D-A-D、A-D、A-D-A等多种排列方式。这种独特的分子结构赋予其优异的光电性能：化学结构明确、光学性能稳定、消光系数高、代谢性能优异、生物相容性好，使其成为近红外二区有机荧光团的研究热点。在D-A结构共轭小分子中，供电子基团与吸电子基团通过共轭连接相互作用，电子可在共轭结构中快速转移，因此该类分子具有较高的荧光量子产率、较快的响应速度和较大的斯托克斯位移。
通过精确调控供体、受体基团及其共轭连接单元，D-A结构共轭小分子可实现分子内电荷转移（ICT），进而灵活调节ICT特性。分子内ICT效应的调控会影响材料的光学带隙、吸收范围等关键性能。优化D-A结构共轭小分子中强电子供体与电子受体的空间排列，可缩小最高占据分子轨道（HOMO）与最低未占据分子轨道（LUMO）之间的能级差，使荧光发射波长迁移至近红外二区窗口。
在D-A结构小分子中，供体（D）和受体（A）的类型与性能对小分子的整体性能至关重要，通过合理搭配可实现更优性能。例如，Fan等人通过引入不同的供体和受体单元调控带隙，设计合成了四种π共轭化合物（TF、TTF、BF、BTF）。研究选用缺电子苯并噻唑衍生物（包括噻二唑并喹喔啉TTQ、苯并双噻二唑BBTDT）作为电子受体，富电子芴单元作为供体基团，同时起到屏蔽作用，显著提升了荧光量子产率。为解决荧光猝灭问题，研究人员基于近红外二区激发的D-A-D结构构建了两性离子荧光团（BTFQ）。在二氯甲烷中，BTFQ的近红外二区荧光量子产率为0.65%；与二肉豆蔻酰磷脂酰胆碱（DMPC）结合形成两性离子-脂质体纳米制剂（BTFQ/DMPC）后，其在水中的量子产率损失极小，约为0.63%。基于优异的荧光性能，研究人员对BTFQ/DMPC进行了活体成像评估：在808nm和1064nm激光照射下，注射0.1小时后即可获得小鼠脑部、腹部和后肢血管的近红外二区荧光图像。与808nm激发相比，1064nm激发下的血管成像清晰度显著提升——脑部、腹部、后肢血管在1064nm激发下的信号背景比（SBR）分别为7.69、8.62、14.28，是808nm激发下（SBR分别为3.44、1.99、2.71）的2-5倍。研究人员还探究了BTFQ/DMPC在肿瘤中的荧光成像能力：注射4小时后，小鼠肿瘤部位出现近红外二区荧光信号，12小时达到峰值。
Chen等人合成了CQS1000纳米颗粒，将D-A小分子包裹在磷脂中。该纳米颗粒可动态观察正常和病理状态下的血液循环过程，以及肿瘤血管生成、淋巴系统及其病理状态下的响应；还可用于成像引导手术，尤其是前哨淋巴结活检，通过区分肿瘤供血和淋巴引流，实现肿瘤的精准完整切除，以提高患者生存率并降低复发率。Tang团队合成了具有聚集诱导发光（AIE）特性的D-A结构小分子（BPN-BBTD），并通过F127包裹制备成纳米颗粒（BPN-BBTDNPs）。BPN-BBTDNPs的发射光谱较宽（800-1300nm），在近红外二区窗口具有较高的量子产率；且光热转换效率达39.8%，可实现荧光成像引导的光热治疗，有效清除皮下膀胱肿瘤。
半导体聚合物
半导体聚合物（SPs）是分子量较高（10⁴-10⁶）的大分子，由大量分子单元通过共轭键连接而成，在材料科学、电子学、光学成像等多个领域具有广泛应用。与单体相比，半导体聚合物的荧光量子产率显著提升。普通有机小分子的摩尔消光系数相对较低，限制了其在近红外二区成像（尤其是低功率密度下深层组织成像）中的应用。通过增加共轭聚合物的重复结构单元数量，可有效提升其光吸收系数，进而提高整体亮度。半导体聚合物还具有光稳定性好、易修饰功能化、生物相容性好等优势，在近红外二区成像领域展现出巨大潜力。目前，已有多种半导体聚合物被报道用于近红外二区荧光成像，如PDFT1032、m-PBTQ4F、Pttc-SeBTa-NIR1380等。
2014年Dai团队首次报道将半导体聚合物用作近红外二区有机荧光团。他们构建了一系列吸收和发射波长可调的供体-受体结构半导体聚合物，发射波长可在1050-1350nm范围内调控。其中，pDA的吸收峰和发射峰分别为654nm和1047nm，斯托克斯位移较大（约400nm）。为满足生物应用需求，研究人员通过非共价方式将pDA与DSPE-mPEG（5kDa）结合，使其具有良好的水溶性和生物相容性；所得pDA-PEG用于血管近红外二区荧光成像时，在极低的曝光时间（20ms）下即可观察到直径小于10μm的毛细血管。光声成像（PAI）是一种无创、无电离辐射的成像方式，将其与荧光成像结合，可实现结构、功能及分子特异性的综合成像。例如，Liu等人报道了具有近红外二区荧光成像和光声成像双功能的PBT纳米颗粒，用于脑部诊断——该纳米颗粒的吸收峰和发射峰分别为998nm和1156nm，便于活体近红外二区荧光成像；信号检测限低至12.5μg・mL⁻¹，表明在1064nm激光照射下，PBT纳米颗粒具有强的光声信号生成能力和高的光声灵敏度。这些性能使PBT纳米颗粒成功实现了血流动力学和脑血管的近红外二区荧光成像，以及脑部微肿瘤的近红外二区光声成像。
张团队设计了一系列A-D₁-A-D₂结构的半导体聚合物（P1、P2、P3），以BBT为强受体，BT和TS为供体，且供体摩尔比不同。由于P2的近红外二区荧光亮度较高，研究人员将其包裹在聚乙二醇化磷脂中，制备成水溶性纳米颗粒（P2NPs）——该纳米颗粒具有强的近红外二区吸收、优异的近红外二区荧光性能和强的近红外二区光声信号，最大吸收波长和发射波长分别为920nm和1120nm。在143B肿瘤小鼠模型中注射P2NPs后，在1064nm激光照射下，肿瘤部位出现明显的近红外二区荧光信号；随时间推移，肿瘤部位信号显著增强，注射12小时后达到峰值。与近红外二区荧光成像相比，近红外二区光声成像具有更深的组织成像能力，可提供实体肿瘤组织的三维视图；同样，在1064nm照射下，肿瘤区域的近红外二区光声信号随时间增强，注射12小时后积累量达到最大值。
有机荧光团的设计优化策略
尽管近红外二区有机荧光团具有优异的光捕获能力、高光稳定性和低毒性，但应用于近红外二区荧光成像时，仍面临荧光量子产率偏低、吸收/发射波长较短、生物相容性有限等问题。因此，通过优化策略设计具有高荧光量子产率、长吸收/发射波长、良好生物相容性的有机荧光团，是该领域的迫切需求。
提升荧光量子产率
荧光量子产率（QY）是衡量有机荧光团发光性能的核心参数之一，其提升意味着有机荧光团可将更多能量转化为光能，从而优化发光效率；亮度提升可有效提高信噪比，进而增强成像的清晰度和灵敏度，这对近红外二区荧光成像领域的研究与应用具有重要意义。提升有机荧光团荧光量子产率的有效策略包括但不限于：（1）引入空间位阻；（2）插入屏蔽单元；（3）抑制分子内扭转电荷转移态（TICT）；（4）与蛋白质形成复合物；（5）构建具有聚集诱导发光（AIE）特性的有机荧光团。
