近红外荧光染料的结构、性质及生物荧光成像应用

!#$%&&'()*%+'&,-化学进展!#!$%&'()*+,-$.$%.)!#!$$%%%&#'()*!+,&-*&*.!!/'()'+001.2!+,10'3#$%&#&$!&)-('#%近红外荧光染料的结构!性质及生物荧光成像应用!王晓驰!常!刚!曹瑞军!孟令杰!!!西安交通大学理学院化学系!西安&$##-)摘!要!近红外荧光生物成像技术由于具有深的组织穿透性#低背景荧光干扰#最小生物样本光损伤等特点引起人们越来越多的关注!开发高荧光效率#低毒性的近红外荧光染料是近红外荧光成像技术发展的关键所在!本文综述了五类主要的有机近红外荧光染料$菁类#W+ZORm类#罗丹明类#方酸类#卟啉类%的研究进展重点分析其结构与光学性质等构效关系为近红外荧光染料的设计和制备提供指导!另外总结了有机近红外荧光材料功能化修饰的主要方法以改善生物相容性#靶向性能等最后对近红外荧光染料存在的主要问题以及未来的热点方向进行了分析和展望!关键词!近红外!有机荧光染料!荧光成像!功能化中图分类号!+,$%5n,$).&!文献标识码!/!!!文章编号!$##%0'$1##$%$#&0#&)-0$收稿!#$-年$#月收修改稿!#$%年$月网络出版!#$%年&月$日!!国家自然科学基金项目#234$$&-#'&$-&-#&)$教育部新世纪优秀人才计划#2342JP50$*0#-%*$中国博士后面上基金和特别资助基金#234#$*U%-#&*'#$-5&#)#)$中央高校基本科研业务费#234#'$-#&#'$-*$#$$资助567839:8;=39?7@AB?672;?C3D;E2;?=9;EFGC7DG7H3=D@;?C3D3IJ6CD;#234$$&-#'&$-&-#&)$?67R93K9;LI39278J7D?=9BP_G7EE7D?5;E7D?CDfDCT79C?B#2342JP50$*0#-%*$?67J6CD;R3?@3G?39;EH3=D@;?C3DH=D@R93N7G?;D@F7GC;EF=39?H=D@#234#$*U%-#&*'#$-5&#)#)$;D@?67H=D@;L7D?;EH=D@I39?67J7D?9;Ef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王晓驰等!近红外荧光染料的结构'性质及生物荧光成像应用综述与评论化学进展#$%&#&$!&)-('#%&JN\MM&.!W+ZORm.*!Y63@;LCD7;D;E3K=7.-!Fj=;9;CD7.%!+?679*!H=DG?C3D;EL3@CICG;?C3D;D@AC3CL;KCDK;ECG;?C3D*.$!H=DG?C3D;EL3@CICG;?C3D*.!HE=397G7DG7AC3CL;KCDK-!J3DGE=C3D;D@3=?E33:;引言生物荧光成像技术能够在三维尺度上对生物分子'细胞及组织l器官进行实时'可视化的检测能跟踪生物体的各种生理过程了解生物分子及其结构与功能的关系已成为当前生物医学领域的一个重要工具)$(**(荧光成像技术具有非侵入'可视化'高时空分辨率'廉价'安全和快速等优势已被广泛用于肿瘤诊断)-%*'生物分子检测),*'药物分布和代谢)&'*等诸多领域(由于生物体本身缺乏可供有效分析的信号通常需要借助外来的标记材料对生物样品进行分析(生物体的一些组分#如黑色素'血红蛋白'细胞色素等$对可见光波段有较高的吸收或散射会导致可见光的组织穿透性较差且在此波段内生物组织有一定的自荧光干扰))*(相比之下血液和人体组织对&##($$##DL的近红外#2OY$光吸收和散射较低)$#*所以红色和近红外的荧光容易透过生物组织用于活体荧光成像(近红外荧光材料的吸收发射光谱要求都在近红外区且应具有好的生物相容性'低毒或无毒性)%*(开发高荧光效率'低毒性的近红外荧光材料一直是近红外荧光成像技术发展中的热点和难点之一(与贵金属纳米晶簇'半导体量子点'稀土掺杂纳米粒子'碳点等无机近红外荧光材料相比)$$*有机近红外荧光染料具有高的摩尔消光l吸光系数和荧光量子产率'生物相容性好'结构易调'价格低廉等特点而备受重视(本文综述了五类主要有机近红外荧光染料#菁类W+ZORm类罗丹明类方酸类和卟啉类等$的研究进展重点比较其结构#母核结构'取代基的种类和位置$与光学性质#吸收l荧光波长'量子产率'光稳定性等$的关系%总结了有机近红外荧光材料功能化修饰改善生物相容性'靶向性能并实现多功能和高性能的主要方法及在生物成像中的应用最后分析近红外荧光染料存在的问题并展望了未来的热点发展方向(=有机近红外荧光染料.