本文要點：熒光團聚集導致的發射猝滅效應，長期以來一直是優化熒光成像和光電器件等發射技術的核心問題。本研究揭示了二聚體在緩解稠環熒光團4F的第二近紅外區（NIR-II, 900-1700 nm）發射猝滅中的關鍵作用，并基于此開發了高性能熒光成像技術。通過光譜解構與分子動力學模擬，證實了4F聚集體中二聚體的主導性。超快光譜和量子計算表明，二聚體的弱發射與強分子間非輻射（interNR）特征是4F聚集體發射猝滅的根源。因此通過減少二聚體比例，其NIR-II亮度達到吲哚菁綠的5倍，實現了血管成像的超高分辨率。該研究為聚集猝滅機制提供了關鍵見解，其影響遠超出NIR-II熒光成像領域。

圖1. 熒光團中NIR-II發射淬滅的示意圖

本研究揭示了二聚體在緩解熒光團聚集體中NIR-II發射猝滅的本質與核心作用（圖1）。通過設計疏水性稠環熒光團（4F）并將其封裝于兩親性共聚物（Pluronic F-127）中，構建了水溶性納米顆粒（4F NP1s），進而調控聚集體研究NIR-II發射亮度的機制。光譜解構與分子動力學計算表明，4F NP1s中二聚體與單體均參與NIR-II發射，且二聚體比例顯著高于單體。飛秒瞬態吸收（fs-TA）實驗與量子化學計算進一步揭示，相較于高發射性的單體，二聚體呈現弱發射特性且具有高效的分子間非輻射（interNR）衰變路徑。由此，二聚體的主導性及其弱發射-強interNR特性共同導致了4F NP1s的聚集猝滅（ACQ）現象。基于此，通過簡易的聚集調控策略減少二聚體比例，成功制備出超亮4F聚集體（4F NP3s），其亮度達7.1×103 M?1 cm?1，是吲哚菁綠（ICG，1560 M?1 cm?1）的5倍，創NIR-II熒光亮度新高。這一特性使4F NP3s在血管成像中展現出超高分辨率。

圖2. 4F 在單分子和聚集狀態下的光學特性

在四氫呋喃（THF）溶液中，4F展現出強近紅外吸收（ε??? nm = 6.4×10? M?1 cm?1，圖2a）與高強度NIR-II發射，其光致發光量子產率（ΦPL）高達17.1%（參比物：IR-26，ΦPL=0.5%，圖2b），性能超越多數已報道的NIR-II熒光團。這種長波長吸收/發射特性源于4F完全平面骨架中的大范圍π共軛效應：其在基態（S?）與激發態（S?）的扭轉角均極小（<0.4°，圖2c）。相互作用區域指示分析表明，4F的平面構象由分子內非共價S···O構象鎖穩定（圖2c）。值得注意的是，這種獨特構象鎖不僅支撐了長波長吸收/發射所需的平面結構，還增強了分子剛性，顯著抑制分子運動導致的非輻射能量耗散。

為適應生物應用，將疏水性4F（1 mg/mL）封裝至Pluronic F-127中，制備出水溶性納米顆粒（4F NP1s）。動態光散射（DLS）和透射電子顯微鏡（TEM）證實，所得納米顆粒均一性良好，流體力學直徑為50 nm。相較于THF中的單分子4F，4F NP1s的最大吸收峰出現顯著紅移，且在808 nm處的摩爾吸光系數（ε）提升至6.8×10? M?1 cm?1（圖2a）。這一紅移使其吸收更接近800 nm左右的生物組織透明窗口波長，增強了其在深部組織生物應用中的潛力。然而，4F NP1s的熒光性能顯著下降，其光致發光量子產率（ΦPL）從17.1%驟降至2.6%（圖2b）。相應地，4F NP1s的熒光亮度相較于THF中的單分子4F降低了一個數量級（1.79×103 M?1 cm?11 vs. 1.09×10? M?1 cm?1），極大限制了其生物成像應用價值。