引入空间位阻
聚集诱导猝灭（ACQ）是指有机荧光团形成聚集体时，荧光信号减弱甚至完全猝灭的现象，是导致花青染料荧光亮度降低的主要原因之一。空间位阻是指分子内基团的空间排列产生相互排斥的作用，这种排列会改变分子构型、对称性和反应活性。通过引入空间位阻，可减少分子间相互作用、抑制聚集，从而缓解ACQ效应。引入较大基团形成空间位阻，是抑制ACQ、提升荧光量子产率的有效策略。Zhan团队报道了一系列七甲川花青染料（HCs）。将其与大体积的四（五氟苯基）硼酸盐（F₅-TPB）组装后，HC1222/F₅-TPB和HC1342/F₅-TPB纳米颗粒的亮度分别是其母体形式的14倍和13倍。F₅-TPB能有效隔离染料分子，抑制其聚集；这种F₅-TPB组装策略不仅避免了聚集和自猝灭引起的荧光猝灭问题，还保留了近红外二区光谱的多通道检测能力。熊团队以双（二氟化硼）-8-咪唑二吡咯烷基亚甲基（BOIMPY）为电子受体，N,N-二苯基噻吩-2-胺为电子供体，设计合成了D-A-D结构有机小分子NK1133。然而，NK1133在水溶液中会发生严重的ACQ效应，导致其最大吸收峰从990nm蓝移至787nm。研究人员进一步合成了在BOIMPY核心上带有两个4-叔丁基苯基的小分子NK1143，并将其与空间位阻调节剂SC12以及DSPE-PEG2000共同组装，制备成纳米颗粒（NK1143-SC12-NPs）。在980nm或808nm激光照射下，对比NK1143-SC12-NPs、NK1143-NPs、NK1133-SC12-NPs的近红外二区荧光强度，发现NK1143-SC12-NPs的荧光强度最高。这表明，NK1143与SC12结合形成的大空间位阻在协同提升荧光亮度方面发挥重要作用——空间位阻调节剂的加入大幅抑制了ACQ效应，显著提高了荧光亮度。SC12除了能显著提升NK1143和NK1133的荧光强度外，还能通过抑制分子间π-π相互作用，提高多种已知荧光染料（如ICG、IR-820、IR-1061、Et-1080）的亮度。与NK1133-SC12-NPs和ICG相比，NK1143-SC12-NPs的组织穿透深度更深（达8mm）。将NK1143-SC12-NPs静脉注射到BALB/c小鼠体内5分钟后，在980nm激光激发下可观察到小鼠全身血管系统。
插入屏蔽单元
D-A结构荧光团通常具有较大的共轭骨架，以在近红外二区窗口发射荧光。然而，共轭骨架与其他分子间的相互作用会导致荧光减弱，尤其在水环境中易发生荧光猝灭。为提升近红外二区有机荧光团在水溶液中的亮度，研究人员将屏蔽单元调节策略引入近红外二区有机荧光团的设计中。在近红外二区有机荧光团的骨架中插入屏蔽单元，可减少有机荧光团分子间的作用力，减弱其与溶剂分子的相互作用。例如，Pu团队合成了具有S-D-A-D-S结构的近红外二区小分子CDIR2——以苯并[1,2-c:4,5-c']双[1,2,5]噻二唑（BBTD）为受体，3,4-乙氧基二氧噻吩（EDOT）为供体，二烷基芴为屏蔽单元（S）；同时合成了对照荧光团CCD。在PBS缓冲液中，CDIR2的吸收峰约为770nm；808nm激发下，发射峰最大值为1050nm。相比之下，CCD的吸收峰和发射峰分别为695nm和720nm。CDIR2在PBS中的荧光量子产率为2.2%，高于已报道的CH1055PEG（0.3%）和PEG包覆的IR1061纳米颗粒（0.5%）。
Liu等人以烷氧基链取代的苯为屏蔽单元，苯并[1,2-c:4,5-c']双[1,2,5]噻二唑（BBTD）为受体，3-（2-（2-（2-甲氧基乙氧基）乙氧基）乙氧基）（TEG）取代的噻吩为供体，设计合成了一系列S-D-A-D-S结构的近红外二区有机荧光团。通过改变烷氧基链在苯屏蔽单元上的连接位置，得到了BGM6P、BGP6P、BGO6P三种荧光团，均在1000nm以上产生近红外二区荧光发射。屏蔽单元中烷氧基链的排列位置越靠近分子骨架，对分子骨架的保护效果越好，荧光量子产率越高。烷氧基链在屏蔽单元上的连接位置对荧光团的荧光量子产率影响显著：其中BGM6P的荧光量子产率最高（0.12%），优于BGP6P（0.056%）和BGO6P（0.019%）。因此，在808nm激光激发下，相同浓度的BGM6P水溶液亮度最高（9.72），超过BGP6P（5.43）和BGO6P（2.01）。这些结果表明，BGM6P在活体生物成像应用中具有显著优势。
抑制分子内扭转电荷转移态（TICT）
分子内扭转电荷转移态（TICT）是分子内电荷转移（ICT）的一种特殊形式，指分子中电子从供体转移到受体的同时，分子结构发生扭转变化。TICT态会导致吸收/发射波长红移，但同时也会使有机荧光团的荧光猝灭、光稳定性下降。具体而言，处于TICT态的分子，其供体或受体会逐渐扭转至垂直构象，导致电荷完全分离，从而减少荧光发射。因此，适当抑制TICT现象的发生，可显著提升有机荧光团的荧光强度和光稳定性。自1962年TICT首次被报道以来，研究人员已开发出五种抑制TICT的策略：（1）通过环化使结构刚性化；（2）调节吸电子或供电子能力；（3）引入大体积旋转基团影响溶剂-溶质相互作用；（4）减小取代基的空间体积；（5）使用合适的两亲性脂质体。例如，Fan团队将噻吩重复链单元（噻吩、联噻吩、三联噻吩）与酯取代的噻吩并[3,4-b]噻吩（TT）共聚，制备了三种不同长度的醌型聚合物（TT-T、TT-2T、TT-3T）。随着噻吩重复单元长度的增加，聚合物内供电子基团密度降低，ICT效应减弱，醌型聚合物的近红外二区荧光强度显著提升。通过纳米沉淀法，使用F127将这些聚合物包裹成纳米颗粒（TT-TCPs、TT-2TCPs、TT-3TCPs）。结果表明，随着噻吩链单元长度的增加，醌型聚合物中的ICT效应减弱；ICT效应的减弱有效增强了醌型聚合物的近红外二区荧光信号，证明抑制TICT效应可有效提高荧光亮度。研究人员选择性能最优的醌型聚合物探针TT-3TCPs进行高效活体近红外二区荧光成像：无创活体细胞追踪实验表明，TT-3TNPs在活鼠体内具有长期稳定性；此外，TT-3TCPs在观察血液循环和淋巴系统方面也表现出良好的成像质量。
与蛋白质形成复合物
