儿科罕见病教育部重点实验室杨晴来教授团队近日在国际顶级期刊Angew. Chem. Int. Ed.（影响因子16.8994，中科院一区）发表题为“Unimolecular Micellization Strategy for Achieving NIR-II Excited Fluorophores with Enhanced Brightness in Aqueous Media”的研究论文，南华大学为第一完成单位。该工作首次系统提出“单分子胶束化限域增强”策略，成功构建NIR-II激发与发射的高亮度有机荧光分子IR-FCT8CP，突破NIR-II激发的长波长探针在水相中量子产率低、易猝灭的瓶颈，为活体深层原位成像提供高效工具。
NIR-II生物成像的核心挑战与现有策略局限
近红外二区荧光成像（NIR-II，1000–1700 nm）因低自发荧光、弱散射、低组织吸收和厘米级穿透深度，被视为高潜力生物成像技术，譬如在NIR-II（1064 nm）激发下，最大允许照射剂量（MPE）达1.0 W/cm2，优于NIR-I（808 nm）的0.33 W/cm2，因此支持更深、更安全的活体探测。目前，量子点、稀土纳米晶体，有机共轭聚合物等NIR-II激发荧光探针在生物医学应用中取得了显著进展，然而，其可能的潜在的生物毒性问题仍然是制约其临床应用的关键瓶颈。合适的荧光探针仍然是NIR-II激发长波长荧光成像技术发挥优势作用的关键因素，其要求高效的光学性能与生物相容性。NIR-II有机分子探针具有光学性能可调控，易靶向修饰，且生物相容性好等优点，成为了本研究领域的优选探针材料。目前，从化学结构角度分析，具有NIR-II激发与发射特征的长波长有机分子主要包括花菁（Cyanine）类、氟化硼二吡咯（BODIPY）类、萘二酰亚胺类（NDI）、吲哚嗪杂环（RosIndolizine）类以及给体-受体组合（Donor-Acceptor: D-A）型等化合物。
NIR-II激发与发射的分子需具备较窄的能带隙（HOMO-LUMO band gap）和较强的分子内电荷转移（Intramolecular Charge Transfer, ICT）能力，以确保吸收和发射波长进入NIR-II波段区域。然而，这类分子在激发态下易与外界环境相互作用，且随着能带隙减小，非辐射衰减显著增加，导致严重的非辐射能量损失，从而降低荧光性能，使得难以获得高荧光量子产率（QY）的NIR-II荧光团。此外，现有的NIR-II荧光团设计（如强D-A结构或大π桥）在生理环境中容易受到水分子诱导的扭曲分子内电荷转移（TICT）猝灭或π-π堆叠诱导的非辐射衰变，从而导致QY急剧下降，严重制约应用。
图1NIR-II单分子胶束荧光团设计原理示意图
如何通过分子设计策略提高NIR-II激发与发射的有机分子荧光强度，以及维持其在水相中高效的荧光性能已成为了当前研究领域的关键挑战。当前，NIR-II激发与发射的有机分子水相QY增强方法，主要参考以往NIR-I激发NIR-II有机分子荧光增强所采用的传统策略，归纳起来主要有以下三种：
① 电子屏蔽基团（S）与给体基团（D）工程化策略（“个体努力”）：优化S-D-A-D-S结构降低激发态相互作用，但对NIR-II激发分子应用有限，尚未实现高QY与高ε的突破。
② 蛋白内腔限域策略（“借贵人相助”）：利用超分子腔体限制运动，提升QY，但依赖特定生物大分子，普适性差，且可能泄漏。
③ 聚集体策略（“人多力量大”）：调控聚集状态，以两亲性载体隔绝水分子，但面临载体依赖、吸收系数降低和体系复杂问题。
尽管上述策略在一定程度上提高了NIR-II激发与发射的有机分子水相荧光性能，但仍面临一些挑战：策略①需要进一步探索其在NIR-II激发分子中的应用潜力。策略②和③虽然通过外部基质的物理作用增强了荧光性能，但在活体复杂环境中可能存在荧光分子泄漏的问题，且对特定基质的选择性要求可能限制其应用场景。此外，策略③中采用的给体-受体（D-A）组合型NIR-II分子，虽然通过AIE基团与位阻效应提高了QY值，但大体积的给体基团和可转动的AIE基团可能导致分子骨架的扭曲，进而降低分子内电荷转移能力，削弱了分子的吸收波长（拖尾至1064 nm）和摩尔吸光系数（ε1064，102~103 L·mol-1·cm-1）。因此，如何在水相体系中开发高效能NIR-II激发与发射的有机荧光分子，仍然是该研究领域的重大挑战。
创新设计理念：单分子胶束化限域增强
该工作的核心洞察在于：要实现水相高亮度，必须“隔水 + 限动 + 防堆叠”，且最好不靠外部载体。由此提出单分子胶束化（Unimolecular Micellization, UIM）策略，将发光共轭核心要求的相容性微环境“写进”分子结构：
1.结构构建：设计星状两亲性分子，以荧光核心（基于S-D-A-D-S框架，TQT受体）为中心，外周多臂疏水烷基链（延伸至8碳），末端PEG亲水基团。
2.自组装机制：在水相中，自发自组装成UIM——荧光核心被致密疏水层包裹，形成局部疏水微环境；疏水“护甲”屏蔽水分子对激发态的淬灭，限制分子内转动/构象扭曲，抑制TICT与非辐射通道；外围PEG确保单分子分散、水溶性和生物相容性，避免π-π堆积。
3.优势融合：融合传统策略精华——“个体努力”（内部限域）+“完美防护”（全屏蔽隔水），无需外部基质，减少泄漏风险，普适性强。分子动力学模拟显示，UIM尺寸更小、疏水层更紧凑，提供更有效核心保护。
图2 荧光团的设计与光物理特性
图3 通过理论计算对荧光团分子的构型、电子性质、分子间相互作用进行分析
突出的性能与应用表现
所合成的星状分子IR-FCT8CP在水相中吸收峰位于979 nm（延伸至1300 nm），发射峰1181 nm（延伸至1700 nm）。以IR-26为参比，其水相量子产率达0.05%，摩尔吸光系数（ε）为1.67 × 104 M-1·cm-1，亮度（ε × QY）达8.4 M-1·cm-1，惊人地超越了母体分子IR-FCT8C在有机溶剂中的亮度（6.2 M-1·cm-1）。同时，该探针展现出优异的光稳定性与化学稳定性。得益于高亮度性能，IR-FCT8CP UIM实现了小鼠血管的高帧率NIR-II成像，使用1500 nm长通滤光片即可清晰分辨血管网络，为活体实时动态成像提供了有力工具。
该工作首次将单分子胶束化策略系统应用于NIR-II激发与发射的有机荧光探针设计，最大限度消除水分子淬灭与分子间相互作用，显著提升水相荧光性能，突破了传统探针对载体的依赖性与聚集淬灭局限。“单分子胶束化限域增强”理论为长波长、高亮度NIR-II有机探针的理性设计提供了全新指导思路，有望推动该类探针在活体原位成像、疾病诊断与治疗监测领域的临床转化。
图4 超1500 nm波长的动态血管成像
本研究得到国家自然科学基金、湖南省杰出青年基金、湖南省自然科学基金以及芙蓉计划青年人才项目的联合资助。杨晴来教授指导的研究生李泽龙和李娜为论文共同第一作者，谭啸峰博士与杨晴来教授为论文共同通讯作者。