當fw增至20%時，4F在約850 nm處出現新的紅移吸收峰，并在1050 nm附近產生PL峰，與4F NP1s（聚集態）的光譜特征高度吻合。隨著fw繼續增加，1050 nm處的聚集態發射峰顯著增強，而4F整體PL強度逐漸降低（圖2d）。分子動力學模擬證實，體系中存在多種二聚體構型與單體共存（圖2e、f）。因此，將850 nm處的長波長吸收峰與1050 nm處的發射峰歸因于二聚體。光譜解構進一步揭示4F NP1s的雙組分熒光特性（圖2h），其發射峰分別對應單體（~940 nm）和二聚體（~1050 nm）。值得注意的是，4F NP1s中二聚體占比顯著高于單體（64.3% vs. 35.7%），表明二聚體在體系中占主導地位（圖2h）。此外，量子化學計算表明，二聚體的振子強度小于單體，預示其發射能力較弱。同時，納米顆粒內二聚體分子間距僅約3?（圖2f），強烈的π-π相互作用進一步加劇了非輻射衰變。綜上，4F聚集態熒光減弱的主要原因是體系中占主導的低發射性二聚體種群。

圖3. 通過減少二聚體數量顯著緩解發射猝滅

接著，研究者通過調控F-127溶液中4F的摻雜濃度，實現對聚集體內二聚體種群的精準調節。相較于高濃度（4F: 1 mg/mL）的4F NP1s，低濃度摻雜的4F NP2s（4F: 0.1 mg/mL）和4F NP3s（4F: 0.01 mg/mL）的流體力學直徑略有減小，分別為40 nm和30 nm。長期儲存的4F NPs熒光強度和光譜形態均無明顯變化，光學性能穩定。上述結果共同表明4F NPs具有卓越的穩定性。4F NP2s的吸收光譜與4F NP1s相似，分別在760 nm和840 nm處呈現單體和二聚體的特征吸收峰（圖3a）。相比之下，4F NP3s的840 nm處二聚體吸收峰和1050 nm處發射峰均顯著減弱（圖3a, b）。光譜解構顯示，4F NP3s中二聚體占比從73.5%降至64.3%（圖3a），隨著4F濃度降低，二聚體比例減少。

正如預期，4F NP2s和4F NP3s的熒光量子產率（ΦPL）顯著提升，分別從4F NP1s的2.6%增至2.9%和7.5%（圖3c）。此外，隨著聚集程度降低，其在808 nm處的摩爾吸光系數（ε）也從6.8×10? M?1 cm?1逐步提升至7.2×10?和9.5×10? M?1 cm?1，其中4F NP3s的ε808nm甚至高于單分子態4F（ε808nm=6.4×10? M?1 cm?1）。綜合來看，4F NP3s的熒光亮度高達7.1×103 M?1 cm?1（圖3c），幾乎與THF中單分子態4F的亮度（10.9×103 M?1 cm?1）相當，且是4F NP1s（1.8×103 M?1 cm?1）的4倍。值得注意的是，4F NP3s的亮度還比吲哚菁綠（ICG，1560 M?1 cm?1）高出約5倍，達到NIR-II熒光亮度的頂級水平。這些現象表明，通過調控二聚體比例可有效緩解聚集導致熒光猝滅（ACQ），從而顯著提升4F聚集體的NIR-II亮度。

