热点应用丨超光稳定小分子染料推动近红外生物光子学
近红外染料是一类在近红外光谱范围内具有吸收和发射光子性能的化合物，在医学诊断、生物成像、材料科学和工业领域都具有广泛的应用潜力。近红外吸收染料可以用于对各类皮肤病、肿瘤等疾病进行光动力或光热治疗，也可用作疾病诊断的光声造影剂；近红外发射染料可以用于手术导航的荧光造影剂，对组织结构或者疾病病灶的边缘进行显像，辅助外科医生进行手术切除。近年来，波长在700到1700纳米范围内的光子被发现具有更优异的生物组织穿透性能，因而生物医学领域对于吸收和发射在这一波段内的近红外染料的需求正在不断增加。
目前，领域中的近红外染料主要是围绕着传统的花菁、氟硼吡咯、方酸菁、卟啉、酞菁、香豆素和罗丹明等母体进行开发。为了将母体的波长延长至近红外区域，现行的普遍策略需要通过拓展共轭、融合杂原子等手段将分子结构做大，这会导致染料水溶性、生物相容性以及光稳定性的下降，同时更大更复杂的结构也会令合成变得困难，难以满足大规模制备的需求。
因此，有必要寻找新型近红外染料母体，并探索合适的合成方法，开发溶解性和光稳定性好、分子结构小巧、同时吸收发射波长还长的近红外染料，这将有助于推动近红外光子技术在医学、生物科学和其他领域的应用，为诊断和治疗等领域提供新的解决方案。
为解决上述问题，复旦大学张凡教授研究团队探索了一种原子节约型的波长拓展策略，通过在推-拉电子结构中插入一个4π电子的五元环，获得了一系列分子量在299-504 Da，光谱范围覆盖700-1600 nm的氨基芴（AF）染料，其具有超过大多数常规染料的波长-分子量比（λabs/Mw）。AF骨架具有基态反芳香性和激发态芳香性，与传统染料具有[4n+2]π电子休克尔芳香性相反。这一特性导致了固有的窄HOMO-LUMO间隙。此外，研究发现，引入反芳香性结构增加了电子跃迁时的振动耦合，从而导致超快的激发态衰减和超高的光稳定性。
图1. (a,b) AF1-AF14的两步合成路线和对应的取代基结构以及吸收峰波长；(c,d) 几种代表性的AF染料的吸收和发射光谱；(e,f) AF染料的吸收峰波长(e)和峰肩比(f)与计算的取代胺基的垂直电离能之间的线性关系。
随后，研究团队利用AF染料的小巧结构，通过简单的修饰策略——引入一个羧基，在分子量小幅增加44 Da的情况下，油水分配系数（cLogD）大幅下降，从而获得了较好的水溶性，并减少了生物体内的非特异性相互作用。而传统策略则通常需要大分子修饰或胶束包裹来获得更好的水溶性。体内荧光成像结果显示分子结构和分子量变化对染料药代动力学的重要影响。研究团队还利用这一药代动力学差异，演示了AF染料用于活体内多通道荧光成像的应用潜力。
图2. (a) 几种AF染料衍生物的化学结构；(b) AF染料和衍生物的活体NIR-II荧光成像情况；(c-e) 染料在各时间点在肝脏和肾脏中的定量荧光信号分布情况；(f,g) 染料的单侧肾脏缺血再灌注过程示意图和活体内NIR-II成像情况；(h) 图g中两侧肾脏荧光强度比值随时间的变化过程；(i) 活体NIR-II多光谱荧光成像工作流程示意图。
进一步地，研究团队利用小鼠肾损伤模型研究了染料在临床前诊断中的潜在应用价值。结果表明，经过羧基修饰的小分子水溶性结构AF3-COOH能够在10分钟内检出肾脏损伤，相比大分子对照结构快6倍，这一结果证明了AF染料在临床诊断中的巨大价值，具有将诊断时间提前和提高生物相容性的潜力。
参考文献
Yan, K., Hu, Z., Yu, P. et al. Ultra-photostable small-molecule dyes facilitate near-infrared biophotonics. Nat Commun 15, 2593 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-46853-0
