新型納米熒光探針實現超亮近紅外二區血管成像
熒光成像技術因其非侵入性、高靈敏度和實時可視化能力，已成為生物醫學研究和臨床診斷的重要工具。近年來，近紅外二區（NIR-II）熒光成像因其在深層組織成像中的獨特優勢而備受關注。然而，熒光分子在聚集態下的發射猝滅（ACQ）問題一直是制約技術發展的瓶頸。如何在聚集態下實現高效、穩定的熒光發射，成為科研領域的核心挑戰。
聚焦于一項突破性研究，該研究通過調控熒光分子的聚集態結構，成功解決了ACQ問題，并開發出一種超亮的NIR-II納米熒光探針。這項工作不僅為NIR-II成像技術提供了新的解決方案，還為未來熒光材料的設計提供了重要啟示。通過深入解析研究背景、技術創新和實驗結果，我們將帶您了解這項研究如何推動NIR-II成像技術邁向新的高度。
研究背景與技術挑戰
NIR-II成像的優勢與局限
NIR-II窗口的光子散射較少，組織穿透深度更大，背景噪聲更低，能夠實現高分辨率的深層組織成像。然而，現有的NIR-II熒光分子在實際應用中往往面臨嚴重的ACQ問題。
ACQ現象通常由熒光分子的聚集引起，分子間的緊密接觸導致非輻射能量損失增加，熒光量子產率顯著下降。傳統的解決策略包括引入bulky替代基團或設計扭曲結構的聚集誘導發光分子，但這些方法往往導致吸收能力減弱或亮度不足。
4F分子的設計與性能
研究團隊設計了一種名為4F的環融合熒光分子，該分子具有擴展的π共軛結構，能夠實現強烈的長波長吸收和發射。4F分子的平面結構和分子內非共價相互作用使其具有高熒光量子產率和低非輻射能量損失。
技術創新與應用
4F納米顆粒的制備與表征
研究團隊將4F分子封裝到兩親性共聚物PluronicF-127中，形成水溶性納米顆粒（4FNPs）。通過動態光散射和透射電子顯微鏡確認了納米顆粒的均勻性，其水動力直徑約為50nm。
通過光譜分解和分子動力學模擬，研究發現4F納米顆粒中的熒光發射主要由單體和二聚體共同貢獻，其中二聚體占主導地位。二聚體不僅具有較弱的熒光發射能力，還表現出強烈的分子間非輻射衰減。
調控二聚體比例以緩解ACQ
研究團隊通過降低4F在共聚物中的摻雜濃度，成功減少了二聚體的比例，開發出亮度更高的4F NP3s納米顆粒。4F NP3s的NIR-II亮度是臨床批準的5倍。
成像實驗與結果分析
4F NP3s的生物相容性與光穩定性
4F NP3s在體外實驗中表現出良好的生物相容性，即使在高濃度下也未觀察到明顯的細胞毒性。此外，4F NP3s展現出優異的光穩定性，長期保存后熒光強度和光譜形狀幾乎無變化。
在小鼠模型中，4F NP3s通過尾靜脈注射后，在NIR-IIb窗口（1500nmLP）提供了清晰的血管可視化，顯著降低了背景噪聲，提高了信噪比。相比之下，傳統的NIR-II窗口（980和1300nmLP）的成像效果較差。
深層腫瘤成像實驗
4F NP3s在深層腫瘤成像中表現出色，通過增強滲透性和保留效應在腫瘤區域實現有效積累。注射后24小時，腫瘤區域的熒光信號達到峰值，并在36小時后仍保持滿意的亮度，顯示出其作為長期NIR-II成像探針的潛力。
總結與展望
研究標志著NIR-II熒光探針開發進入機理驅動的新階段。通過飛秒光譜與量子計算的多尺度解析，首次闡明二聚體在ACQ中的核心作用，顛覆了傳統“聚集量決定淬滅度”的經驗認知。所建立的“濃度-堆積-亮度”定量關系模型，為后續探針設計提供了普適性指導原則。4F NP3s的亮度值，不僅刷新有機小分子探針的紀錄，更達到臨床常用稀土基探針的85%，展現出巨大的轉化潛力。在光電領域，二聚體調控策略為有機發光二極管的效率提升開辟新路徑；在能源領域，該發現對有機光伏電池的界面工程具有啟示意義，通過精準控制給受體分子堆積，可減少非輻射復合損失。
聲明：本文僅用作學術目的。
Miao X, Jia M, Weng X, Zhang J, Pan Y, Zhao H, Yu Z, Fan Q, Hu W. Alleviating NIR-II emission quenching in ring-fused fluorophore via manipulating dimer populations for superior fluorescence imaging. Light Sci Appl. 2025 Mar 4;14(1):109.
DOI:10.1038/s41377-025-01787-0.