進一步通過超快光譜分析，深入理解了4F NP3s的ΦPL提升機制。基態漂白（GSB）區域的動力學曲線顯示，4F NP2s和4F NP3s的非輻射衰變（interNR）速率減緩，其時間常數從0.49 ps延長至0.98 ps（圖3d）。同時，二聚體發射壽命從9.4 ps延長至11.6 ps。飛秒瞬態熒光光譜測得4F NP3s的熒光壽命為435 ps（圖3e），與飛秒瞬態吸收（fs-TA）在GSB區域提取的長壽命組分（496 ps）高度吻合。因此，4F NP2s（227 ps）、4F NP1s（179 ps）和單分子態4F（134 ps）的時間常數被合理歸因于單體熒光。遺憾的是，受限于檢測靈敏度（~300 ps），無法通過飛秒瞬態熒光光譜測得4F NP2s、4F NP1s及單分子態4F的熒光壽命。綜上，這些結果證實了二聚體在調控4F聚集體NIR-II亮度中的核心作用：增大分子間距的二聚體不僅能保留強效的長波長吸收，還可緩解長期存在的ACQ問題，為設計超越NIR-II成像應用的更高亮度熒光團提供了重要指導。

圖4. 體內高性能NIR-II熒光成像

4F NP3s的卓越亮度展現了其在活體NIR-II熒光成像中的巨大潛力。對4F NP3s的NIR-II熒光成像性能進行評估，并與臨床認可的造影劑吲哚菁綠（ICG）進行對比。將4F NP3s或ICG溶液（200 μL，1 mg/mL）通過尾靜脈注射至小鼠體內后，使用配備不同長通濾光片（1000、1300及1500 nm）的InGaAs探測器進行全身血管造影（圖4a）。成像結果顯示，4F NP3s的空間分辨率顯著優于ICG。值得注意的是，在NIR-IIb窗口（1500 nm長通）下，4F NP3s能清晰顯示血管結構且背景噪聲顯著降低，與常規NIR-II區域（980和1300 nm長通）的模糊血管相比，展現出卓越的成像對比度。通過后肢血管的高倍放大成像，980、1300及1500 nm長通濾光片對應的血管半峰寬（FWHM）分別為0.49、0.30和0.25 mm（圖4b），證實NIR-IIb成像具有更高分辨率。同時，NIR-IIb區域的信背比（SBR）高達4.04，遠超980 nm（1.71）和1300 nm（2.75）長通濾光片的SBR。更重要的是，NIR-IIb窗口下可清晰分辨腹部血管周圍的分支小血管，而常規NIR-II窗口則無法獲得清晰圖像（圖4a）。這些結果表明，4F NP3s在活體內實現了高性能熒光成像，并具有優越的信背比。

4F NP3s在骨肉瘤荷瘤BALB/c裸鼠模型中進一步展現了其在深部腫瘤成像中的潛力。如圖4c所示，注射后6小時即可在腫瘤部位觀察到顯著的NIR-II熒光信號，且信號強度隨時間逐漸增強，于24小時達到峰值。這表明4F NP3s能夠通過增強滲透滯留（EPR）效應實現深部穿透成像，并在腫瘤區域有效富集。即使注射后36小時，腫瘤部位熒光信號雖有所減弱，但仍保持良好亮度，凸顯了4F NP3s作為深部腫瘤導航探針的長期NIR-II熒光成像潛力（圖4d）。4F NP3s展現出高分辨率的NIR-IIb血管成像性能，并作為腫瘤導航對比劑在光熱診療應用中具有卓越潛力。

本研究提出并驗證了以弱發射和強烈的NR間衰減為特征的占主導地位的二聚體群體是在 4F 聚集體中觀察到的 ACQ 的基礎。這標志著在解決 ACQ 長期挑戰方面取得了重大進展。這種方法的成功引入了一種創新策略，即使在聚集狀態下也能開發超亮有機π共軛材料。總之，這項研究不僅為克服 ACQ效應提供了新的見解，也為創建高效和穩定的 NIR-II 熒光團鋪平了道路。

參考文獻

Miao X, Jia M, Weng X, et al. Alleviating NIR-II emission quenching in ring-fused fluorophore via manipulating dimer populations for superior fluorescence imaging[J]. Light: Science & Applications, 2025, 14(1): 109.

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動物活體熒光成像系統 - MARS 

In Vivo Imaging System

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