$!菁类菁染料#聚甲川菁染料$是一类优良的荧光染料由奇数个碳原子组成共振次甲基#甲川基$共轭链并被两个含氮杂环封端构成的一类共轭有机小分子体系(其共振结构通式如图$所示(图;菁染料的化学共振结构/?@;567973D;DG7?9=G?=973IGB;DCD7@B7单甲川和三甲川菁的吸收波长在可见区通过增加$0亚乙烯基单元#J]J]$延长共振聚甲川链可以使吸收波长发生红移(研究表明每增加一个$0亚乙烯基单元可使吸收波长红移约$##DL)$*因此五甲川菁#JB%$的最大吸收波长可达到近红外区#^&##DL$而七甲川菁#JB&$的吸收波长甚至可以超$###DL(另外通过引入稠合芳香烃来增加两端氮杂环的共轭结构也可使吸收波长红移例如OY'#的吸收波长#'#DL$比OY&'*的吸收波长红移*'DL)$**(这两种方法都是通过扩大体系的#0共轭程度来有效调控菁染料的吸收和发射波长红移到近红外区域(取代基的电子效应对染料的吸收波长也有影响(通常在染料分子骨架上引入给电子基团时如在中间位引入乙烯基由于0#共轭或$0#共轭效应会增大体系的共轭程度使最大吸收波长发生红移)$-*(而共轭骨架上吸电子基团如醛基的存在)$%*会使得共轭体系上的电子云密度下降电子跃迁能级升高从而导致吸收波长发生蓝移)$,*(分子链端的杂环核可以是吲哚'苯并吲哚'噻唑'苯并噻唑'萘噻唑'咪唑'喹啉等其共轭结构大小和推拉电子效应不同也会影响菁染料的吸收和发射波长'荧光效率及光稳定性(其中吲哚菁绿#OJQ$的光稳定性和生物安全性较好是美国食品./0.1化学进展&JNLMM&/'()'+001.2!+,10'3#$%&#&$!&)-('#%药品管理局#HZ/$批准临床使用的近红外荧光染料之一)$&*(图=菁染料OY&'*和OY'#的结构式/?@=567G67LCG;E?9=G?=973IOY&'*;D@OY'#图A不同氮杂环取代的氨基菁染料的结构式/?@A567G67LCG;E?9=G?=973I;LCD3GB;DCD7@B78C?6@CII797D?DC?93K7D67?793GBGECG9CDK随着菁染料中甲川链的增长甲川链在光照下容易断裂导致许多近红外的菁染料光稳定性变差而且水溶液中量子产率也较低影响了其生物荧光成像应用(但菁染料的结构具有很强的可修饰性经过近年持续努力已经找到一些提高染料稳定性和量子效率的方法(在多甲川链上引入氯原子或刚性桥环或改变阴离子的种类都可能提高染料的稳定性和量子产率(例如在聚甲川链的中心引入刚性的氯化环己烯能显著提高菁染料的量子产率和光稳定性)%$'*(不同含氮杂环取代中间氯原子#氯化环己烯部分$生成氨基菁染料)$)*#JB2$相应的氨基菁染料量子产率虽有所降低但进一步乙酰化的氨基菁染料#JB2/$可显著提高光稳定性)#*(另外抑制染料分子中官能团的旋转或染料分子聚集也可以提高光稳定性和荧光量子产率)$*(荧光染料的斯托克斯位移越大即发射波长与吸收波长的差值越大受背景荧光的干扰就越小从而可以获得高精确度的荧光信号(O5J#分子内电子转移$是影响斯托克斯位移的主要因素因此可通过提高分子内电子云密度的方法扩大斯托克斯位移)*(例如在聚甲川链中心的环己烯上进一步引入含氮杂环发射光的波长变化不大但能显著降低最大吸收波长含氮杂环中氮原子上的电子云密度越大其斯托克斯位移就越大而且荧光量子效率也随之增加#图*和表$$)$)*(表;甲川链中心环己烯上取代基对斯托克斯位移的影响I&8#.;5677II7G?3D?3G:6CI?3I=A?C?=?73IGBGE367_7DBE3D?67L7?6CD7G6;CD234%;AlDL%7LlDLF?3:7lDL&;,,,&'$$$%#.$'=,''&'&))#.$,A,)*&)$)'#.$*B&%#&'-*-#.$$近红外菁染料具有大的共轭结构通常是疏水的但生物荧光成像要求染料必须能够溶于水中(为改善菁染料的水溶性通常可以向菁染料中引入羧基'磺酸基等强亲水性基团)**(如果增加菁染料中芳杂环氮上侧链长度可增加亲油性但这会导致对细胞线粒体的毒性增大)-*(.!W+ZOR