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北理工团队在近红外二区荧光染料理论设计方面取得重要进展



近日,欧洲杯在线平台买球化学与化工学院郑小燕副教授和材料学院石建兵副教授,与美国宾夕法尼亚大学Francisco教授合作,在近红外二区(NIR-II)荧光染料理论设计方面取得重要进展。相关成果以“Two key descriptors for designing second near-infrared dyes and experimental validation”为题发表于国际顶级期刊《Journal of the American Chemical Society》。欧洲杯在线平台买球为第一通讯单位,曾怡和屈佳敏两位博士生为共同第一作者,郑小燕、石建兵和Francisco教授为共同通讯作者,李泽生教授和董宇平教授对本工作给予了重要指导。

光学成像技术具有无创、灵敏度高和实时监测等优势,在肿瘤诊断与治疗领域越来越受到科学研究工作者的关注。尤其是NIR-II(1000~1700 nm)荧光染料,其具有更深的生物组织穿透深度、较低的生物组织吸收和散射、较小的自荧光干扰和更高的空间分辨率,有望为个性化智能医疗技术的发展夯实根基。然而,由于缺乏分子设计策略及其构效关系,NIR-II荧光染料的新结构发展缓慢。采用理论计算可以建立NIR-II染料分子结构、关键物理量和光谱之间的内在关系,提升NIR-II染料分子设计的效率,推动NIR-II染料新分子的开发与应用。化院的郑小燕团队基于对荧光染料组装结构与发光机制的研究积累( 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),与材院的聚集诱导发光(AIE)研究团队的石建兵开展跨学科合作,以具有诊疗一体化应用潜力的多芳基吡咯(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.)为原始计算模型设计了62个具有AIE特性的给体-受体型(D-A)分子。通过对这62个分子基态、激发态结构和吸收、发射光谱系统的理论计算,提出了刻画NIR-II染料的关键描述符和判定标准:? E gs和 μ gs的阈值分别为2.50 eV和22.55 D,即当? E gs ≤ 2.50 eV, μ gs ≤ 22.55 D时,分子的发射光谱可到达NIR-II区。

为了验证描述符的准确性,对10个MAPs的吸收和发射光谱的进行了实验验证。结果表明,这些MAPs的光谱范围与理论预测完全一致。进一步地,通过50个已报道的非MAPs系列的NIR-II染料分子的理论计算,证明两个关键描述符具有普适性。最后,对NIR-II染料MAP23-BBT的生物成像应用进行了评估,其光稳定性以及在NIR-II的发光强度均显著高于FDA批准的商用染料ICG,在深部组织血管造影中实现了高空间分辨率的NIR-II成像。综上所述,本工作采用“AIE分子设计-量化计算-特征描述符筛选-实验验证”的研究思路,提出了NIR-II染料设计的通用关键描述符,为开发新型NIR-II荧光染料分子提供了一个提前预判的有效工具。

图1. 预测NIR-II荧光染料的思路和关键结果。

该研究工作得到了国家自然科学基金和北京市自然科学基金等项目的资助。

原文链接:https://pubs.acs.org/doi/epdf/10.1021/jacs.3c14805


附作者简介:

郑小燕,欧洲杯在线平台买球化学与化工学院长聘副教授,博士生导师。研究方向为理论与计算化学,主要研究领域分子聚集体发光机制、分子聚集体组装机制、生物荧光探针的理性分子设计。长期致力于分子组装体结构与发光过程的多尺度理论研究。通过多尺度理论模拟、动力学网络模型与基于热振动关联函数的激发态速率理论结合,在复杂有机分子组装体结构的形成机制与聚集体发光机理方面取得了很多创新性成绩。迄今在 PNAS, JACS, Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commun., JPCL 等国际顶级期刊发表论文90余篇,H-index = 32。承担国家自然科学基金青年、面上项目及北京市自然科学基金面上项目等。

石建兵,欧洲杯在线平台买球材料学院副教授。作为课题负责人,主持完成国家自然科学青年/面上基金3项、教育部基金2项、企业研发基金3项。自2009年9月入职以来,主要研究方向为有机多功能材料的开发及其应用,其中包括:(1) 聚集诱导发光(AIE)材料的结构设计及其在生物医学领域的应用;(2) 多功能高分子材料的合成方法学及其在高端光刻胶、药物智能控释等领域的应用。迄今,已在J. Am. Chem. Soc.、Macromolecules、Biomaterials、Sci. China Chem.等专业学术期刊上发表论文100余篇 (H-index = 39),已获中国授权专利7项。


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