J聚集增强分子荧光策略在NIR-II荧光成像中的应用（上篇）
内容提要
在第二近红外(NIR-II, 1000-1700 nm)窗口发射具有强光学收获和高量子产率的分子荧光团在体内深部组织成像和高分辨率生物传感方面具有很大的潜力。最近，J聚集体被用于设计长波NIR-II发射器，并在肿瘤检测、血管测绘、手术导航和光治疗方面显示出独特的优势，因为它们在所需的滑动堆叠排列聚集状态下具有色移光学带。本文着重阐述了如何利用特定的分子结构形成具有J型聚集激子耦合的滑动堆叠包装基序。首先，积极总结并深入分析了几种分子调控策略，以实现包含分子间相互作用和外部条件的NIR-II J -聚集体。系统总结了近年来有关J聚集体用于NIR-II生物成像和治疗学的报道，为促进NIR-II有机荧光团的发展提供明确的参考和方向。最后，概述了改善和促进NIR-II J -聚集体进一步临床实践的前瞻性努力。
前言
近红外荧光成像(NIR FI)已广泛应用于基础研究和潜在的临床实践。尽管传统的NIR-I FI (650-900 nm)在生物组织的生理或病理系统的可视化方面具有巨大的优势，但由于生物组织的背景自身荧光明显，光吸收强，散射效应明显，因此成像深度不足。根据最新的进展报告，较长的波长通常意味着较低的光毒性和更深的组织穿透。因此，鉴于传统成像技术的不足，探索先进的分子成像已成为人们关注的焦点，以促进深部组织光学成像技术的发展。
第二种近红外(NIR-II, 1000 - 1700 nm) FI技术相对于传统FI技术而言，能够实现更深入的组织穿透、更高的空间分辨率和更灵敏的检测，在光学成像和光疗领域具有更广阔的应用前景。自单壁碳纳米管应用于活体NIRII FI的开创性研究以来，越来越多的NIR-II荧光团被精心合成，包括稀土掺杂纳米颗粒、无机量子点和金纳米团簇，它们具有理想的光学和化学性能，并被广泛用于NIR-II荧光生物成像。与存在潜在慢性毒性疑虑的无机纳米材料相比，由完全有机�-electron离域分子组成的有机半导体荧光团(OSFs)具有构建NIR-II发射荧光团的非凡优点，包括光谱可调、易于修饰、出色的生物相容性和潜在的生物可降解性。[10]特别是，与无机发色团相反，OSFs有效地避免了通常对生物有机体有害的外来金属元素带来的风险，促进了出色的活体生物成像和潜在的临床实践。近年来，NIR-II OSFs在体内成像方面发展迅速。例如，2015年，Dai及其同事设计并制备了第一个有机半导体小分子NIR-II荧光团，该荧光团可以通过肾脏快速排泄，用于无创前哨淋巴、淋巴血管测绘和脑肿瘤检测。Shi等人通过放大�-conjugation和增强分子内电荷转移效应，制备了一些新型的基于杂蒽的NIR-II OSFs，用于血液循环的活体动态成像。最近，在2019年，Tian等人使用商业和临床批准的吲啶青绿(ICG)进行了NIR-II荧光图像引导的肝脏肿瘤手术的首次人体临床实践(图1d)。尽管开发了许多构建有机NIR-II荧光团的策略，但其中大多数是基于需要复杂修饰过程的结构修饰，例如延长共轭链和建立复杂的结构。前者容易产生令人不满意的堆积和聚集猝灭(ACQ)效应，而后者需要经历漫长而复杂的修饰过程，这制约了osf的合成和应用。因此，有必要重点设计和开发可行和有效的构建策略，使明亮的NIR-II OSFs具有良好的生物相容性和可忽略的慢性生物毒性，以进一步进行生物信息绘制
