本文要點:通常,長波長吸收近紅外II(NIR-II)染料在聚集態下熒光效率較低,對于聚集體引起的淬滅效應,同時提高效率和延長吸收是NIR-II染料的一個挑戰。在這里,三種苯并[1,2-c:4,5-c']雙[1,2,5]噻二唑(BBT)衍生物(TPA-BBT,FT-BBT和BTBT-BBT)用于闡明熒光淬滅機制。當BBT衍生物摻雜到小分子基質中時,它們表現出wan 全不同的熒光行為。結構扭曲的TPA-BBT表現出短程交換相互作用引起的熒光淬滅,而具有共面共軛骨架的FT-BBT和BTBT-BBT表現出濃度依賴性淬滅過程,即從長程偶極-偶極相互作用轉變為交換相互作用,這主要歸因于吸收和發射之間的大量光譜重疊。通過精確調節摻雜濃度,FT-BBT和BTBT-BBT納米顆粒(NPs)在約2.5wt%摻雜濃度下呈現zui jia的NIR-II熒光亮度。摻雜的NPs具有良好的生物相容性,可作為980 nm激光激發下高分辨率血管成像的熒光造影劑。這些范例證明,分子摻雜可以通過抑制長距離能量遷移來提高長波長吸收NIR-II熒光團的熒光效率。近紅外二區小動物活體熒光成像系統 - MARS
背景:與短波可見光和近紅外I區(<900 nm)相比,近紅外II區(NIR-II,1000–1700 nm)的熒光生物成像具有深穿透深度、高信背景比和對低組織自發熒光和弱光物質相互作用的出色分辨率。然而,除了一些聚甲基染料和半導體聚合物外,大多數有機NIR-II染料的zui大吸收位于650-900nm范圍內,短激發波長會嚴重限制成像分辨率和深度。雖然具有供體-受體-供體(D-A-D)結構的有機熒光團可以輕松調節光物理性質,但長波長吸收的NIR-II熒光團在聚集態下表現出嚴重的聚集引起的淬滅(ACQ)效應。為了提高NIR-II熒光效率,分子結構修飾已經投入了許多努力。本文合成了三種具有扭曲或共面共軛主鏈的BBT衍生物,以闡明聚集態下的熒光淬滅機制(方案1)。結果表明,熒光淬滅主要源于具有共面結構的FT-BBT和BTBT-BBT的長程偶極-偶極相互作用,具有扭曲結構的TPA-BBT的短程交換相互作用。因此,將BTBT-BBT摻雜到低含量的基質中可以阻斷長程能量遷移,而BTBT-BBT摻雜的NPs在980 nm激光激發下具有較高的熒光亮度,可進一步用作NIR-II熒光造影劑來可視化血管系統。
方案1
研究內容:為了擴展有機染料的吸收曲線,共面構型的供體-受體型分子結構是一種有效的設計原則;同時,應將大塊基團固定在分子骨架上,以減少意外的分子間π-π堆積。基于這一理念,設計并合成了BBT衍生物(BTBT-BBT)(圖1)。
圖1
此外,還合成了組合DBT作為分子基質,晶體數據表明DBT具有wan全共面和剛性結構,丁苯基部分位于共軛面的兩側,因此可以合理推斷BTBT-BBT也具有共面結構,并且塊側鏈可以阻礙π-π堆積(圖2D)。密度函數理論的理論計算表明TPA-BBT具有高度扭曲的結構,扭轉角為~26°和50°,而分子結構在FT-BBT和BTBT-BBT中逐漸平坦化,BTBT-BBT采用全共面結構,扭轉角為0°(圖2A–C)。過循環伏安法評估前沿分子軌道(圖2E,F),FT-BBT的zui高占據分子軌道(HOMO)和zui低未占據分子軌道(LUMO)分別為-5.16和-3.84 eV,BTBT-BBT的帶隙分別為-5.05和-3.85 eV,因此FT-BBT和BTBT-BBT的帶隙分別為1.32和1.20 eV。
圖2