与特定蛋白质结合也可提高荧光团的亮度。蛋白质-荧光团复合物形成对荧光量子产率的影响是一个复杂的生物过程，受多种因素影响，包括但不限于蛋白质的固有特性、荧光团与蛋白质的相互作用机制、复合物形成的具体条件等。在荧光团与蛋白质相互作用过程中，荧光团的电子结构和能量状态可能发生改变，进而导致其荧光量子产率变化。具体而言，蛋白质可能与荧光团形成静电相互作用、氢键、范德华力等化学键，导致荧光团激发态能量改变，进而影响其荧光发射过程。Dai团队将CH1055的官能团从羧酸转化为磺酸，制备得到CH-4T。CH-4T与血浆蛋白质结合形成超分子组装体，显著提升了其荧光亮度：与游离的CH-4T相比，当CH-4T与胎牛血清（FBS）混合时，在900-1500nm波长范围内，荧光强度显著提升35倍；CH-4T在血清中的荧光强度比在PBS中提升50倍，量子产率高达5%；此外，将染料在血清中加热至70℃并保持10分钟，量子产率可进一步提升至11%。Chen等人将花青染料ICG、IR-12N3、IR-783分别与牛血清白蛋白（BSA）结合，制备得到ICG@BSA、IR-12N3@BSA、IR-783@BSA。单体荧光探针与白蛋白之间的纳摩尔级结合亲和力，提升了荧光量子产率。研究人员通过将每种染料从室温加热至90℃，测试了BSA存在下荧光团的温度依赖性：在约60℃时，荧光强度提升约6倍。使用优化后的IR-783@BSA复合物进行高对比度实时近红外二区血管造影：在1300nm长通滤波片下记录小鼠后肢血管，进一步评估了IR-783@BSA复合物的近红外二区成像能力。与游离的花青素染料相比，设计的IR-783@BSA复合物具有更高的血管分辨率和成像范围。
构建具有聚集诱导发光（AIE）特性的有机荧光团
聚集诱导发光（AIE）的原理基于分子内运动受限：在柔性分子结构中，分子内运动显著促进非辐射衰减过程；而在聚集状态下，分子构象受限导致分子内运动受到抑制，从而减少辐射能量损失，增强荧光发射。从聚集诱导猝灭（ACQ）的角度来看，分散的有机分子通过激发态的辐射跃迁产生强荧光；当分子聚集时，由于分子间π-π相互作用或其他非辐射途径，会形成激发态聚集体或激基复合物，消耗激发态能量，导致发光猝灭。为提升这类分子的荧光量子产率，可引入AIE活性单元，构建具有AIE特性的有机荧光团。在溶液中，单个AIE分子的动态旋转和振动模式主要通过非辐射弛豫消耗激发态能量，导致荧光亮度显著降低；而在聚集状态下，AIE分子固有的扭曲骨架会抑制聚集体内的π-π相互作用，同时分子内运动受到限制，非辐射弛豫被抑制，辐射衰减途径被激活，从而产生强荧光发射。例如，Tang团队采用TICT和AIE策略，设计了三种D-A型AIE分子（2TT-oC6B、2TT-oC26B、2TT-oC610B）——分别实现发射波长延长和TICT导致的荧光衰减抑制。这些分子的最大发射波长分别为1034nm、1031nm、1029nm，荧光量子产率较高（分别为9.1%、11.5%、8.4%）。将这些分子组装成纳米颗粒后，选择荧光亮度最高的2TT-oC26BNPs进行血管造影——使用铟镓砷（InGaAs）相机，搭配不同的长通滤波片（1100nm、1200nm、1500nm）记录成像。静脉注射2TT-oC26BNPs10分钟后，可观察到小鼠全身血管网络；在1100nm、1200nm、1500nm长通滤波片下，所选区域的半高全宽（FWHM）分别为0.58mm、0.56mm、0.41mm，表明其具有较高的空间分辨率。使用2TT-oC26BNPs对Balb/c裸鼠进行静脉注射后，可清晰描绘脑部血管，分辨率约为71.6μm。得益于自体荧光的显著降低和光子散射的最小化，2TT-oC26BNPs实现了高性能近红外二区血管造影，具有高分辨率和高信号背景比。
吸收/发射波长红移
激发波长和发射波长的红移有利于增加组织穿透深度、提高成像分辨率。目前，实现有机荧光团吸收/发射波长红移的策略主要分为三类：（1）延长有效共轭长度并引入杂原子；（2）构建J-聚集体；（3）调节供体和受体。
延长有效共轭长度并引入杂原子
延长共轭长度可有效拓宽分子的π电子云分布，使电子更易在分子内移动；电子离域性的增强会导致分子能级变化，进而影响其吸收和发射光谱。在遵循“花青极限”的前提下，通过增加亚甲基数量，可延长花青染料的有效共轭长度；共轭体系的扩大使分子能级差减小，从而导致吸收和荧光发射波长红移。2017年，Sletten团队以7-N,N-二甲基氨基-4-甲基黄酮鎓为基础，设计合成了一系列聚次甲基染料，包括Flav1、Flav3、Flav5、Flav7。通过增加亚甲基单元数量和优化两端杂环的推电子能力，合理调节分子的有效共轭长度；共轭链的延长使染料的吸收和发射波长成功红移——吸收波长从650nm延长至1026nm，发射波长从680nm延长至1045nm。这些改进提升了染料的光学性能，为其在相关领域的应用提供了更广阔的可能。杂环修饰是延长共轭长度的另一种有效方法，有利于分子吸收/发射波长的红移。例如，Jiang团队通过在氟硼二吡咯（BODIPY，简称BDP）两侧连接碘（I）原子，合成了D-A-D结构分子BDP-I-N；随后，将碘原子替换为作为供体的噻吩单元（T），制备得到BDP-T-N；最后，通过自组装策略制备了BDP-T-N-PS-g-PEG纳米颗粒。噻吩供体的引入增加了荧光分子的共轭长度：在甲苯/PBS中，BDP-I-N和BDP-T-N的吸收波长分别为738/746nm和752/772nm；此外，BDP-T-N-PS-g-PEG纳米颗粒在近红外二区窗口（950-1350nm）表现出强发射，且在不同pH值下荧光亮度稳定。
构建J-聚集体
J-聚集体是一种高度有序的分子聚集体，采用“头-尾”滑动堆积模式，可实现J-聚集体激子的建设性耦合，具有独特的光化学和光物理特性，如吸收峰（λₐᵦₛ）和发射波长（λₑₘ）红移、消光系数增加、光谱带宽变窄、光学稳定性提高等。具有平面共轭结构的荧光分子在水溶液中易形成J-聚集体；与单个荧光分子相比，自组装形成的J-聚集体可实现吸收-发射波长的红移。例如，Zhang团队通过将FD-1080与1,2-二肉豆蔻酰-sn-甘油-3-磷酸胆碱（DMPC）组装，制备了FD-1080J-聚集体。FD-1080J-聚集体的最大吸收波长和发射波长分别为1360nm和1370nm，与FD-1080单体相比，红移约300nm。使用FD-1080J-聚集体对大鼠后肢和脑血管进行活体生物成像，在1300-1500nm范围内表现出高的空间分辨率和光学分辨率。Fan团队基于二酮吡咯并吡咯（DPP）结构，精心设计合成了新型小分子DPP-OPIC——DPP-OPIC具有较长的共轭长度，在近红外一区具有强吸收性能；组装成纳米颗粒后，形成J-聚集体，使其能在近红外二区发射荧光。Liu团队设计了一种BODIPY染料PCP-BDP₂。通过在BODIPY的中位引入[2,2]对环烷（PCP）基团，使其在水溶液中易形成J-聚集体：PCP-BDP₂J-聚集体（J₁）在近红外一区的发射峰为900nm，仅结晶粉末（J₂）在近红外二区的发射峰为1010nm。将PCP-BDP₂与F127共沉淀后，组装成纳米颗粒的J-聚集体（PCP-BDP₂NPs）在近红外二区发射强荧光，荧光量子产率高达6.4%。静脉注射PCP-BDP₂NPs后，对小鼠脑部血管和后肢进行活体近红外二区成像：可清晰观察到脑部和后肢的血管，与周围背景组织区分明显；在相同成像条件下，PCP-BDP₂NPs的亮度和清晰度远高于ICG，表明其成像质量优于ICG。