尽管已经做出了巨大的努力，但对长波长和高性能NIR-II荧光团的直接可编程策略的追求几乎停止了推进。近年来，具有J聚集的有机荧光化合物的分子组装成为一个研究前沿。J -聚集体是一种高度有序的分子“头尾”滑移堆叠，它导致了一个构造的J型聚集激子耦合，从而产生了独特的光化学和光物理势，如吸收峰红移(γabs)和发射波长( (γem)，消光系数增加，光谱带宽变窄，光学稳定性提高等。与复杂的化学合成相比，通过形成J聚集实现OSFs到NIR-II区的波长红移似乎是一种简单而灵活的途径。迄今为止，已报告了几个关于J-aggregated NIR-II的例子。典型的是，在2019年，Zhang等人提出了一种吸收1360 nm、发射1370nm的J聚集菁染料，用于活体小鼠1500 nm以上的高分辨率NIR-II动态血管成像。Lu和同事报道了一种J聚集的硼二吡咯烯(BODIPY)衍生物，该衍生物具有NIR-II荧光，可用于淋巴结定位和荧光辅助手术。最近，Zhang开发并提出了一种原位有序分子组装方法，为生物成像和肿瘤手术导航提供了NIR-II J聚集的荧光团。尽管NIR-II J型聚集体在不断发展，但大多数报道的J型聚集体都是偶然发现的，缺乏合理清晰的参考和设计指南。如何合理可控地获得NIR-II的J聚集体仍是一个挑战。虽然在过去的几年里，也有一些综述了J -聚集分子的构建和应用，但大多数都侧重于将单个分子骨架修饰为J-聚集体或只关注NIR-I J -聚集荧光团。例如，在2021年，wuthner总结了用于制造J -聚酰亚胺衍生物的超分子工程。Zhang和同事总结了NIR-I J-aggregates在生物成像和治疗方面的发展。Lei和Zhang详细阐述了NIR-II荧光团的策略设计，以促进生物NIR-II成像，而较少涉及NIRII J -聚集体。因此，深入回顾用于生物成像的J聚集NIR-II荧光团的发展和策略设计。很少有人关注战略工程的系统概述和J聚集NIR-II荧光支架对NIR-II荧光实践的全面回顾。
本文主要综述了J聚集策略对各种有机分子荧光团的NIR-II荧光增强生物成像的影响。具体而言，总结了诱导J聚集形成的几种构建策略，包括位阻、电子、分子间氢键、亲疏水、原子规划和外部条件。随后，主要对J聚集型有机NIR-II荧光支架的报道进展进行了全面介绍，包括BODIPY衍生物、菁氨酸分子、方碱、卟啉衍生物、二酮吡咯、苯并[c]噻吩等。最后，概述了重新利用NIR-II J -聚集体促进光学成像技术进一步临床实践的持续努力和前景。总之，本教程综述旨在为合理高效地设计具有优异光物理性能的NIR-II有机发色团提供直观的参考，并期望扩展NIRII荧光技术的实际应用，以潜在的临床生物医学应用。
1. 诱导J聚集体形成的策略设计
J聚集的形成通常需要分子结构的有序滑动排列。然而，面对面排列的H-agaggregation比从头到尾的堆叠更容易形成。为了设计稳定的聚荧光团，需要对有序组装结构进行分子调控以制备头尾堆叠。这一部分主要是对J聚集形成的各种战略设计进行总结。
1.1. 位阻调节策略
位阻是影响有机化学反应的重要因素，在化合物性质和有机反应过程中起着重要作用。在荧光分子的超分子组装中，限制单键旋转和分子扭曲等庞大基团的作用不仅可以增加化合物的稳定性，还可以诱导分子聚集行为。因此，已有关于空间位阻诱导J聚集的报道。Zhao等人在2014年精心设计并制备了采用位阻调节策略表现出J聚集行为的氢氮杂环二酰亚胺衍生物。该分子具有富电子的氢氮杂七烯骨架，具有4个吸电子的二羧基取代基以及4个支链烷基大基。进一步的控制实验旨在证明这些侧链的数量和位置对J聚集的实现有极大的影响。为了进一步分析J -聚集体的形成，他们发现来自支链基团的高空间位阻限制了面对面H-聚集体的堆叠模式。此外，芳香主链与烷基侧链之间的相互排斥作用导致分子扭曲聚集。因此，分子倾向于通过诱导具有空间位阻的基团聚集成J型态。此外，Hao的团队设计并构建了带有四个给电子的甲氧基片段的菲[b]-融合BODIPY (pf-BDP)，这些片段连接在吸电子的BODIPY核心上。此外，在BODIPY结构的介位中引入了一个庞大的单元。这种位阻可以在很大程度上限制扩展BODIPY平面结构的面对面堆叠，以避免不希望的H聚集。