一種發射超過1300 nm的小型SWIR有機熒光團
本文要點：3,6-二甲基氨基芴酮通過特定取代基修飾，實現吸收峰紅移至1012 nm，同時發射超過1300 nm的短波紅外光。時間依賴密度泛函理論（TD-DFT）計算表明，取代基的軌道特性有效縮小了HOMO-LUMO能隙，從而增強長波長發射的性能。結合InGaAs短波紅外相機與多波長長通濾光片的成像實驗驗證了該材料在1300 nm以上波段的探測能力。
為構建新型短波紅外發射核心，研究者通過在3,6-二甲基氨基芴酮的C9位調控電子特性以改變光學性質。本文報道了一種分子量為381 Da的小分子染料，其最大吸收和發射峰分別位于1012 nm和1100 nm。利用短波紅外InGaAs相機成像系統和長通濾光片，檢測到1300 nm和1400 nm以上的熒光，證實擴展π共軛的優化設計可實現發射紅移。
方案1. 由3,6-二甲氨基芴酮（5）合成的SWIR染料
為篩選影響光學性質的取代基，研究者采用模塊化策略在核心結構3,6-二甲基氨基芴酮（5，方案1）的C9位進行后期修飾。除參照物鄰甲苯基（6）外，還選用了富電子的對甲氧基苯基（7）、含炔烴的擴展共軛版本（9）、可形成內酯的鄰羧酸苯基（8）以及缺電子的3,5-雙（三氟甲基）苯基。所有化合物均通過一維、二維核磁共振及質譜確證結構。
圖1. 1–3在DMSO中的吸收光譜（a）； 933～1463 nm的發射光譜（b）
表1. 實驗測量的光學特性
FluRdn系列染料1-3及10在短波紅外區展現出吸收與發射特性，最大吸收峰與發射峰分別超過940 nm和1000 nm（圖1及表1）。其吸收峰較寬且摩爾消光系數（ε）較低，范圍從3號染料的4710 M⁻¹ cm⁻¹至2號染料的12820 M⁻¹ cm⁻¹。當C9位引入供電子基團對甲氧基苯基（2號染料）時，其吸收與發射強度較1號略有提升，但最大波長發生藍移。若在對甲氧基苯基與芴核間插入炔基（3號染料），雖誘導76 nm紅移，但吸收與發射強度較2號顯著降低。采用IR-1060（ϕfl=0.32%）和IR-26（ϕfl=0.048%）作為參比，通過相對法測得FluRdn 1b與10在DMSO中的熒光量子產率分別為0.005%和0.004%。盡管量子產率較低，其性能仍與典型NIR-II有機染料（ϕfl=0.001-1%）相當。對比研究顯示，目前廣泛應用的供體-受體-供體（D-A-D）型短波紅外染料（如苯并雙噻二唑核心的CH1055）在PBS中吸收/發射波長為750 nm/1055 nm，量子產率ϕfl為0.098%，表明FluRdn系列可作為D-A-D染料的替代方案用于短波紅外成像研究。相較于具有超高吸收截面和高亮度的聚甲炔染料，FluRdn染料分子量更小，未來或可基于此類羅丹明骨架開發新型細胞穿透型短波紅外探針。
圖2. 使用四個LP濾光片對三種染料的SWIR熒光信號進行定量
為評估FluRdn核心的成像性能，研究者使用980 nm激光（含808 nm激光）作為激發光源，利用InGaAs相機，通過1050至1500 nm長通（LP）濾光片篩選特定波長熒光，收集至1700 nm的發射光子。使用1050 nm LP濾光片（收集1050-1700 nm發射光子）時，染料1和2的信背比（SBR）均>16。染料1的SBR略高，而染料2可能因其在980 nm處吸收系數（ε）較低導致發射光子減少，致使SBR稍低。值得注意的是，盡管染料3吸收與發射較弱，其SBR仍表現良好。之后，研究者在980 nm激光激發下，采用1200、1300及1400 nm LP濾光片對溶液進行成像（圖2）。切換至更長波長的濾光片顯著提升了成像性能。盡管收集到的光子總數（信號密度）隨濾光片截止波長增加而減少，但1200 nm LP濾光片的SBR略有上升，而1300 nm和1400 nm LP濾光片的SBR則有所下降。為捕獲>1400 nm的發射，需將曝光時間調整至2秒。這些結果表明FluRdn核心在>1300 nm成像檢測中具有重要應用價值。
圖3. 分析C-9取代基對三種熒光染料（1–3）和羅丹明（Rdn）的HOMO/LUMO能級的影響
為了解釋觀測到的光學數據與取代基的電子性質之間的關系，研究者進行了時間依賴的密度泛函理論（TD-DFT）計算。使用Gaussian 16軟件進行幾何優化和TD-DFT計算。與實驗數據相比，計算得出的λmax（1：745 nm，2：731 nm，3：793 nm）在兩種溶劑中均低估了達200 nm，包括Rdn染料（計算λmax：467 nm）。TD-DFT預測的振子強度和SWIR區域的摩爾吸收與所有FluRdn染料相似。然而，C9取代基對軌道能級的影響十分明顯（見圖3）。
在1-3的幾何結構中，最高占據分子軌道（HOMO）主要位于芴酮核心上。觀測到的HOMO能級差異可忽略（ΔEHOMO ≤ ±0.01 eV），證實了這一結論。在最低未占據分子軌道（LUMO）中，1和2主要位于芴酮上，但3并非如此。在3中，乙炔基軌道對LUMO有貢獻（而非取代基對位甲氧基苯基效應），表明C9共軛影響了觀測到的光學性質。3中乙炔基對能級的影響也可從能隙縮小（Egap = 4.9 vs. 5.15 eV for 2）定性看出，這導致了78 nm的紅移。這證實了C9取代基可用于進一步微調光學性質。而Rdn中，HOMO和LUMO均定位于黃酮核心，與之形成對比。總之，本研究展示了對FluRdn光學特性的微調、其在短波紅外（SWIR）成像應用中的潛力，以及使用時間依賴的密度泛函理論（TD-DFT）計算來探索這些特性上的電子效應。本研究強調了在C9位替換可共軛基團以實現紅移發射的潛力。隨著SWIR成像在血管、淋巴管、血管造影和腫瘤切除術的實時可視化中變得越來越重要，當前探針的局限性凸顯了對具有更少非特異性結合、高效外血管化和快速清除的新SWIR劑的需求。這里介紹的FluRdn核心因其較小的尺寸和親水性，顯示出巨大的應用前景，非常適合進一步開發。此外，在周圍位置引入其他取代基、融合富含電子的胺供體、將若氟啶嵌入FluRdn核心中，創造了有趣的骨架結構，同樣可以利用本文討論的方法來微調其光學特性，相關工作目前正在進行中。
參考文獻
Pieczykolan M, Dancer P A, Klein T W, et al. Small organic fluorophores with SWIR emission detectable beyond 1300 nm[J]. Chemical Communications, 2025, 61(25): 4820-4823.
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