基于电子受体调控的超高亮度J-聚集体：在体NIR-II成像材料新突破

Engineering bright J-aggregates through manipulation of electron acceptor for in vivo NIR-II fluorescence imaging

Yonghui Pan, Xianwei Weng, Mingxuan Jia, Xiaofei Miao, Hui Zhao, Jie Zhang, Wenbo Hu, and Quli Fan

Journal of Innovative Optical Health Sciences Vol. 18, No. 03, 2541002 (2025)

https://doi.org/10.1142/S1793545825410020

在生物医学光子学领域，近红外二区（NIR-II）荧光成像技术凭借其优异的组织穿透能力及极低的自发荧光背景干扰，显著提升了体内成像的信噪比与空间分辨率，在疾病诊断、手术导航及生物医学基础研究方面展现出重要应用前景。高亮度荧光探针是实现高性能NIR-II成像的关键因素。然而，开发高亮度NIR-II荧光探针仍面临诸多挑战。构建J型聚集体是一种颇具前景的设计策略。然而，J型聚集体的发展仍受到其骨架结构来源有限及荧光量子效率普遍较低等因素的制约。近期，南京邮电大学范曲立教授和西北工业大学胡文博教授课题组在《Journal of Innovative Optical Health Sciences》杂志上发表了题为“Engineering bright J-aggregates through manipulation of electron acceptor for in vivo NIR-II fluorescence imaging”的研究论文，提出了一种基于电子受体调控的J聚集体构建新策略。该团队通过在稠环共轭骨架中引入电子受体基团，构建出具有高荧光亮度的NIR-II J型聚集探针。体内成像实验表明，该探针在血管和肿瘤靶向成像中均表现出优异的信噪比和分辨率。本研究不仅加深了对J型聚集体构效关系的理解，也为高性能NIR-II成像探针的设计与开发提供了新的思路与理论依据。

创新方法与实验

本研究通过在稠环共轭骨架末端引入电子受体基团，以构建高亮度NIR-II J型聚集体。相较于不含电子受体基团的D5分子，含有电子受体基团的Y8分子在单分散状态下表现出更强的近红外一区（NIR-I）吸收与荧光发射特性。在形成聚集体后，Y8分子的荧光发射峰发生了显著红移，约为200 nm，进入近红外二区（NIR-II）波段。图1展示了Y8与D5分子的化学结构及其在单分散状态与聚集状态下的吸收和荧光发射光谱变化。

图1. (a) Y8和D5的分子结构；(b) 和 (c) Y8和D5在有机溶剂和薄膜状态下的归一化吸收和发射光谱。

单晶结构分析结合理论计算结果表明，电子受体基团的引入有效调控了Y8分子的共轭骨架的静电势（electrostatic potential, ESP）分布。与D5分子相比，Y8分子的ESP分布更有利于分子间的紧密堆积，显著缩小了分子间距离，并增强了分子间的非共价相互作用，从而促进了有序的反平行J型聚集体的形成。该结构特征有助于激发态能量在聚集体中的有效耦合与转移，是实现高亮度NIR-II荧光发射的关键因素之一。

图2. (a) Y8及D5二聚体结构；(b) Y8及D5的ESP分布；(c) Y8及D5分子间非共价作用。

为保持J型聚集体在水溶液中的结构稳定性与光学特性，研究团队采用两亲性共聚物Pluronic F-127对Y8分子进行封装，成功构建了水溶性纳米颗粒（Y8 NPs）。所得Y8 NPs在808 nm处展现出极强的光吸收和极高的荧光量子效率（12.9%）。与目前临床批准使用的近红外荧光造影剂吲哚菁绿（indocyanine green, ICG）相比，在相同浓度条件下，Y8 NPs的荧光强度约为ICG的9倍。进一步的飞秒瞬态吸收谱及荧光寿命测试结果表明，Y8 NPs中有序的J型聚集结构有效抑制了激发态能量的非辐射衰减过程，促进能量通过发光路径释放，从而显著增强了近红外二区的荧光发射效率。

图3. (a) Y8 NPs制备的示意图。(b) Y8 NPs形貌尺寸表征。(c) Y8纳米粒子的吸收发射光谱。(d) Y8 NPs的荧光量子产率。(e) 相同浓度下ICG和Y8 NPs的NIR-II区发光强度对比。(f)、(g)飞秒瞬态吸收光谱。(h)荧光寿命曲线。

活体NIR-II荧光成像

基于Y8 NPs优异的近红外二区（NIR-II）荧光性能，研究团队进一步评估了其在生物成像中的应用潜力。实验结果表明，Y8 NPs可实现小鼠体内全身血管的高分辨率可视化成像。特别是在使用1500 nm长通滤光片的条件下，成像对比度显著提升，背景荧光干扰明显降低，成像信噪比高达5.4，展现出优异的成像质量。此外，Y8 NPs成像所得血管结构细节清晰，半峰宽（full width at half maximum, FWHM）可达380 μm，充分体现了其在高分辨率血管成像中的应用优势。图4展示了Y8 NPs在活体小鼠中的NIR-II荧光成像效果。

图4.近红外二区活体荧光成像。

主要创新点

1.高荧光量子产率：所构建的Y8 NPs在水溶液中表现出高达12.9%的荧光量子产率，达到目前已报道J型聚集体类NIR-II荧光探针中的最高水平，显著优于多数现有材料，显示出优异的光学性能。

2.J聚集构效关系研究：Y8分子能够形成有序的反平行J型聚集结构。强吸电子基团的引入有效缩短了分子间距，增强了分子间相互作用。瞬态吸收光谱分析表明，J聚集体的形成在很大程度上抑制了激发态的非辐射衰减过程，从而显著提升了NIR-II区的荧光强度。

3.活体成像应用：Y8 NPs在活体小鼠中实现了高分辨率的全身血管成像，呈现出高信噪比与细致的血管结构信息，展现了良好的生物相容性与成像能力，验证了其在实际生物医学成像中的应用潜力。

总结与展望

本研究基于电子受体调控策略，成功构建了具有高荧光亮度的近红外二区（NIR-II）J型聚集体荧光探针，显著提升了荧光量子效率和体内成像性能。该策略不仅深化了对J型聚集体构效关系的理解，也为高性能NIR-II荧光探针的设计提供了新的理论基础与实践路径。未来，可进一步优化电子受体基团的结构设计，系统探索其对聚集行为与光学性能的调控机制，从而开发出兼具高光稳定性、生物相容性与靶向功能的NIR-II荧光探针，为肿瘤的早期诊断、术中导航及复杂生理过程的实时动态监测提供有力的技术支持。

通讯作者简介

胡文博，西北工业大学教授，主要从事超快生物医学光子学研究，围绕光诊疗材料光子能量高效定向转化的关键问题，从微观分子角度研究光诊疗材料激发态动力学行为，阐明超快光子能量转化机制，实现高性能光诊疗材料的理性设计及功能强化。

更多详情见https://teacher.nwpu.edu.cn/wenbo.html

范曲立，南京邮电大学教授、博士生导师。国家级领军人才和青年人才项目获得者，教育部新世纪优秀人才。现任南京邮电大学材料科学与工程学院院长，省部共建有机电子与信息显示国家重点实验室副主任。研究方向主要为光电功能材料、有机\无机杂化材料、纳米生物材料、化学与生物传感等方面。

更多详情见https://iam.njupt.edu.cn/2015/0909/c12293a74875/page.htm