调节供体和受体
受体和供体单元的电子结构及电荷分布对有机荧光团的波长具有显著影响。在D-A结构共轭小分子中，受体-供体单元通过共价键紧密连接，形成独特的推拉电子系统；这种推拉效应导致分子内电荷分布不平衡，形成电荷转移态。电荷转移态的存在使分子在吸收光谱中产生新的吸收带，且该吸收带与受体、供体单元的特性密切相关。具体而言，当能级差较大时，分子吸收较高能量，吸收波长较短；反之，当能级差较小时，分子吸收较低能量，吸收波长较长。Cheng团队采用受体工程策略优化近红外二区荧光团，验证了受体与荧光性能之间的相关性。首先，探究了以BBT、PTQ、TQT为受体对吸收/发射波长的影响：与PTQ-2Br相比，TQT-2Br和BBT-2Br的吸收/发射波长显著红移。研究人员对以BBT、PTQ、TQT为受体、相同的9,9'-二烷基取代芴为供体的D-A-D结构荧光团（FTs）进行了理论计算：结果显示，FT-TQT和FT-BBT的带隙（ΔE）均约为1.3eV，远窄于FT-PTQ的带隙（ΔE≈1.6eV）。这种差异可归因于TQT和BBT更强的吸电子能力。基于这些结果，研究人员合成了含有BBT和TQT片段的荧光团。在808nm处吸光度相同（0.1）的条件下，近红外二区荧光成像定性显示FT-BBT和FT-TQT的亮度不同；定量结果表明，使用1100nm、1250nm、1350nm长通滤波片时，FT-TQT的荧光强度分别是FT-BBT的6.6倍、4.9倍、2.3倍。FT-BBT和FT-TQT的吸收光谱峰分别约为845nm和770nm，FT-TQT的发射峰为1034nm在浓度为10μm、808nm激发下，FT-BBT的荧光发射可忽略不计；在甲醇中，FT-TQT、FT-BBT和已报道的CH-4T的量子产率分别计算为0.49%、0.23%、0.11%。在血管成像研究中，与FT-BBT相比，FT-TQT对血管的成像对比度更高；与牛血清蛋白（FBS）结合后，FT-TQT的荧光亮度显著提升。使用FT-TQT@FBS进行脑血管荧光成像时，可透过头皮和颅骨观察到微血管； FT-TQT@FBS还能对肿瘤血管进行高保真度实时成像，实现肿瘤血管破坏的监测。
电子供体对荧光分子的吸收/发射波长也有显著影响。Wang团队通过供体修饰工程，同时优化了荧光分子的荧光亮度和吸收波长。他们设计了三种结构相似的D-A-D分子（CTBT、DCTBT、DTITBT），并制备成纳米颗粒（NPs）。在四氢呋喃（THF）中，CTBT、DCTBT、DTITBT的吸收/发射波长分别为669/863nm、699/988nm、756/1085nm；在水中，CTBTNPs、DCTBTNPs、DTITBTNPs的吸收/发射波长分别为680/976nm、716/1008nm、776/1090nm。与CTBTNPs相比，DCTBTNPs的吸收/发射波长更长；而与DTITBTNPs相比，DCTBTNPs的荧光亮度更高。因此，研究人员将DCTBTNPs应用于小鼠脑部深层活体双光子荧光（2PF）成像，能够检测并成像小鼠脑部深层区域的血管。花青染料也具有推拉电子结构，其中不饱和含氧或含氮基团（如酰基、硝基）可调节π共轭体系中的电子密度，使π共轭体系的吸收/发射波长发生位移，并形成富电子或缺电子区域。由于电荷转移态的存在，这类分子在可见光和近红外区域主要表现出新的吸收带。为调节电子推拉系统，可采用多种策略，包括杂原子取代、增强供体单元的供电子能力、杂环修饰等。例如，Qian团队合成了一种萘酰亚胺修饰花青骨架的近红外染料ML880与IR820相比，萘酰亚胺基团的引入使ML880的电子离域性增强，发射波长红移更显著。在二甲基亚砜（DMSO）中，ML880的最大吸收波长和发射波长分别位移至880nm和912nm。
改善生物相容性
有机荧光团的水溶性是其生物应用的关键。疏水性有机荧光团可能与体内生物分子发生非特异性相互作用，且易发生聚集，形成无法通过肾脏排泄的大尺寸荧光探针，可能损害排泄功能。此外，大多数长波长荧光探针在光激发条件下易发生分解或异构化，且可能被体内活性生物分子降解，稳定性较差。提升生物相容性和稳定性的策略主要分为两类：（1）通过分子工程方法，在疏水性有机荧光团上引入亲水性基团；（2）通过纳米沉淀法，使用两亲性材料包裹疏水性有机荧光团。
亲水性分子修饰
在疏水性分子上引入亲水性基团，主要是为了增强其水溶性和生物活性，使其更易在靶向部位积累，以实现诊断或治疗目的。例如，Hong等人报道了羧基化D-A-D染料CH1055。在这项研究中，通过Suzuki交叉偶联反应，将四个羧基引入D-A-D型荧光化合物中，显著增强了其水溶性，并通过保护/脱保护策略，使其易于与靶向配体偶联。为进一步提高溶解度，研究人员对CH1055的羧基进行聚乙二醇（PEG）修饰。PEG修饰后的CH1055具有优异的水溶性，荧光发射峰为1055nm，分子量（8.9kDa）远低于肾脏排泄阈值（10kDa）。药代动力学分析表明，CH1055-PEG通过尿液快速排泄，注射后24小时内肾脏清除率超过90%。
两亲性聚合物包裹
采用典型的纳米沉淀法，使用两亲性聚合物包裹疏水性有机荧光团，可显著提高有机荧光团的生物相容性和稳定性。常用的两亲性包裹基质包括PEG-b-PPG-b-PEG（F127）、1,2-二硬脂酰-sn-甘油-3-磷酸乙醇胺-N-[聚乙二醇（DSPE-PEG）]、聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）-PEG等。具体而言，制备纳米颗粒的常用方法有三种：微乳液法、纳米沉淀法、自组装法。本文中提及的部分案例已采用两亲性聚合物包覆的方法提高生物相容性。例如，IR-1061是一种商用的水不溶性聚甲基丙烯酰胺染料，仅溶于二氯甲烷（DCM）和1,2-二氯乙烷（DCE）。为使IR-1061具有水溶性，Dai等人将其嵌入两亲性聚合物聚丙烯酸（PAA）中，形成纳米颗粒；随后，用表面活性剂DSPE-mPEG（聚乙二醇共轭磷脂）处理所得纳米颗粒，制备得到IR-PEG纳米颗粒。通过PEG化磷脂对纳米颗粒进行非共价表面修饰，显著增强了其在水环境（如血清、血液）中的稳定性，减少了与生物分子（如蛋白质）的非特异性相互作用，并为其体外和体内应用提供了生物相容性。值得注意的是，在水溶液中，IR-PEG纳米颗粒的光稳定性优于在DMSO中的游离IR-1061。这些结果表明，基于共轭小分子的近红外二区有机荧光团已成功制备并实现了水溶液中的稳定分散。
