北理工團隊在近紅外二區熒光染料理論設計方面取得重要進展
發布日期：2024-04-17 供稿：化學與化工學院 攝影：化學與化工學院
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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。
圖1. 預測NIR-II熒光染料的思路和關鍵結果。
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。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/epdf/10.1021/jacs.3c14805
附作者簡介：
鄭小燕，北京理工大學化學與化工學院長聘副教授，博士生導師。研究方向為理論與計算化學，主要研究領域分子聚集體發光機制、分子聚集體組裝機制、生物熒光探針的理性分子設計。長期致力于分子組裝體結構與發光過程的多尺度理論研究。通過多尺度理論模擬、動力學網絡模型與基于熱振動關聯函數的激發態速率理論結合，在復雜有機分子組裝體結構的形成機制與聚集體發光機理方面取得了很多創新性成績。迄今在 PNAS, JACS, Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commun., JPCL 等國際頂級期刊發表論文90余篇，H-index = 32。承擔國家自然科學基金青年、面上項目及北京市自然科學基金面上項目等。
石建兵，北京理工大學材料學院副教授。作為課題負責人，主持完成國家自然科學青年/面上基金3項、教育部基金2項、企業研發基金3項。自2009年9月入職以來，主要研究方向為有機多功能材料的開發及其應用，其中包括：(1) 聚集誘導發光（AIE）材料的結構設計及其在生物醫學領域的應用；(2) 多功能高分子材料的合成方法學及其在高端光刻膠、藥物智能控釋等領域的應用。迄今，已在J. Am. Chem. Soc.、Macromolecules、Biomaterials、Sci. China Chem.等專業學術期刊上發表論文100余篇 (H-index = 39)，已獲中國授權專利7項。
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