内容提要
为构建可发射 SWIR 的核心，我们试图通过 C9 位调控 3,6-二甲氨基芴酮的电子性质，从而诱导光学性质变化。本文报道一种分子量仅 381 Da 的新型小分子染料，其吸收与发射峰值分别达 1012 nm 与 1100 nm；借助 InGaAs SWIR 相机系统及长通滤光片，我们捕捉到高于 1300 nm 乃至 1400 nm 的荧光信号，证实扩展 π 共轭的合理设计可有效实现发射波长红移。
实验结果与讨论
为筛选能影响光学性质的取代基，我们采用模块化策略，在终步对中心构建块 3,6-二甲氨基芴酮的 C9 位进行修饰。随后，对染料 1–3 与 10 的光学性质进行了研究. 这些染料溶于 DMSO，在 50 mM 至 5 mM 的浓度范围内测定其吸收光谱。此外，还测定了 1b 与 10 的吸收及荧光发射对 pH 的依赖性，以观察其在碱性介质中的猝灭情况。化合物 4 以内酯形式稳定存在，阻碍了其光学表征。FluRdn 染料 1–3 与 10 的吸收与发射均位于 SWIR 区，峰值分别高于 940 nm 与 1000 nm，吸收峰较宽且摩尔吸光系数 ε 较低，3 为 4710 M⁻¹ cm⁻¹，2 最高达 12820 M⁻¹ cm⁻¹；C9 位引入给电子的对甲氧苯基比 1 的吸收和发射略强，但峰值略向蓝移；在同一位置插入炔烃桥连对甲氧苯基与芴核带来 76 nm 红移，却使吸收与发射强度均弱于 2；以 IR-1060 和 IR-26 为参照，用相对法测得 FluRdn 1b 与 10 在 DMSO 中的荧光量子产率分别为 0.005% 与 0.004%，虽低，但与常见 Φf 0.001–1% 的 NIR-II 有机染料相当；作为对比，被广泛研究的 D–A–D 型 SWIR 染料 CH1055 在 PBS 中的吸收/发射为 750 nm/1055 nm，Φf 0.098%，因此 FluRdn 可作为 D–A–D 染料在 SWIR 成像研究中的替代选择；与具有更大吸收截面因而亮度更高的聚甲川染料相比，这些新染料分子尺寸更小，有望作为穿透细胞的 SWIR 探针核心，与基于罗丹明骨架的探针相媲美。
为评估 FluRdn 核心的成像性能，我们采用 Kaer Labs 提供的 Kaer Imaging System 进行 SWIR 成像。该系统以 980 nm 激光激发（兼配 808 nm 激光），并用 InGaAs 相机收集至 1700 nm 的发射光子，配合 1050–1500 nm 区间的一系列长通滤光片截取所需波段；系统会扣除无激光时的背景信号，再将 SWIR 荧光与白光 LED 反射图像实时叠加显示。使用 1050 nm 长通滤光片时，染料 1 与 2 在 SWIR 成像中信号背景比达 416，其中 1 略高，2 稍低，原因可能是 980 nm 激发下 2 的吸光系数较低，发射光子减少导致信号背景比下降；令人意外的是，尽管 3 的吸收与发射均较弱，其信号背景比表现依然良好。我们以 980 nm 激光激发，对溶液再施加 1200、1300 与 1400 nm 三组长通滤光片进行 SWIR 相机成像。随着滤光片截止波长红移，成像性能显著提升；尽管收集到的光子总数随截止波长增加而减少，1200 nm 长通时信号背景比略有上升，1300 nm 与 1400 nm 长通则出现下降。为采集高于 1400 nm 的发射，曝光时间需延长至 2 秒，由此凸显 FluRdn 核心在高于 1300 nm 成像中的实用价值。
为阐明实测光学数据与取代基电子性质之间的关系，我们采用时间依赖密度泛函理论进行计算：先在 wB97xD/def2-TZVP 水平优化几何，再以 PBE0 泛结合 def2-TZVPP 基组执行 TD-DFT；全部几何优化与激发态计算均用 Gaussian 16 完成，并通过 SMD 连续介质模型在自洽反应场框架内隐式考虑溶剂效应，介电常数按程序内置值设定为 DMSO 46.826、水 78.3553。计算所得 λmax 在两种溶剂中均比实验值低估约 200 nm。尽管 TD-DFT 给出的振子强度与 SWIR 区摩尔吸光度对全部 FluRdn 染料相近，但 C9 取代基对轨道能级的调控作用清晰可见。
在 1–3 的优化结构中，最高占据分子轨道主要定域于芴核，三者 HOMO 能级差异仅约 0.01 eV，佐证了这一结论；最低未占轨道在 1 与 2 中仍主要分布于芴核，而在 3 中却显著不同，其 LUMO 可见炔烃轨道的贡献，对位甲氧苯基本身的影响则微乎其微，表明 C9 位共轭延伸可直接调控光学性质。炔基的引入使 3 的能隙由 2 的 5.15 eV 缩窄至 4.9 eV，对应 78 nm 红移，进一步证实 C9 取代基可用于精细调节光谱；这与罗丹明 HOMO 与 LUMO 均定域于呫吨核的情形形成鲜明对比。
结论
我们展示了 FluRdn 光学性质的精细可调性，验证了其在 SWIR 成像中的潜力，并借助 TDDFT 计算阐明了取代基电子效应与光谱行为的关联；研究强调，在 C9 位引入可共轭基团是实现发射红移的有效策略。随着 SWIR 成像在血管、淋巴、血管造影及肿瘤切除实时可视化中的需求日增，现有探针的非特异性结合高、血管外渗效率低、清除慢等缺陷愈发突出，而本文报道的 FluRdn 核心因分子量小、亲水性佳，具备进一步开发的显著优势；此外，在周边位点引入其他取代基、稠合富电子胺给体或将久洛尼啶嵌入 FluRdn 核心，可构建多种新颖骨架，同样可用本文方法精细调节光学性质，相关工作正在本实验室持续推进。
参考文献
Small organic fluorophores with SWIR emission detectable beyond 1300 nm†，Michal Pieczykolan, Pierre Alix Dancer, Tjadina-Wencke Klein, Hubert Piwonski, Hannes Rolbieski, Bholanath Maity, Oliver T. Bruns, Luigi Cavallo, Fabian Kiessling, Magnus Rueping, and Srinivas Banala*. Chem. Commun., 2025, 61, 4820–4823，doi.org/10.1039/d4cc05248j