近红外二区有机荧光团的生物医学应用
荧光成像是一种无创可视化技术。近红外二区有机荧光团经静脉或局部给药后，在特定波长激发下会发射可检测的荧光信号。与传统近红外一区探针相比，近红外二区有机荧光团在成像深度、空间分辨率和检测灵敏度方面均有显著提升，在血管成像、淋巴mapping、肿瘤勾画、光热治疗（PTT）/光动力治疗（PDT）引导、手术导航、器官可视化、生物传感等生物医学应用中具有广阔前景。
血管成像
近红外二区荧光成像（NIR-IIFLI）能让医学研究者和临床医生更直观、准确地了解血管的结构与功能，进而助力疾病的早期发现、精准诊断和有效治疗。将血管内近红外荧光成像与血管内超声技术相结合，可精准评估动脉斑块炎症、支架相关炎症等血管病变，为心血管疾病的诊疗提供支持。此外，该技术还可用于测量血流速度，评估血管栓塞和血脑屏障（BBB）损伤情况。近期，Dai团队通过给体工程设计合成了一系列小分子，其中亮度最高的IR-FTAP被用于小鼠后肢血管的近红外二区荧光成像，展现出高时间分辨率和空间分辨率。将IR-FTAP溶解于PBS后静脉注射，小鼠后肢血管与周围组织可清晰区分，且在单个心动周期（118-143ms）内即可观察到明显的血流变化。其信号-背景组织比（S/T）经测定为4.9±0.3，在相同注射剂量和成像参数下，显著高于IR-FEP的信号-背景组织比（3.8±0.2）。Zhang团队研究表明，FD-1080可实现小鼠左后肢血管、腹部血管及脑血管的深层组织高分辨率活体成像。该团队开发的另一款近红外二区探针LZ-1105，可用于小动物动态血管结构变化的长期成像。药代动力学研究显示，LZ-1105在体内的循环半衰期超过3小时，能够实现对血管动态结构变化的长期监测。同时，LZ-1105还可实时定量监测活体小鼠股动脉血流速度、血栓溶解过程，以及血脑屏障（BBB）的暂时性开放与恢复情况。因此，这项研究为研究者深入理解血管动态过程提供了有力支持。Liang团队开发的IR-FP8P经尾静脉注射后，在1300nm长通滤光片下可清晰区分小鼠腹部和后肢更复杂的血管网络。在1300nm长通滤光片下，后肢血管的信号-背景组织比（S/T）为6.9±0.5。Fan团队制备的TTDT-TF纳米颗粒（TTDT-TFNPs）具有优异的近红外二区血管造影能力，静脉注射后，可对小鼠全身、脑部、后肢及腹部血管进行高时空分辨率成像。Feng团队报道的具有聚集诱导发光（AIE）特性的L1013纳米颗粒（L1013NPs），可在极低功率密度（4.6-40mW・cm⁻²）和极短曝光时间（40-100ms）下用于小鼠近红外二区荧光成像，实现对小鼠后肢和脑血管的无创实时成像。静脉注射L1013NPs后，可观察到小鼠脑血管（包括大脑下静脉、上矢状窦（SSS）和横窦），其信号-背景比（S/B）达6.56。上述研究均表明，近红外二区有机荧光团在血管成像领域具有良好潜力。
淋巴成像
淋巴荧光成像技术可清晰呈现淋巴管和淋巴结的解剖结构，助力外科医生在手术中精准定位并切除前哨淋巴结。通过荧光示踪剂，医生能在肿瘤手术中实时监测淋巴结的变化，避免损伤周围健康组织，降低手术并发症风险。Cheng团队将合成的小分子CQ-4T与人体血清白蛋白（HSA）结合，构建了荧光量子产率约为0.7%的人血清蛋白复合物CQL。该复合物可检测并追踪多种与循环相关的生理和病理过程，包括血栓形成、外周动脉疾病、肿瘤血管生成和淋巴流动。将CQL皮内注射到小鼠后爪后，1分钟内即可快速观察到腘窝淋巴结及其输入淋巴管；随后可观察到腘窝淋巴结的输出淋巴管（直径630±23μm），且因信噪比高（SBR=7.79），还能识别出骶淋巴结；之后，腹股沟淋巴结和腋窝淋巴结也可清晰可视化。在前爪注射后25分钟内，腋窝淋巴结和淋巴管逐渐显现。Cheng等人通过将传统鬼笔环肽染料IR820与HSA结合形成IR820-HSA复合物，显著提高了IR820的荧光亮度。从小鼠尾部右上中部皮下注射IR820-HSA复合物后，可依次观察到右侧腹股沟淋巴结及相连的淋巴管，还能清晰区分不同位置的输入和输出淋巴管。在近红外二区窗口下，IR820-HSA观察到的淋巴管清晰度较游离IR820显著提升，信噪比（4.77vs.1.33）和半高全宽（FWHM，551μmvs.无法测量）均更优。此外，侧卧位和仰卧位图像中淋巴管的信噪比（SNR）和半高全宽（FWHM）分别为1.94和472μm、2.33和420μm。IR820-HSA有助于清晰、全面地获取活体淋巴引流图谱，并可对淋巴迁移和功能进行定量评估。
Hong团队设计合成了一类新型季铵盐（Q8PBn和Q8PNap）。为进一步提高亮度，将亮度更高的Q8PNap负载于胎牛血清（FBS）中，形成Q8PNap/FBS复合物。该复合物的荧光量子产率较聚乙二醇化叔胺（Q8P）提升了32倍。将Q8PNap/FBS复合物注射到裸鼠左后爪40秒后，可观察到后肢3条腘窝输入淋巴管和腘窝淋巴结；输入淋巴管横截面轮廓的半高全宽（高斯拟合函数）分别为877.5μm、1657.25μm和655.7μm，可用于活体小鼠淋巴引流的实时深度观察及淋巴管切除手术引导。
肿瘤成像
近红外二区荧光成像为肿瘤早期诊断提供了有力工具。将有机荧光团与特定光谱响应结合，可实现对肿瘤的高灵敏度、高精准度检测；同时，有机荧光团的信号能在肿瘤发展初期被捕获，助力医生尽早介入治疗。将临床成像光谱拓展至近红外二区窗口，可显著提升对多种肿瘤特征的可视化效果，有望改善手术预后并为肿瘤研究提供支持。BradleyD.Smith等人制备了花青染料（dsZW1015）-抗体（帕尼单抗，Pan）偶联物（Pan-dsZW1015），该偶联物在PBS中的最大吸收波长为1000nm。在表达表皮生长因子受体（EGFR）的JIMT-1（三阴性乳腺癌）荷瘤小鼠中，Pan-dsZW1015表现出极高的肿瘤特异性，可实现有效的近红外二区荧光成像。Tang团队设计了具有聚集诱导发光（AIE）特性的聚合物纳米颗粒（SP3NPs），在1064nm激光照射下可实现清晰的荧光成像和光声成像。SP3NPs具有较高的光热转换效率（35%）和活性氧（ROS）生成能力。体内实验表明，SP3NPs+激光（L）组小鼠的肿瘤几乎被完全清除，而仅激光组或仅SP3NPs组小鼠的肿瘤在体内正常生长。
Dai团队通过将荧光探针IR-BGP6与PD-L1单克隆抗体（PD-L1mAb）偶联，制备了探针anti-PD-L1-BGP6。该探针能成功靶向MC38肿瘤上表达的PD-L1受体，实现肿瘤成像，肿瘤与正常组织的信号比（T/NT）高达9.5。Cai团队报道，设计的IR1048-MZ不仅可通过近红外二区荧光成像清晰勾勒肿瘤边界，还能通过三维光声成像实现厘米级深层组织穿透。Fan团队设计的共轭聚合物纳米颗粒（BTC12NPs），可通过近红外二区荧光（NIR-IIFL）/近红外二区光声（NIR-IIPA）成像精准显示肿瘤位置和大小。这些结果均表明，近红外二区有机荧光团在肿瘤成像领域具有巨大潜力。