通过分子动力学模拟研究，构建的pf-BDP支架的分子填充模式和优化的三维几何形状表明，pf-BDP的大体积间基单元限制了两个侧支BODIPY核心之间的分子间距离，并导致滑动排列。目标分子的结构填充采用了19°的共面滑移堆叠，这解释了J型聚集。此外，Liu等人通过在骨架的介孔位置引入空间位阻体[2,2]副环苯基(PCP)片段(PCP)，设计并制备了PCP- bdp2，该骨架具有J聚集行为和NIR-II荧光发射。Li和同事还制备了阴离子花青素光敏剂，并通过引入三氰呋喃端基实现了分子J型聚集。他们研究了获得的阴离子C3T-X具有不同反离子的性质，其中X表示反离子，分别包括吡啶(X=Py)，钠离子(X= Na)和体积较大的十二烷基(三苯基)磷阳离子(X= Pc)。与其他两种C3T-X相比，所得到的C3T-Pc在单体和聚集状态下都表现出J聚集的能力，具有显著的红移发射光谱，并且单线态氧生成效率都有所提高。此外，Zhang等人利用新型有机金属纳米平台(PpyPt NPs 4.76)开发了一种缺氧反应的NIR-II FI技术，用于体内肿瘤的高度特异性定位。基于该报告，一个空间苯基环官能团与典型卟啉结构(PpyPt)的介位结合，形成具有明显红移到NIR-II区的J聚集荧光团。此外， XRD证实PpyPt J聚集的形成。由于15-苯基环和5-苯基环的位阻相互作用限制了分子的“面对面”堆叠和Pt-Pt相互作用，PpyPt的平面结构表现出明显的J聚集性能，诱导了PpyPt有序的“头尾”型J聚集排列。总的来说，这些报告为阐述空间位阻相互作用的分子堆积模式提供了明确的指导。理想情况下，体积较大的分子支架最适合于J聚集体的错位滑移排列。然而，外部环境、柔性分子侧链、表面电荷等也可能削弱空间位阻对J聚集形成的影响。因此，探索其他控制策略对于J聚集体的产生和阐明J聚集体的形成机制具有重要意义。
1.2. 电子调节策略
为了进一步丰富J聚集策略库，除了考虑分子本身的空间立体化学结构外，还需要进一步探索分子内或分子间的电子效应来解读J聚集信息学。推挽电子效应、偶极-偶极相互作用和静电相互作用是分子间的主要相互作用机制。分子系统中电子分布的平衡是设计NIR-II J -聚集体的关键。通过电子调节策略制备J聚集分子，我们可以通过促进偶极矩的产生、建立D-A-D结构、充分利用相反电荷来构建分子。电子在分子体系中的不平衡分布可以有效诱导分子的取向排列，促进J聚集体的产生。基于这一原理，设计出了越来越多性能优异的J型骨料。最近提出了基于电子调节原理设计J聚集发色团的优雅例子。例如，Tang的团队开发了一种通过结构异构化调节策略构建J聚集的NIR-II荧光团的有效策略。Wang和同事们通过引入电子共轭效应和推拉电子相互作用，精心制备了一种D -A结构的乙烯桥J聚集BODIPY (BisBDP2)，用于高效光声成像(PAI)和光热治疗(PTT)。制备的BisBDP2由两个供电子THQ基和一个吸电子能力优异的CF3基团组成。此外，BisBDP2通过将两个单体与桥接乙烯基团结合，具有出色的J聚集能力，这是分子J偶联堆叠调节所需要的。随后，由于推拉效应的协同作用和�-conjugated平面的扩大，锯齿型BisBDP2形成分子间J偶联聚集，从而产生荧光团向NIR-II区域的显色位移。