仪器推荐
近红外二区小动物活体成像系统NIR-II-ST
NIR-II in vivo imaging system
文中利用近红外二区小动物活体成像系统NIR-II-ST分别完成了小鼠活体代谢成像以及多通道多器官功能成像，并通过尾静脉注射完成了NIR-II活体单侧肾脏缺血再灌注模型成像实验。
天美分析更多资讯
全部评论(0条)
推荐阅读
-
- 热点应用丨超光稳定小分子染料推动近红外生物光子学
- 近红外染料是一类在近红外光谱范围内具有吸收和发射光子性能的化合物，在医学诊断、生物成像、材料科学和工业领域都具
-
- 在线近红外光谱仪
- 在线近红外光谱仪（Online Near-Infrared Spectrometer）用于实时监测和分析样品中化学成分的仪器。它利用近红外（NIR）光谱技术。
-
- 用户速递 | ONOO-触发近红外余辉纳米颗粒在早期缺血性脑卒中实时监测及治疗研究
- 应用方向：缺血性脑卒中、近红外余辉图像、内源性ONOO-、聚集诱导近红外发光
-
- 【应用】近红外协助生物发酵制药过程
- 近红外光谱分析通过无损快速扫描发酵的光谱信息，借助化学计量学方法，就能在数十秒内检测出样品的效价含量，由于近红外是检测样品分子中氢键的倍频和合频振动吸收信息，多数有机物含量以及水分和 pH 也可同时测定。
-
- 水分测定两手抓 | 卡尔费休滴定法VS近红外光谱法
- 水分测定两手抓 | 卡尔费休滴定法VS近红外光谱法
-
- DS2500近红外多功能品质快速分析仪
- 作为近红外分析发展的下一步，NIRS? \x0d\x0aDS2500在400-2500nm的宽范围波长内有着优越的准确性，
-
- 在线近红外解决方案，看这里...
- 在线近红外解决方案，看这里...
-
- 《白茶产地溯源技术规程近红外光谱法》国家标准 编制说明
- 《白茶产地溯源技术规程 近红外光谱法》系国家市场监督管理总局于2022年 4月28日下达任务，项目周期 22 个月，由 福建农林大学、福建融韵通生态科技有限公司等单位共同起草，由全国茶叶标准化技术委员会归口。
-
- 【应用】面向2024——步琦近红外产品线为纺织行业提高效率，准确度和节约成本！
- 近红外光谱分析技术用于纺织品纤维成分的定性判定和定量分析有广阔的应用前景，该方 法操作简单，无需化学试剂，无需破坏样品并将检测时间从几个小时缩短为几分钟，大大提高了检测效率
-
- 【应用】步琦近红外常伴左右，提升肉类加工生产效率
- 与传统分析方法相比，近红外能够在短时间内准确地测出肉馅中水分的含量，为生产企业及时提供可靠的质控数据，帮助生产环节的稳定有序的运转，从而大幅提升生产效率。
①本文由医疗器械网入驻的作者或注册的会员撰写并发布，观点仅代表作者本人，不代表医疗器械网立场。若内容侵犯到您的合法权益，请及时告诉,我们立即通知作者，并马上删除。
②凡本网注明"来源：医疗器械网"的所有作品，版权均属于医疗器械网，转载时须经本网同意，并请注明医疗器械网(www.120med.com)。
③本网转载并注明来源的作品，目的在于传递更多信息，并不代表本网赞同其观点或证实其内容的真实性，不承担此类作品侵权行为的直接责任及连带责任。其他媒体、网站或个人从本网转载时，必须保留本网注明的作品来源，并自负版权等法律责任。
④若本站内容侵犯到您的合法权益，请及时告诉,我们马上修改或删除。邮箱：hezou_yiqi
北京安洲科技有限公司
参与评论
登录后参与评论