進一步研究了吸收和熒光的溶劑效應。如圖3所示,由于分子內電荷轉移效應,BBT衍生物在近紅外區域出現吸收帶。隨著溶劑極性的增加,TPA-BBT對甲苯和二氯甲烷的zui大吸收峰分別為730和712 nm、FT-BBT為846和836 nm、BTBT-BBT為947和932 nm。在甲苯溶液中,TPA-BBT、FT-BBT 和 BTBT-BBT 的摩爾消光系數為 2.0 × 104, 3.8 × 104和 4.5 × 104 L摩爾?1厘米?1,分別表明分子構象平面化可以明顯增強染料的吸收能力。與TPA-BBT相比,由于共面分子結構促進了共軛骨架上的電子離域,FT-BBT和BTBT-BBT的zui大吸收峰有110和220 nm紅移。由于BBT基團較強的電子接受能力,TPA-BBT、FT-BBT、BTBT-BBT表現出溶劑極性依賴性的NIR-II熒光發射,FT-BBT在甲苯和二氯甲烷的zui大發射峰分別為998和1045 nm,而BTBT-BBT的則分別為1092和1178 nm。TPA-BBT在甲苯中具有以992 nm為中心的強熒光峰,在二氯甲烷中在1022 nm處具有較弱的熒光峰,表明TPA-BBT的熒光特性因其較強的分子內電荷轉移效應而對溶劑極性更敏感。嘗試使用DBT作為基質,并使用TPA-BBT,FT-BBT或BTBT-BBT作為摻雜劑來制造摻雜的NP。如圖3B,E,H所示,TPA-BBT,FT-BBT和BTBT-BBT的吸光度與摻雜含量呈線性關系,而TPA-BBT,FT-BBT和BTBT-BBT NPs的zui大吸收峰分別保持在730,840和957 nm不變,表明不同摻雜含量體系中基態的分子構象相同。如圖3C,F,I所示,隨著摻雜濃度從100wt%下降到1wt%,FT-BBT的zui大發射峰從1081逐漸藍移到975 nm,BTBT-BBT的zui大發射峰從1120 nm逐漸藍移到1062 nm,而TPA-BBT摻雜的NPs在937、1011和1100 nm處表現出不變且分辨率良好的發射帶,分別對應于0-0、0-1和0-2振動躍遷, 0-0和0-1發射帶的強度比隨著摻雜含量的降低而逐漸增大,這些BBT衍生物NPs的光譜變化可歸因于低摻雜含量下的弱自吸收效應,而在長波長區域未觀察到低能量準分子/激發復合體發射。
圖3
為了進一步揭示熒光行為差異的根源,除摻雜濃度外,在相同條件下進行了NIR-II熒光成像。如圖4A–C所示,當摻雜含量從100wt%下降到25wt%時,NPs的熒光強度緩慢增加或減少,而趨勢在25wt%以下變化很大,表明25wt%是臨界摻雜含量。如圖4G所示,由于DBT基質和NIR-II染料具有相似且較大的芳香族結構,染料應均勻分散到基質中,臨界分子間距離(Dc) 由以下公式計算得出:
其中V是DBT的晶胞體積(~5794.96 ?3)、Xc是臨界摻雜摩爾含量(XcTPA-BBT、FT-BBT和BTBT-BBT分別為=0.202、0.208和0.137),N是晶胞中DBT的數量(N=4),2V/N用于評估染料的體積。根據以上數據,DcTPA-BBT、FT-BBT和BTBT-BBT的計算值分別為25.5、25.2和28.4 ?。實際分子間距離可能大于Dc因為DBT是無定形的,松散地堆積在NPs中。由于Dc與共軛骨架的分子長度相當(圖2A),表明ACQ可歸因于交換相互作用(德克斯特能量轉移)。由于FT-BBT或BTBT-BBT摻雜NPs具有與稀土離子摻雜系統相似的濃度淬滅現象,NIR-II染料之間的相互作用類型可以通過以下公式估計:
其中I為熒光強度,x為摩爾摻雜含量,k和β為相同激發條件下的常數,θ為相互作用類型,θ=3、6、8、10分別表示與最近鄰分子的交換相互作用、偶極-偶極相互作用、偶極-四極相互作用和四極-四極相互作用。如圖4D–F所示,I/x和x的關系以對數圖繪制,?θ/3 是線性擬合的斜率,因此 TPA-BBT、FT-BBT 和BTBT-BBT 的θ值分別為 2.6、5.1 和 4.1。TPA-BBT的θ值接近3,表明濃度淬滅源于短程交換相互作用。而FT-BBT和BTBT-BBT的θ值大于3且接近6,表明濃度淬滅主要是由偶極-偶極相互作用引起的,即類似F?ster的能量遷移。如圖2所示,TPA-BBT具有較大的斯托克斯位移(~290 nm),吸收和發射光譜之間幾乎沒有重疊,NPs中的激子能量遷移僅通過短程交換相互作用發生(圖4H)。不太可能的是,由于結構平面化和剛性,FT-BBT和BTBT-BBT都具有較小的斯托克斯位移(FT-BBT為135 nm,BTBT-BBT為102 nm),聚集態的吸收和發射之間存在較大的光譜重疊,激子能量遷移主要來源于長程偶極-偶極相互作用,導致聚集態的ACQ嚴重(圖4I)。因此,將長波長吸收的NIR-II染料摻雜到基質中是克服長程淬滅效應和提高熒光效率的有效方法。