手术引导
手术切除是临床治疗肿瘤的重要手段，近红外二区荧光成像可提高肿瘤手术的精准度和效率。有机荧光团（OFs）通过两种主要机制识别肿瘤位置并勾勒肿瘤边界：一是利用增强渗透滞留（EPR）效应，使有机荧光团非特异性到达肿瘤部位；二是通过与靶向配体结合，特异性靶向肿瘤特异性分子。借助靶向肿瘤特异性分子的有机荧光团，医生可在手术中实时定位肿瘤，并区分肿瘤组织与正常组织，降低局部复发率，提高患者生存率和生活质量。Lin等人设计了近红外二区荧光团纳米颗粒（IDSe-IC2FNPs），其在水中的最大发射波长为1010nm，在淋巴成像和手术引导方面表现出优异性能。通过将这些纳米颗粒与该团队此前开发的荧光团（TQ-BPNNPs）结合，构建了双通道近红外二区荧光成像系统。利用该系统，成功实现了淋巴结与血管的区分及淋巴结的完整切除。Feng团队制备了具有聚集诱导发光（AIE）特性的分子L897纳米颗粒（L897NPs），可用于肿瘤成像和成像引导手术，且肿瘤与正常组织的信号比（T/NT）较高。静脉注射L897NPs后，纳米颗粒逐渐在肿瘤组织中聚集，肿瘤边界随时间推移愈发清晰；肿瘤与正常组织的信号比（T/NT）逐渐升高，在注射后36小时达到峰值（9.0±0.6），远高于Rose标准中精准识别肿瘤所需的阈值（5）。在近红外二区荧光成像引导下进行肿瘤切除手术，术后在肿瘤部位周围未检测到荧光信号，表明肿瘤已被完全切除。更重要的是，在切除的肿瘤部位几乎未发现正常组织，这表明近红外二区荧光成像在确定切除边界方面效果显著，可最大限度减少对健康组织的不必要切除。因此，L897NPs在肿瘤成像及辅助医生确定肿瘤切除边界方面具有巨大潜力。Chen等人报道了一种S-D-A-D-S结构的荧光探针IR-BEMC6P，在肿瘤成像引导手术治疗中表现优异。将IR-BEMC6P与RGD肽结合，可透过头皮和颅骨对脑肿瘤进行无创近红外二区荧光成像。向携带AR42J肿瘤的免疫缺陷小鼠注射IR-BEMC6P-奥曲肽（TATE）偶联物后，1小时即可观察到明显的肿瘤荧光信号；3小时后，在近红外二区荧光成像和白光引导下进行肿瘤切除手术，此时肿瘤与正常组织的信号比（T/NT）约为10。此外，研究人员还设计了IR-BEMC6P@促卵泡生成素（FSH）偶联物，用于近红外二区荧光成像引导的显微手术，可精准切除直径数百微米的单个卵泡。
光热/光动力治疗（PTT/PDT）引导
荧光成像在肿瘤的光热治疗（PTT）和光动力治疗（PDT）引导中发挥重要作用。光热治疗利用光热剂将光能转化为热能来消融肿瘤；光动力治疗则利用光敏剂在激光照射下产生有毒的活性氧（ROS）来破坏肿瘤。通过可控的激光照射，可有效清除肿瘤；而借助荧光成像，能精准定位肿瘤位置。近红外二区荧光成像可实时监测有机荧光团在体内的分布和激活情况，为光热治疗和光动力治疗提供精准的时间和位置指导。Li等人提出了一种将离子型花青染料（Cy）转化为中性聚甲川部花青染料（mCy）的策略，显著提升了染料性能。
Li团队通过引入重原子碘促进系间窜越过程，设计了花青染料I₂HCy-TPENPs。这种修饰显著提高了近红外二区发射效率和单线态氧（¹O₂）生成效率，可用于全身血管和肿瘤成像，以及对三阴性乳腺癌细胞的高效光动力治疗（PDT）和免疫治疗。I₂HCy-TPENPs的荧光发射峰为838nm，尾端发射超过900nm；其荧光量子产率和单线态氧量子产率（Φ）分别为1.45%和0.291%。凭借这些优良特性，I₂HCy-TPENPs实现了近红外二区荧光成像引导的肿瘤光动力免疫治疗，肿瘤生长抑制率达91%。Li团队还报道了另一种具有线粒体靶向能力的花青染料二聚体oBHCy，其光热转换效率（PCE）为49.2%。在近红外二区荧光成像引导下，通过特异性靶向癌细胞线粒体，实现了96%的高肿瘤抑制率。Fan团队报道了一系列具有聚集诱导发光（AIE）效应的共轭聚合物（BCT）。通过调控AIE活性侧链的存在，并在共轭聚合物主链中引入柔性非共轭烷基链，采用双重增强策略实现了显著的AIE效应。其中，BCT1表现出优异的近红外二区荧光性能，光热转换效率高达70.51%；与改性前体（BT1）相比，BCT1纳米颗粒（BCT1NPs）的荧光强度提升了10倍。体外和体内研究均证实，这些纳米颗粒具有优异的生物相容性和卓越的近红外二区荧光成像性能。Lan等人设计了近红外二区发射的IDCIC纳米颗粒（IDCICNPs）。在808nm激光照射下，IDCIC不仅能产生单线态氧（9.1%）、羟基自由基（・OH），还能产生热量（光热转换效率：78.9%）。基于这些特性，IDCIC纳米颗粒被用于多模态成像引导的光动力/光热联合肿瘤治疗。Lin团队报道，Y16-Pr-PEG纳米颗粒（Y16-Pr-PEGNPs）可实现近红外二区荧光成像（NIR-IIFLI）/光声成像（PAI）引导的肿瘤光热/光动力协同治疗[118]。注射Y16-Pr-PEG纳米颗粒后，4T1荷瘤小鼠发射出强烈的近红外二区荧光和光声信号；体内肿瘤清除实验表明，纳米颗粒+激光组的肿瘤清除效果优异，经光动力治疗（PDT）和光热治疗（PTT）联合处理后，肿瘤被清除，而其他组的肿瘤则呈现相似的生长趋势。
脑部成像
大脑是人体最重要、最复杂的器官，是认知功能的基础，也是调控其他器官的中枢。大脑通过神经纤维网络的化学-电信号传递收集感觉信息，并协调身体各部位的反应，维持大脑内环境稳定。血脑屏障（BBB）或脑脊液屏障是一种具有高度选择性的紧密连接结构，可阻止大分子物质通过，同时允许部分脂溶性物质穿透。这种屏障使得大多数成像剂和治疗药物难以递送至脑深部，给诊断和治疗带来挑战。因此，设计能有效穿透血脑屏障的成像剂和药物，仍是医学领域的重大难题。Chen团队通过修饰二氟化硼（BF₂）甲脒酸盐的苯胺部分，开发了一系列近红外二区荧光团BF1-BF8。BF1-BF8荧光团在二甲基亚砜（DMSO）溶液中的发射光谱较宽，覆盖800-1400nm。向无胸腺裸鼠静脉注射BF1-BF8染料后，仅在BF1和BF6处理的小鼠脑部观察到明显的荧光信号；而吲哚菁绿（ICG）处理的小鼠仅在脑部主要血管中观察到荧光信号，脑实质中无荧光信号。基于优异的信噪比（SNR），研究人员选择BF6进行深入研究。该荧光团能有效从颅内血管渗出到周围神经组织，实现大脑的全面可视化。与ICG不同，BF6没有明显的血管-组织边界，证实其具有出色的血脑屏障（BBB）穿透能力。Dai研究团队开发了近红外二区分子荧光团IR-E1，在808nm激光激发下，其吸收峰为830nm，发射峰最大值为1071nm。IR-E1的量子产率（QY≈0.7%）高于碳纳米管和CH1055（QY≈0.3%），以及聚乙二醇（PEG）包裹的IR1061纳米颗粒（QY≈0.5%）；同时，IR-E1还具有优异的生物相容性和快速的肾脏清除能力，注射后24小时内约83%通过尿液排泄。向创伤性脑损伤（TBI）小鼠静脉注射IR-E1后，成功实现了脑部的无创近红外二区荧光成像；该染料可直接观察到受损脑组织中的脑灌注不足、荧光团泄漏和血液停滞现象。
