北理工團(tuán)隊(duì)在近紅外二區(qū)熒光染料理論設(shè)計(jì)方面取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2024-04-17 供稿：化學(xué)與化工學(xué)院 攝影：化學(xué)與化工學(xué)院
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近日，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院鄭小燕副教授和材料學(xué)院石建兵副教授,，與美國賓夕法尼亞大學(xué)Francisco教授合作,，在近紅外二區(qū)（NIR-II）熒光染料理論設(shè)計(jì)方面取得重要進(jìn)展,。相關(guān)成果以“Two key descriptors for designing second near-infrared dyes and experimental validation”為題發(fā)表于國際頂級(jí)期刊《Journal of the American Chemical Society》,。北京理工大學(xué)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(duì)本工作給予了重要指導(dǎo)。
光學(xué)成像技術(shù)具有無創(chuàng),、靈敏度高和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等優(yōu)勢(shì)，在腫瘤診斷與治療領(lǐng)域越來越受到科學(xué)研究工作者的關(guān)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(gè)性化智能醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展夯實(shí)根基。然而,，由于缺乏分子設(shè)計(jì)策略及其構(gòu)效關(guān)系,，NIR-II熒光染料的新結(jié)構(gòu)發(fā)展緩慢。采用理論計(jì)算可以建立NIR-II染料分子結(jié)構(gòu),、關(guān)鍵物理量和光譜之間的內(nèi)在關(guān)系,，提升NIR-II染料分子設(shè)計(jì)的效率，推動(dòng)NIR-II染料新分子的開發(fā)與應(yīng)用?；旱泥嵭⊙鄨F(tuán)隊(duì)基于對(duì)熒光染料組裝結(jié)構(gòu)與發(fā)光機(jī)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(dǎo)發(fā)光（AIE）研究團(tuán)隊(duì)的石建兵開展跨學(xué)科合作，以具有診療一體化應(yīng)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(jì)算模型設(shè)計(jì)了62個(gè)具有AIE特性的給體-受體型（D-A）分子。通過對(duì)這62個(gè)分子基態(tài),、激發(fā)態(tài)結(jié)構(gòu)和吸收,、發(fā)射光譜系統(tǒng)的理論計(jì)算，提出了刻畫NIR-II染料的關(guān)鍵描述符和判定標(biāo)準(zhǔn)：? E gs和 μ gs的閾值分別為2.50 eV和22.55 D,，即當(dāng)? E gs ≤ 2.50 eV,， μ gs ≤ 22.55 D時(shí)，分子的發(fā)射光譜可到達(dá)NIR-II區(qū),。
為了驗(yàn)證描述符的準(zhǔn)確性,，對(duì)10個(gè)MAPs的吸收和發(fā)射光譜的進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明,，這些MAPs的光譜范圍與理論預(yù)測(cè)完全一致,。進(jìn)一步地，通過50個(gè)已報(bào)道的非MAPs系列的NIR-II染料分子的理論計(jì)算,，證明兩個(gè)關(guān)鍵描述符具有普適性,。最后，對(duì)NIR-II染料MAP23-BBT的生物成像應(yīng)用進(jìn)行了評(píng)估,，其光穩(wěn)定性以及在NIR-II的發(fā)光強(qiáng)度均顯著高于FDA批準(zhǔn)的商用染料ICG,，在深部組織血管造影中實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)-量化計(jì)算-特征描述符篩選-實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”的研究思路,，提出了NIR-II染料設(shè)計(jì)的通用關(guān)鍵描述符，為開發(fā)新型NIR-II熒光染料分子提供了一個(gè)提前預(yù)判的有效工具,。
圖1. 預(yù)測(cè)NIR-II熒光染料的思路和關(guān)鍵結(jié)果,。
該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金和北京市自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/epdf/10.1021/jacs.3c14805
附作者簡(jiǎn)介：
鄭小燕,，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院長聘副教授,，博士生導(dǎo)師,。研究方向?yàn)槔碚撆c計(jì)算化學(xué)，主要研究領(lǐng)域分子聚集體發(fā)光機(jī)制,、分子聚集體組裝機(jī)制,、生物熒光探針的理性分子設(shè)計(jì)。長期致力于分子組裝體結(jié)構(gòu)與發(fā)光過程的多尺度理論研究,。通過多尺度理論模擬,、動(dòng)力學(xué)網(wǎng)絡(luò)模型與基于熱振動(dòng)關(guān)聯(lián)函數(shù)的激發(fā)態(tài)速率理論結(jié)合，在復(fù)雜有機(jī)分子組裝體結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制與聚集體發(fā)光機(jī)理方面取得了很多創(chuàng)新性成績,。迄今在 PNAS, JACS, Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commun., JPCL 等國際頂級(jí)期刊發(fā)表論文90余篇,，H-index = 32。承擔(dān)國家自然科學(xué)基金青年,、面上項(xiàng)目及北京市自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目等,。
石建兵，北京理工大學(xué)材料學(xué)院副教授,。作為課題負(fù)責(zé)人,，主持完成國家自然科學(xué)青年/面上基金3項(xiàng)、教育部基金2項(xiàng),、企業(yè)研發(fā)基金3項(xiàng),。自2009年9月入職以來，主要研究方向?yàn)橛袡C(jī)多功能材料的開發(fā)及其應(yīng)用,，其中包括：(1) 聚集誘導(dǎo)發(fā)光（AIE）材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用,；(2) 多功能高分子材料的合成方法學(xué)及其在高端光刻膠、藥物智能控釋等領(lǐng)域的應(yīng)用,。迄今,，已在J. Am. Chem. Soc.、Macromolecules,、Biomaterials,、Sci. China Chem.等專業(yè)學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文100余篇 (H-index = 39)，已獲中國授權(quán)專利7項(xiàng),。
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