由于分子间和分子内存在偶极子-偶极子激子耦合相互作用，J聚集体的激发电子分散在整个分子排列中。这种离域电子结构有利于J -聚集体具有很大的红移波长和优异的光/热稳定性。受此特性的启发，Wurthner团队基于双激子耦合策略，设计并合成了具有NIR-II发射的J聚集双方碱(Bis-SQ)荧光团。该有机发色团包含两种近红外染料，其尾部至头部堆叠导致分子内J聚集偶联，在极性氯仿中显示出位于971 nm的荧光峰和961 nm的最大吸收。然而，在低极性溶剂甲苯中，偶极子-偶极子相互作用和双- sq相互作用驱动双- sq自组装成纳米纤维分子间J偶联聚集体，进一步产生1116 nm的光学红移荧光发射和1095 nm的吸收。2022年，Guo等人通过分子内激子分裂策略报道了乙烯桥接aza-BODIPY二聚体。乙烯桥的存在确实促进了分子间激子耦合的发生，促进了J聚集体的形成。将分子荧光团包封在两亲性的F-127聚合物中后，二聚体之间的距离缩短，J聚集的纳米粒子表现出明显的分子间J型激子耦合，在1003 nm处发射。通过调节分子内和分子间激子耦合获得的这种卓越的纳米平台是癌症光疗的实用范例。Kim等人基于静电相互作用设计了一种基于中位酯BODIPY染料的肝素特异性可激活探针C10-Py+，与肝素结合时表现出J聚集行为。制备的C10-Py+由BODIPY主链和酯支链修饰的亲水季铵化吡啶环组成。此外，疏水阳离子十亚甲基链起连接作用。通过与肝素的静电相互作用，C10-Py+的球形聚集纳米结构被破坏，同时形成J聚集的超分子组装体。利用静电相互作用或促进分子偶极矩来促进荧光团的J偶联堆叠调节是一种经过验证的有效方法。这种定制的电子调节策略容易受到周围环境的影响，如极性、pH值和氧化还原，这些都会影响分子系统中的电子分布。在这种情况下，这些不确定因素可能会成为未来先进J聚集领域研究的障碍。
1.3. 分子间氢键调节策略
作为前面的空间结构调节，氢键的驱动力被认为有很大的潜力帮助分子形成有序的J聚集自组装。氢键在优化有机光功能分子的化学特性和光物理能力方面起着关键作用。分子间氢键的存在可以促进分子形成定向排列。因此，利用分子间氢键可以设计J聚集体。苝酰亚胺(PBI)的J聚集体最典型的例子是基于氢键制备的。由于PBIs骨架为平面的苝酸酐，使得PBIs容易形成不利的H型聚集体，从而极大地限制了其实际应用。为了克服这一挑战，Hecht等人设计了一种具有特定取代基的PBI，通过在平面苝酐的港湾位置引入富电子的二噻吩单元连接3,4,5-三(十二烷基氧基)苯基，改变了PBI的聚集行为，进一步促进了柱状螺旋结构的形成。PBI无取代基的酰胺位置能进一步促进氢键的形成。进一步的研究表明，在氢键和相互作用的引导下，PBI分子可以在溶液中自组装成螺旋J -聚集体。该模式为长波长J聚集分子组件的工程化分子间氢键调节策略提供了参考。利用J聚集体制备非掺杂电致发光器件也引起了人们的广泛关注。赵等通过与C·H··和CN·H··C的相互作用，制备了两个近红外热激活延迟荧光(TADF)发色团。形成的J聚集非掺杂有机发光二极管(oled)具有提高的发射效率。因此，未掺杂的NIR OLED获得了最高的外量子效率(EQEmax)为9.44%，发射峰为711 nm。Herbst等人展示了一系列J聚集的PBI衍生物，其中J聚集可以通过滑动的共轭叠加和强氢键产生。定制的PBI化合物由一个PBI核心与两个亚胺位点的NHs和四个苯氧基组成。这些PBI的螺旋组装可以通过氢键相互作用和滑动�-stacking进一步形成扭曲�-aggregates，以及PBI外围的空间拥挤，从而提供J聚集的分子排列。最近，Li等人报道了一系列基于喹唑啉酮衍生物的高稳定性和活化的NIR-II J聚集荧光团，这些荧光团与半花氨酸共轭体系具有很强的分子内和分子间氢键相互作用。这些J聚集的荧光团有效地克服了模板的经典限制，并有助于J聚集体的稳定性，允许在生物环境中原位有序自组装。综上所述，本研究试图利用氢键相互作用诱导NIR-II J -聚集体的形成，并有效地开发了构建长波长J -聚集体探针的策略。尽管氢键相互作用相对于分子的有序排列具有很大的优越性，但大多数由氢键相互作用驱动的Jaggregates都是随机发现或偶然观察到的。值得注意的是，许多荧光团具有氢键相互作用，但大多数荧光团难以形成J聚集体。未来的研究可以考虑氢键相互作用与其他潜在因素的协同效应，如分子固有的空间结构和外力。
