唐本忠院士 Adv. Mater.: 紅光/ NIR發射的苯并[d]咪唑-核AIEgens：波長延伸和體內腫瘤代謝成像的靈巧的分子設計

【背景介紹】

以有機發光二極管和發光太陽能聚光器為代表的光電器件是研究的熱點。其中，光電器件是指根據光電效應制作的器件稱為光電器件，也稱光敏器件。而具有長波長發光性質的有機π共軛材料的有機分子在光電器件中有很大的需求和潛在的應用。由于長波長具有深層組織穿透、較少的生物光損傷以及最小的生物系統中生物分子的背景自發熒光干擾，使得長波長發射熒光材料在生物成像中具有很大應用范圍。但是，目前仍然需要開發新的長波長發射熒光團。通過延長π電子系統分子結構已被認為是開發具有長波長吸收或發射的熒光材料的一般設計策略之一。然而，這些常規的熒光團具有熱和光化學不穩定性、小的斯托克斯位移、激發光的高干擾或自吸收以及聚集引起的猝滅（ACQ）效應（稀溶液中的強發射，但是當濃度增加時淬火）的缺點，限制了它們的生物醫學中的應用。具有紅光/近紅外光（NIR）發射的聚集誘導發光（AIE）發光原子（AIEgens）由于其有效的固態發射、低背景信號和高的組織穿透的優點，在光電子學和生物醫學工程的應用中具有很大的吸引力。

【成果簡介】

近日，香港科技大學的唐本忠院士（通訊作者）共同報道了一種在四苯乙烯（TPE）外圍引入電子-阻態螺-苯并[d]咪唑-2,1'-環己烷（BI）合成具有長波長發射的AIEgen，縮寫為2TPE-BI。采用供體-受體結構，并顯示紅移吸收和發射，在乙腈中的斯托克斯位移大于基于苯并[c] [1,2,5]噻二唑的斯托克斯位移157 nm。還表現出高達56.6％的固態熒光量子產率。通過進一步將噻吩插入其分子結構中，得到具有更高共軛和NIR發射的2TPE-2T-BI分子，并將2TPE-2T-BI制成AIE量子點，通過生物正交點擊化學進行體內代謝標記。這些結果開辟了一種基于BI核心簡便構建長波發射AIE的新方法。研究成果以題為“Red/NIR-Emissive Benzo[d]imidazole-Cored AIEgens: Facile Molecular Design for Wavelength Extending and In Vivo Tumor Metabolic Imaging”發布在國際著名期刊Adv. Mater.上。

【圖文導讀】

圖一、醌型AIEgens的設計策略

圖二、AIE的理化表征

（a） THF（10×10^-6 M）中的紫外-可見吸收和PL光譜；

（b） 修正后的Lippert-Mataga圖與方向極化率（Δf'）；

（c） 2TPE-BI在不同水分中的PL光譜（f_w，vol％）；

（d） AIE曲線圖及其在不同水分中的相應最大發射波長（vol％）。

圖三、AIE的分子結構和軌道能量

（a） 能級和它們的相對能量的示意圖，其中插入是S₀狀態下2TPE-BI的分子軌道，用TD-DFT計算為基于THF溶劑化的cam-B3LYP / 6-31G*的水平；

（b） 根據計算的2TPE-TD和2TPE-BI在S1狀態下的重組能量的相對分子運動的分析，用TD-DFT計算為基于THF溶劑化的cam-B3LYP / 6-31G*的水平，然后用 MOMAP軟件；

（c） XRD晶體填料單元和2TPE-BI單晶結構，環己烷基取代的C原子標記為深黃色，鍵間的距離單位為?。

圖四、2TPE-2T-BI的表征和生物正交示意圖
（a） 相對發射強度（I/I₀）與2TPE-2T-BI的DMSO/1,4-二惡烷混合物的1,4-二惡烷分數（f_D）的關系圖，其中插圖是2TPE-2T-BI的結構 在365 nm波長的紫外光下成像0和99 vol％的f_D；

（b） 生物正交DBCO-AIE dots結構的示意圖，其中插圖是DSPE-PEG和DSPE-PEG-DBCO的化學結構；

（c） 2TPE-2T-BI和DBCO-AIE dots的UV-vis吸收和PL光譜；

（d） DBCO-AIE dots的動態光散射分析，其中插圖是它們的透射電子顯微鏡（TEM）圖像。

圖五、AIE-dots的細胞實驗和小鼠體內實驗
（a） 用于體內代謝標記的生物正交AIE量子點的示意圖；

（b） 共聚焦激光掃描顯微鏡(CLSM)圖像預處理Ac4ManNAz后無銅點擊化學對MCF-7細胞的體外代謝標記；

（c） 用DBCO-AIE量子點注射代謝標記的小鼠的體內腫瘤靶向成像的時間依賴性熒光圖像，而沒有Ac4ManNAz處理的小鼠用作對照；

（d） 注射DBCO-AIE量子點24 h后MCF-7荷瘤小鼠器官和腫瘤的離體熒光圖像。

【小結】

研究了具有龐大環己烷基取代基的電子自身BI核心，用于開發紅光和NIR AIEgens。BI核心既有效地避免了分子間π-π堆積，又賦予其高得溶解度和D-A結構。與基于TD的AIEgens相比，由于BI核有更強的吸電子效應和更好的螺-環己烷取代基的分子間抗粘附能力，顯示出加強了AIE性能。具有疏水性DSPE區段，NIR發射AIEgens，親水性PEG區段和可點擊DBCO官能團的DBCO-AIE量子點顯示紅光吸收和NIR發射，并具有138 nm的大斯托克斯位移。通過與代謝標記腫瘤組織的疊氮基的體內生物正交無銅點擊反應，可以實現快速腫瘤特異性成像和實時監測。BI核心及其衍生產品將為設計具競爭力的NIR材料提供新方法。這種具有NIR吸收和發射的材料具有很大的體內光熱和光動力療法的潛力。同時，AIE量子點的優異生物相容性和高亮度將作為監測生物醫學治療過程和圖像引導手術的成像造影劑，并有望進入臨床應用。

文獻鏈接：Red/NIR-Emissive Benzo[d]imidazole-Cored AIEgens: Facile Molecular Design for Wavelength Extending and In Vivo Tumor Metabolic Imaging（Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201805220）

本文由材料人高分子生物組、納米組小胖紙編譯。

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