肺部成像
急性肺损伤（ALI）常见于多种呼吸系统疾病，新型冠状病毒肺炎（COVID-19）就是典型例子。在临床中，急性肺组织炎症常引发全身异常免疫反应级联；由于炎症反应失控，急性肺损伤进展迅速，且常与多器官功能障碍综合征并发，死亡率达20%-40%。因此，实时监测急性肺损伤的相关生物指标，对于理解其发病机制、确保患者得到精准诊断和及时药物干预至关重要。在肺炎的多种治疗策略中，利用间充质干细胞（MSCs）进行干细胞治疗已成为缓解急性肺损伤症状的一种有前景的有效方法。例如，Li等人基于杂原子插入策略，设计了一系列近红外二区染料TTQPL、TTQT、TTQiT，并制备了相应的纳米颗粒（AIEgenNPs）。这些染料在四氢呋喃（THF）中的最大吸收波长分别为730nm、739nm、748nm；在808nm激发下，最大发射峰分别为1074nm、1099nm、1107nm。组装成纳米颗粒后，TTQPLNPs、TTQTNPs、TTQiTNPs的吸收波长分别红移至730nm、745nm、755nm；其中，TTQiTNPs的激发波长和亮度最高，被选用于小鼠急性肺损伤（ALI）的近红外二区荧光成像，以追踪间充质干细胞（MSCs）的归巢能力。小鼠肺组织中急性肺损伤组和对照组的荧光强度存在显著差异；定量分析显示，注射的间充质干细胞在急性肺损伤小鼠和健康小鼠肺部的滞留模式不同。特别是，注射后72小时，TTQiTNPs在急性肺损伤小鼠肺部的荧光强度是健康小鼠的2.2倍。这些结果表明，TTQiT-TatNPs可作为一种有效的近红外二区荧光团，用于急性肺损伤肺组织成像，并对间充质干细胞具有良好的追踪能力。Zhang团队报道了一种D-A-D结构小分子THPP，并制备了相应的纳米颗粒。该纳米颗粒具有聚集诱导发光（AIE）特性，在水中的最大吸收/发射波长为970/1010nm，可对小鼠深部内脏器官（心脏、肺部、肾脏、脊柱）进行高信噪比（SNR）动态局部荧光成像；同时，还能有效监测急性肺损伤小鼠的呼吸频率和侧支循环过程。
肝脏和肾脏成像
肝脏和肾脏是参与代谢和解毒的重要器官，对维持人体生理平衡起着关键作用。然而，药物滥用、过度劳累、作息不规律等因素导致肝病（如肝癌、肝纤维化、缺血再灌注损伤）和肾病（如尿毒症、急性肾损伤（AKI）、慢性肾病（CKD））的发病率不断上升。遗憾的是，大多数肝肾疾病在确诊时已处于晚期，因此，开发可实现早期检测的荧光探针至关重要。Zhang团队开发了一系列氮杂氟硼二吡咯（aza-BODIPY）大分子荧光团FBPs（FBP725、FBP790、FBP1025、FBPEG912）。在所有FBPs中，FBP912的近红外二区亮度最高，且肾脏清除效率高，12小时内通过肾脏清除率达65%。向左侧肾缺血小鼠静脉注射FBPEG912后，成功实现了早期肾功能不全的活体生物成像；该探针可对以肾小球滤过率降低为特征的肾缺血再灌注（RIR）损伤进行实时活体近红外二区荧光成像，且成像时间早于现有临床诊断技术。随着缺血时间从10分钟延长至30分钟，左右肾荧光强度比（LK/RK）约增加2-8倍；此外，随着缺血时间延长，膀胱中的荧光强度逐渐减弱，表明肾功能滤过受损。值得注意的是，FBPEG912分子中的高分子量聚乙二醇甲基丙烯酸酯（POEGMA）成分使其具有较长的循环半衰期（t₁/₂≈6.1小时）；凭借延长的血循环时间，FBPEG912在肾肿瘤中表现出良好的聚集性，注射后24小时肿瘤背景比（TBR）达8.2±0.5。
Chen团队设计了一种具有D-A核心的近红外二区小分子染料TQT1009。通过用不同长度和分子量（nK，n=0.5、2、5、10）的四条聚乙二醇（PEG）链修饰TQT1009，该染料自组装成多种纳米颗粒（称为TQPnK），具有可调尺寸和可控的体内循环寿命。其中，性能理想的探针TQP10K具有优异的体内循环时间（>96小时），可用于肝功能障碍的长期实时监测，且灵敏度高。Tang团队合成了一种具有聚集诱导发光（AIE）特性的近红外二区探针DPXBI，该探针具有较强的分子内旋转能力、优异的水溶性和良好的化学稳定性，可灵敏检测黏度变化。DPXBI能准确区分不同严重程度的药物诱导肝损伤，并有效可视化肝缺血再灌注损伤的微小区域。在肾功能疾病监测方面，Gu团队设计了一种可被N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶（NAG）激活的近红外二区有机荧光团（BOD-II-NAG-NPs）。NAG是肾损伤时产生的特异性生物标志物，可用于肾损伤检测。在体内NAG存在的情况下，BOD-II-NAG-NPs在顺铂诱导肾损伤小鼠模型中表现出显著的近红外二区荧光信号，且灵敏度高、反应速度快、受组织自发荧光干扰小。此外，BOD-II-NAG-NPs检测药物诱导急性肾损伤（AKI）的时间比大多数现有临床检测至少早32小时，表明其在急性肾损伤早期检测中具有潜力。
生物传感器
生物传感器是一种将生物物质浓度转化为电信号，从而检测生物物质存在的装置，主要由固定化识别元件（敏感材料）、理化换能器（信号转换元件）和信号放大装置三部分组成。生物传感器应用广泛，涵盖DNA鉴定、药物分析、肿瘤检测等多个领域，在临床疾病的预防、诊断和治疗中发挥关键作用。近红外二区有机荧光团在生物传感器应用中具有显著优势，包括更深的组织穿透深度、更高的信噪比、优异的生物相容性和更好的安全性。Qi团队设计了一种名为BC@Z-M的“缺氧响应”纳米平台。该探针在缺氧环境下可从“A-A”结构转变为“D-A”结构，从而产生近红外二区成像信号；此外，在缺氧环境下，BC@Z-M还能触发光动力治疗（PDT）、光热治疗（PTT）和免疫原性细胞死亡（ICD），有效杀灭肿瘤细胞，为肿瘤缺氧环境导致的治疗效果不佳问题提供了新的解决方案。Tian团队开发了一种硫化氢（H₂S）激活的纳米探针NIR-II@Si，该探针在激活后会发射近红外二区荧光，可特异性检测高表达H₂S的结直肠癌。该纳米探针包含两种有机发色团：一种是定制设计的硼二吡咯亚胺二酮（ZX-NIR）染料，仅在H₂S存在时发射近红外二区荧光；另一种是偶氮苯-氟硼二吡咯（azobenzene-BOD）染料，不受H₂S影响，作为内参。