1.4. 亲疏水相互作用调节策略
分子的亲疏水性是分子J聚集组装中不可忽视的关键因素。分子的亲水性使它们有可能在不同的介质中有序排列。分子骨架的疏水段和亲水段与周围介质之间的斥力和配位诱导了分子的定向自组装。通过在疏水分子骨架中引入亲水性基团或在分子框架中放置疏水染料，得到的两亲性分子可以容易而有效地诱导取向排列。此外，亲疏水相互作用可以通过限制分子运动来调节J聚集体的产生。这是一种简单易行的方法来调节J -聚集体的制备。最近，Li的研究小组精心设计了一种刺激响应的核壳纳米平台，该平台由亲水性PEG外壳和滑动堆叠的BODIPYs (BD-PGMe)组成。他们采用碘取代的BODIPY(含过氧亚硝酸盐响应的中羧酸酯段)来有序地引导两亲性二嵌段共聚物聚乙二醇-嵌段聚己内酯(PEG-PCL)的分子组装。疏水部分较短的BD-PGMe容易形成J聚集。相反，在加入较长的疏水段后，BD-PGMe可以聚集成随机堆积模型，它们之间具有很强的疏水相互作用，并且容易形成胶束。经过过氧亚硝酸盐的刺激，J聚集的BD-PGMe的疏水中羧酸保护基被破坏，从而破坏了高度有序的J型排列，形成非堆叠状态，同时之前的核壳非板结构转变为纳米棒。亲水/疏水诱导J聚集的另一个代表性范例是通过引入两亲性脂质体。例如，Zheng等人报道并合成了一种创新的aza- bodipy -脂质构建块，并将其推广用于肿瘤的多模态光学成像。进一步的实验表明，在定制的BODIPYsome内存在稳定的近红外J聚集体，这归因于两亲性脂质体结构内受限制的疏水aza-BODIPY诱导的J二聚体效应。组装的aza- bodipy -脂质纳米结构呈现J聚集，导致从660到702 nm的显著红移吸收。鉴于其迷人的光学特性，所获得的Jaggregated BODIPYsome可以在PAI和NIR FI的指导下实现肿瘤组织的可视化。总之，利用亲疏水分子间相互作用形成稳定的J聚集体，对于开发多功能、可调长波双光子纳米平台具有很大的优势。然而，亲疏水分子间相互作用诱导的J聚集体易受复杂生理条件的影响，其结构稳定性和生物稳定性较差。在病理环境下开发稳定或可活化的J -聚集体是进一步临床实践所需的有效方法。
1.5. Atom-Programming策略
与不可控的外部环境相比，分子结构的修饰更有利于形成稳定的J聚集体。在分子工程中引入特定的原子有望通过定向力诱导原子聚集，定向力来源于原子之间的电负性差异和形成共价键的倾向。例如，具有中等强度和高度定向相互作用的卤素键(X─B)已成为实现有序自组装超分子体系的有效驱动力。近年来，李的研究小组通过在BODIPY主链上引入不同的卤素原子，开发了一系列J型聚集体。2020年，他们首次利用两种不同的正交X─B相互作用制备了J聚集的2D片层。在BDP-Cl或BDP-Br的晶体状态下，研究了分子间相互作用。如图所示，BODIPY分子中取代的卤素原子与周围的卤素原子相互作用，产生定向X··X键(Cl··Cl或Br··Br)，称为ii型X··X卤素键。值得注意的是，BODIPY分子中的卤素原子是X··X键的供体，同时也是X··X键的受体。这两种卤素相互作用促进了BODIPY J -二聚体的形成。与Cl··Cl键相比，Br··Br键更短，键角更容易达到90°，这是由于氯原子的极化率比溴原子弱。此外，他们合成了不含卤素的BDP-H作为对照，对比探索卤素效应在J聚集体形成中的作用。进一步的研究表明，卤代BDP在水溶液中可以形成J -团聚体，但在相同的溶液中无法观察到BDP- h的J -团聚体，这说明仅靠分子间的堆叠相互作用驱动很难形成J -团聚体。在水溶液中，BDPs的卤素结合相互作用很容易形成强的结合亲和力和有序的堆叠，从而产生J聚集效应。在上述工作的基础上，他们采用相同的策略制备了具有非光漂白和近红外光吸收的J-packing纳米pta (J-NP)。