唐本忠院士 Adv. Mater.: 红光/ NIR发射的苯并[d]咪唑-核AIEgens：波长延伸和体内肿瘤代谢成像的灵巧的分子设计

【背景介绍】

以有机发光二极管和发光太阳能聚光器为代表的光电器件是研究的热点。其中，光电器件是指根据光电效应制作的器件称为光电器件，也称光敏器件。而具有长波长发光性质的有机π共轭材料的有机分子在光电器件中有很大的需求和潜在的应用。由于长波长具有深层组织穿透、较少的生物光损伤以及最小的生物系统中生物分子的背景自发荧光干扰，使得长波长发射荧光材料在生物成像中具有很大应用范围。但是，目前仍然需要开发新的长波长发射荧光团。通过延长π电子系统分子结构已被认为是开发具有长波长吸收或发射的荧光材料的一般设计策略之一。然而，这些常规的荧光团具有热和光化学不稳定性、小的斯托克斯位移、激发光的高干扰或自吸收以及聚集引起的猝灭（ACQ）效应（稀溶液中的强发射，但是当浓度增加时淬火）的缺点，限制了它们的生物医学中的应用。具有红光/近红外光（NIR）发射的聚集诱导发光（AIE）发光原子（AIEgens）由于其有效的固态发射、低背景信号和高的组织穿透的优点，在光电子学和生物医学工程的应用中具有很大的吸引力。

【成果简介】

近日，香港科技大学的唐本忠院士（通讯作者）共同报道了一种在四苯乙烯（TPE）外围引入电子-阻态螺-苯并[d]咪唑-2,1'-环己烷（BI）合成具有长波长发射的AIEgen，缩写为2TPE-BI。采用供体-受体结构，并显示红移吸收和发射，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。还表现出高达56.6％的固态荧光量子产率。通过进一步将噻吩插入其分子结构中，得到具有更高共轭和NIR发射的2TPE-2T-BI分子，并将2TPE-2T-BI制成AIE量子点，通过生物正交点击化学进行体内代谢标记。这些结果开辟了一种基于BI核心简便构建长波发射AIE的新方法。研究成果以题为“Red/NIR-Emissive Benzo[d]imidazole-Cored AIEgens: Facile Molecular Design for Wavelength Extending and In Vivo Tumor Metabolic Imaging”发布在国际著名期刊Adv. Mater.上。

【图文导读】

图一、醌型AIEgens的设计策略

图二、AIE的理化表征

（a） THF（10×10^-6 M）中的紫外-可见吸收和PL光谱；

（b） 修正后的Lippert-Mataga图与方向极化率（Δf'）；

（c） 2TPE-BI在不同水分中的PL光谱（f_w，vol％）；

（d） AIE曲线图及其在不同水分中的相应最大发射波长（vol％）。

图三、AIE的分子结构和轨道能量

（a） 能级和它们的相对能量的示意图，其中插入是S₀状态下2TPE-BI的分子轨道，用TD-DFT计算为基于THF溶剂化的cam-B3LYP / 6-31G*的水平；

（b） 根据计算的2TPE-TD和2TPE-BI在S1状态下的重组能量的相对分子运动的分析，用TD-DFT计算为基于THF溶剂化的cam-B3LYP / 6-31G*的水平，然后用 MOMAP软件；

（c） XRD晶体填料单元和2TPE-BI单晶结构，环己烷基取代的C原子标记为深黄色，键间的距离单位为Å。

图四、2TPE-2T-BI的表征和生物正交示意图
（a） 相对发射强度（I/I₀）与2TPE-2T-BI的DMSO/1,4-二恶烷混合物的1,4-二恶烷分数（f_D）的关系图，其中插图是2TPE-2T-BI的结构 在365 nm波长的紫外光下成像0和99 vol％的f_D；

（b） 生物正交DBCO-AIE dots结构的示意图，其中插图是DSPE-PEG和DSPE-PEG-DBCO的化学结构；

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

（d） DBCO-AIE dots的动态光散射分析，其中插图是它们的透射电子显微镜（TEM）图像。

图五、AIE-dots的细胞实验和小鼠体内实验
（a） 用于体内代谢标记的生物正交AIE量子点的示意图；

（b） 共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)图像预处理Ac4ManNAz后无铜点击化学对MCF-7细胞的体外代谢标记；

（c） 用DBCO-AIE量子点注射代谢标记的小鼠的体内肿瘤靶向成像的时间依赖性荧光图像，而没有Ac4ManNAz处理的小鼠用作对照；

（d） 注射DBCO-AIE量子点24 h后MCF-7荷瘤小鼠器官和肿瘤的离体荧光图像。

【小结】

研究了具有庞大环己烷基取代基的电子自身BI核心，用于开发红光和NIR AIEgens。BI核心既有效地避免了分子间π-π堆积，又赋予其高得溶解度和D-A结构。与基于TD的AIEgens相比，由于BI核有更强的吸电子效应和更好的螺-环己烷取代基的分子间抗粘附能力，显示出加强了AIE性能。具有疏水性DSPE区段，NIR发射AIEgens，亲水性PEG区段和可点击DBCO官能团的DBCO-AIE量子点显示红光吸收和NIR发射，并具有138 nm的大斯托克斯位移。通过与代谢标记肿瘤组织的叠氮基的体内生物正交无铜点击反应，可以实现快速肿瘤特异性成像和实时监测。BI核心及其衍生产品将为设计具竞争力的NIR材料提供新方法。这种具有NIR吸收和发射的材料具有很大的体内光热和光动力疗法的潜力。同时，AIE量子点的优异生物相容性和高亮度将作为监测生物医学治疗过程和图像引导手术的成像造影剂，并有望进入临床应用。

文献链接：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组、纳米组小胖纸编译。

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