NIR-II@Si对H₂S表现出选择性和比率型荧光响应，通过双色成像技术观察H₂S水平变化，可精准识别富含H₂S的结肠癌细胞并区分活细胞类型。将人结直肠癌HCT116细胞与NIR-II@Si孵育30分钟后，在红色通道观察到强且稳定的荧光信号，而在绿色通道仅观察到较弱信号；通过红色通道与绿色通道的比值对图像进行定量分析，经NIR-II@Si处理的HCT116细胞比值约为3.0。当加入胱硫醚-β-合酶（CBS）抑制剂氨基氧乙酸（AOAA）阻断细胞H₂S生成时，该比值显著降低；相反，当用CBS变构激活剂S-腺苷-L-蛋氨酸（SAM）刺激细胞时，红绿比升高至4.5。这些结果表明，NIR-II@Si在通过检测H₂S生成增加来成像结肠癌细胞方面具有潜力。H₂S可特异性激活NIR-II@Si发射近红外二区荧光，为体内肿瘤检测提供更深的穿透深度和更高的空间分辨率。将NIR-II@Si通过瘤内注射到HCT116荷瘤小鼠体内，同时注射到正常肌肉组织中，以证明激活型探针优于“常开型”探针。为进一步证实结直肠癌中H₂S的存在会触发近红外二区荧光信号，对肿瘤部位进行胱硫醚-β-合酶（CBS）抑制剂（AOAA）或异位CBS激活剂（SAM）预处理：结果显示，AOAA可有效抑制肿瘤中的近红外二区荧光信号，而SAM则显著增强该信号。对HepG2细胞进行对照实验：正如预期，在HepG2肿瘤中几乎未观察到近红外二区发射，这与近红外一区强信号形成鲜明对比——近红外一区信号的检测是由于NIR-II@Si中的氮杂氟硼二吡咯（aza-BOD）具有“常开”特性。此外，在深层组织模拟实验中，利用NIR-II@Si进一步验证了近红外二区成像优于近红外一区成像：即使在10mm深度，仍可观察到NIR-II@Si明亮的近红外二区荧光，而近红外一区荧光在深度超过2mm后即无法检测到。这些结果表明，NIR-II@Si可作为一种可靠工具，通过捕捉瞬时H₂S信号来可视化结直肠癌。
Zhang团队报道了一种pH敏感的双激活荧光探针PN910，可在近红外二区窗口检测体内炎症。体内炎症会导致酸性和碱性组织中活性氧（ROS）和活性氮（RNS）水平升高；PN910在pH>7.4时对过氧化氢（H₂O₂）和过氧亚硝酸盐（OONO⁻）具有高选择性，这种高选择性使该传感器能判断体内是否发生炎症。PN910是一种含羟基的花青素染料（Chrodol），通过碱基双激活策略调控分子内电荷转移（ICT）效应，实现对H₂O₂和OONO⁻的监测：当Chrodol的羟基被对硼基苄基烷基化后，ICT效应被阻断，荧光猝灭；在碱性环境中，H₂O₂或OONO⁻通过去除保护基使羟基脱保护，生成酚类荧光团，从而发射荧光信号。活性氧/活性氮（ROS/RNS）和碱基参数的双重作用，降低了PN910的非特异性激活，避免了体内生物传感中的“假阳性”结果。PN910生物传感器已被证实可实时、特异性、精准地监测活体动物的膀胱炎和结肠炎。研究人员通过向小鼠膀胱注射脂多糖（LPS）构建膀胱炎模型；注射脂多糖后，将PN910（包裹在胶束中）通过泌尿道注入膀胱：在pH8.0环境中检测到显著的荧光信号，而对照组几乎无荧光。通过给BALB/c小鼠喂食葡聚糖硫酸钠（DSS）构建急性结肠炎模型；在808nm激光激发下，采用近红外二区电荷耦合器件（CCD）观察急性结肠炎小鼠的结肠荧光信号，其强度约为对照组小鼠的10倍。Liu团队通过直接破坏/恢复共轭体系和刚性平面结构，开发了一种・OH激活型近红外二区荧光探针Hydro-1080。Hydro-1080可被・OH选择性氧化为Et-1080，随后在近红外二区发射荧光；此外，Et-1080的灵敏度极高，最低检测限为0.5nM。凭借这些特性，Hydro-1080成功用于监测对乙酰氨基酚过量诱导肝损伤产生的・OH。
总结
尽管近红外二区有机荧光团在生物医学成像中展现出巨大潜力，且近年来已开发出多种探针，但该技术向临床转化仍面临重大挑战，需要在多个方面进行更深入的探索研究。本文也将提出一些建议和展望，希望为未来研究提供有价值的参考。
（1）拓展应用范围与应用方式：目前已报道的近红外二区有机荧光团主要用于实体肿瘤或血管、淋巴系统成像，直接应用于膀胱、生殖器官、脾脏、胆管等其他器官的荧光团报道较少；此外，用于心脏、肺部、甲状腺相关疾病及神经系统疾病成像的近红外二区有机荧光团也相对匮乏。
（2）成像技术：现有成像仪器难以满足高穿透深度和高分辨率的需求，将更先进的仪器与性能更优的荧光探针结合，有望显著改善成像效果。此外，目前依赖进口的国产探测器实时性不足；高灵敏度铟镓砷（InGaAs）传感器价格昂贵且国产化率低，限制了其在基层的应用；同时，现有系统需要数秒的积分时间，难以捕捉血流速度超过5mm/s的微循环等动态生理过程。
（3）多功能化：有机荧光探针已应用于血管成像、淋巴检测、手术引导、肿瘤治疗等多个领域，开发具有多种功能的探针是重要发展趋势。通过整合策略提升探针的整体性能，已取得一定进展。例如，Chen团队设计的荧光团CQL，可实时监测体内与循环相关的生理和病理过程（包括血栓形成、外周动脉疾病、肿瘤血管生成、淋巴引流），还能精准引导肿瘤切除和前哨淋巴结活检。此外，将荧光探针与传统蛋白质大分子、化学药物及其他药剂结合，有望产生新的功能。
（4）临床转化：近年来近红外二区有机荧光团发展迅速，但仅有吲哚菁绿（ICG）和亚甲蓝（MB）被批准用于临床；目前已报道的大多数探针仅用于小鼠、大鼠、兔子等小动物。探索有机荧光团在大型动物或非人灵长类动物中的应用，被认为有助于加速临床转化。然而，在非人灵长类动物中开展实验并将探针转化至临床人体试验，面临诸多挑战。
（5）标准化与一致性：目前近红外二区荧光成像（NIR-IIFLI）的成像窗口缺乏统一定义，导致不同机构和设备间的成像结果存在观测差异。因此，建立标准化的成像方案和评估指标，对于推动近红外二区荧光成像的广泛应用至关重要。
近红外二区有机荧光团的进一步探索对多种疾病的诊断和治疗具有重要意义，但仍需解决诸多挑战。预计通过聚焦近红外二区有机荧光团的成像特性、推进成像技术发展、采用多样化应用方式并建立统一标准，设计优良的近红外二区成像剂未来将在器官成像、肿瘤检测、肿瘤治疗引导、手术、抗菌治疗及其他多种生物应用中发挥关键作用。
参考文献
Construction and optimization of organic fluorophores in NIR-II fluorescence imaging，Xiaozhen Li, * Yanlong Yang, Ruohan Zhang ，and Wei Huang *，Chem. Soc. Rev.,DOI: 10.1039/d5cs00063g