圖4
由于摻雜濃度為2.5wt%的BTBT-BBT NPs在980 nm激光激發下的zui大吸收峰為957 nm,熒光亮度zui高,因此用于進行進一步的實驗。首先,利用動態光散射和透射電子顯微鏡(TEM)研究了NPs的尺寸分布和形貌,BTBT-BBT摻雜NPs表現出不規則的聚集NPs,流體動力學尺寸和zeta電位分別為72.2 ±19.1 nm和?32.61 mV(圖5A)。通過2-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-3,5-二苯基-2H-四唑-3-溴化銨(MTT)測定法評估NPs的生物相容性,當孵育濃度高達100μg/ mL時,三陰性乳腺癌細胞的活力仍約為90%(圖5B)。此外,活/死共染色測定還表明細胞保持高存活率(圖5C)。上述實驗數據表明,2.5wt%摻雜的BTBT-BBT NPs具有良好的生物相容性,應該可以安全地用作體內成像造影劑。如圖5D所示,在尾部靜脈給藥后15分鐘后觀察到不同的血管解剖結構,小鼠后肢主要血管的表觀寬度為~0.42mm,信噪比為~1.8(圖5E)。此外,BTBT-BBT摻雜NPs的藥代動力學過程可以通過血管成像直接可視化。后肢主要血管的熒光強度在注射后1小時內迅速降低,然后逐漸消失(圖5D)。體內成像實驗表明,BTBT-BBT摻雜的NPs可以作為一種優秀的NIR-II熒光探針用于血管系統可視化。
圖5
綜上所述,新型NIR-II熒光團BTBT-BBT具有以~947 nm為中心的強吸收峰,具有wan全共面構象的吸收峰,在溶液中的QY為7.4%,而聚集體表現出嚴重的熒光淬滅。為了闡明其淬滅機理,詳細研究了3種BBT衍生物的光物理性質。實驗結果表明,熒光淬滅主要源于具有共面構象的FT-BBT和BTBT-BBT的長程偶極-偶極相互作用,而具有扭曲結構的TPA-BBT的短程交換相互作用。這些現象的原因可能在于吸收和熒光之間的光譜重疊程度,而較大的光譜重疊將通過非輻射途徑促進類似F?ster的能量遷移和能量耗散。結果表明,將BTBT-BBT摻雜到低含量(~2.5wt%)的分子基質中可有效阻斷長程能量遷移途徑,且BTBT-BBT摻雜的NPs在980 nm激光激發下具有較高的熒光亮度,可進一步作為NIR-II熒光造影劑研究血管系統。
參考文獻
DOI: 10.1002/agt2.290
?? ?? ??
近紅外二區小動物活體熒光成像系統 - MARS
NIR-II in vivo imaging system
高靈敏度 - 采用Princeton Instruments深制冷相機,活體穿透深度高于15mm
高分辨率 - 定制高分辨大光圈紅外鏡頭,空間分辨率優于3um
熒光壽命 - 分辨率優于 5us
高速采集 - 速度優于1000fps (幀每秒)
多模態系統 - 可擴展X射線輻照、熒光壽命、一區熒光成像、原位成像光譜,CT等
顯微鏡 - 近紅外二區高分辨顯微系統,兼容成像型光譜儀
?? ?? ??
恒光智影
上海恒光智影醫療科技有限公司,專注于近紅外二區成像技術。致力于為生物醫學、臨床前和臨床應用等相關領域的研究提供*的、一體化的成像解決方案。自主研發近紅外二區小動物活體熒光成像系統-MARS。
與基于可見光波長的傳統成像技術相比,我們的技術側重于X射線、紫外、紅外、短波紅外、太赫茲范圍,可為腫瘤學、神經學、心血管、藥代動力學等一系列學科的科研人員提供清晰的成像效果,助力科技研發。
同時,恒光智影還具備探針研發能力,我們已經成功研發了超過15種探針,這些探針將廣泛地應用于眾多生物科技前沿領域的相關研究中。
請輸入賬號
請輸入密碼
請輸驗證碼
以上信息由企業自行提供,信息內容的真實性、準確性和合法性由相關企業負責,化工儀器網對此不承擔任何保證責任。
溫馨提示:為規避購買風險,建議您在購買產品前務必確認供應商資質及產品質量。