北京理工大學團隊在近紅外二區熒光染料理論設計方面取得重要進展

　　近日，北京理工大學化學與化工學院鄭小燕副教授和材料學院石建兵副教授，與美國賓夕法尼亞大學Francisco教授合作，在近紅外二區（NIR-II）熒光染料理論設計方面取得重要進展。相關成果以“Two key descriptors for designing second near-infrared dyes and experimental validation”為題發表于國際頂級期刊《Journal of the American Chemical Society》。北京理工大學為第一通訊單位，曾怡和屈佳敏兩位博士生為共同第一作者，鄭小燕、石建兵和Francisco教授為共同通訊作者，李澤生教授和董宇平教授對本工作給予了重要指導。

　　光學成像技術具有無創、靈敏度高和實時監測等優勢，在腫瘤診斷與治療領域越來越受到科學研究工作者的關注。尤其是NIR-II（1000~1700 nm）熒光染料，其具有更深的生物組織穿透深度、較低的生物組織吸收和散射、較小的自熒光干擾和更高的空間分辨率，有望為個性化智能醫療技術的發展夯實根基。然而，由于缺乏分子設計策略及其構效關系，NIR-II熒光染料的新結構發展緩慢。采用理論計算可以建立NIR-II染料分子結構、關鍵物理量和光譜之間的內在關系，提升NIR-II染料分子設計的效率，推動NIR-II染料新分子的開發與應用。化院的鄭小燕團隊基于對熒光染料組裝結構與發光機制的研究積累（ Aggregate ., 2024, 5(1), e415； J. Am. Chem. Soc. , 2023, 145 (18), 10092； Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. , 2022, 119 (12), e2116543119； Angew. Chem. Int. Ed. , 2022, 61, e202213615），與材院的聚集誘導發光（AIE）研究團隊的石建兵開展跨學科合作，以具有診療一體化應用潛力的多芳基吡咯（MAPs）（ Dyes Pigm. 2023, 219, 111569； Biomaterials 2022, 283, 121409； Nanoscale 2022, 14, 14064-14072； Sci. China Chem. 2021, 64(9), 1530-1539； Chem. Eur. J. 2020, 26, 14947-14953； Mater. Chem. Front. 2019, 3, 2072-2076.）為原始計算模型設計了62個具有AIE特性的給體-受體型（D-A）分子。通過對這62個分子基態、激發態結構和吸收、發射光譜系統的理論計算，提出了刻畫NIR-II染料的關鍵描述符和判定標準：? E gs和 μ gs的閾值分別為2.50 eV和22.55 D，即當? E gs ≤ 2.50 eV， μ gs ≤ 22.55 D時，分子的發射光譜可到達NIR-II區。

　　為了驗證描述符的準確性，對10個MAPs的吸收和發射光譜的進行了實驗驗證。結果表明，這些MAPs的光譜范圍與理論預測完全一致。進一步地，通過50個已報道的非MAPs系列的NIR-II染料分子的理論計算，證明兩個關鍵描述符具有普適性。最后，對NIR-II染料MAP23-BBT的生物成像應用進行了評估，其光穩定性以及在NIR-II的發光強度均顯著高于FDA批準的商用染料ICG，在深部組織血管造影中實現了高空間分辨率的NIR-II成像。綜上所述，本工作采用“AIE分子設計-量化計算-特征描述符篩選-實驗驗證”的研究思路，提出了NIR-II染料設計的通用關鍵描述符，為開發新型NIR-II熒光染料分子提供了一個提前預判的有效工具。

　　該研究工作得到了國家自然科學基金和北京市自然科學基金等項目的資助。