在强相互作用和分子间卤素键的作用下，形成了滑动堆积的J型排列，使得J-NP具有良好的光物理和光化学性能(如103nm的红移吸收)。此外，聚乙二醇化的球形J-NP具有较高的细胞摄取效率，对活体小鼠肿瘤PTT具有良好的光热效力。2021年，Li的团队利用先前提出的卤化J聚集BODIPY设计策略，构建了由双激光近红外光束激活的光敏纳米平台(An-NP)，用于协同光动力治疗(PDT)和PTT的增强抗肿瘤光疗。an - np由三个关键元素组成:产生1O2的光敏剂，能够捕获/释放具有良好可逆性的1O2的蒽衍生物，以及具有优异光热性能的溴取代J聚集BODIPY。他们提出了分数PDT(命名为fPDT)，通过使用不同波长的激光分段光学曝光来照射纳米系统，以便在PDT期间补充氧气。总而言之，特别是利用原子规划策略，卤素键结合相互作用已经被探索和发展到设计J聚集的有机发色团。值得注意的是，这种量身定制的策略通常需要与其他相互作用相结合，以设计高效的J -聚集体，例如强的作用力和氢键。
1.6. 环境条件
除了修饰荧光团本身，还可以通过调节分子的外部条件，包括温度、无机盐、外部模板调节等来获得J-aggregates。与通过结构优化形成J -聚集体相比，通过环境条件调节来实现有序滑动堆积是一种更容易、更灵活的途径。例如，Zhang的团队最近提出了一种简便的策略，通过在水溶液中热处理H聚集形态(FDH)来制备J聚集的FD-1080 (FDJ)。FD-J表现出明显的红移吸光度和发射波长分别为1360 nm和1370 nm。由于NIRII发射，FD-J用于高分辨率血管测绘。此外，通过改变染料的环境条件，他们将FD-1080加载到有限的空间中，即介孔二氧化硅的垂直通道中，得到NIRII J聚集的MSTPs-FDJ@PAA。制备的MSTPs-FDJ@PAA在1300 nm以上均显示出发射和吸收，可实现荧光成像引导下的微创骨修复手术。Ma和合作者制备了两种氮杂包覆菁菁衍生物N-benzyloxycarbonyl Cy-CO2Bz和Nethyloxycarbonyl Cy-CO2Et，它们在无机盐NaCl的作用下容易形成J型聚集体。随着溶液中NaCl浓度的增加，Cy-CO2Bz和Cy-CO2Et的单体吸收逐渐减弱，而J -团聚体吸收增强。然而，它们的荧光强度逐渐缩小，这可能是由于聚集引起的发射猝灭(图7g,h)。有趣的是，进一步的实验表明，Cy-CO2Bz对NaCl表现出良好的荧光信号响应，有助于跟踪盐胁迫对植物的影响程度。而Cy-CO2Et则抑制了荧光信号，显示出优异的光热转换效率(PCE)(57.59%)，促进了PTT在癌症中的应用。重要的是，与化学修饰相比，利用外部条件调节来实现J聚集的形成似乎是一种简单而灵活的途径。然而，潜在的结构不稳定性极大地限制了其进一步的临床应用。这些报道有助于我们深刻理解分子组装J聚集体的堆积行为和光学机制。J-aggregation的形成通常不是由单一的相互作用驱动的。这种高度有序的分子“从头到尾”滑动堆叠通常难以精确定义。未来对J -聚集的研究将集中在合理调节分子间的相互作用与外界条件的关系上。
参考文献
Xiaoming Hu, CaiJun Zhu, Fengwei Sun, ZeJing Chen, Jianhua Zou,* Xiaoyuan Chen,* and Zhen Yang*, J-Aggregation Strategy toward Potentiated NIR-II Fluorescence Bioimaging of Molecular Fluorophores, Adv. Mater. 2024, 36, 2304848, https://doi.org/10.1002/adma.202304848