近红外II区（波长在1000-1700 nm）光学成像由于其较高的穿透深度和信噪比，在精准医学方面展现了巨大潜力。特别是波长在1500-1700 nm的近红外IIb区域，由于其极低的组织自发荧光和较低的光散射，因而被称为活体成像的黄金区域。目前近红外IIb荧光探针主要以无机纳米（稀土元素）颗粒，而生物相容性好的有机纳米探针较少报道。这是由于有机材料的荧光效率在近红外IIb区域会显著降低，而不到成像的要求。因此，急需提供一种简单有效的策略用以设计有机近红外IIb探针，并用于生物活体成像。

  为解决这一难题，近日，香港科技大学唐本忠院士团队和浙江大学钱骏教授提出了一种设计有机近红外IIb分子的新策略：在分子层次调控分子内扭曲电荷转移（TICT）效应和在形态层次调控聚集诱导发光（AIE）性质，从而成功得到既具有长发射波长（1000-1600 nm）又具有较高荧光量子效率（11.5%）的近红外IIb探针，并且用于血管和肠道脏器的高分辨成像。

图 1. 分子设计策略示意图。

  具体设计理念如图1所示，在分子层次上，具有扭曲给体-受体结构的AIE分子在极性溶剂如水的诱导下，容易到达TICT态，导致分子发射红移但荧光强度降低；在形态层次上，即分子组装成纳米颗粒后，AIE分子由于分子内运动部分受限，在聚集态荧光会显著增强。但是，由于AIE分子一般富含分子转子并且呈扭曲结构，该结构会使AIE分子在聚集态下仍可以进行分子内转动，从而有利于TICT态的形成。将两者有机结合，在聚集态下就可以得到既有长发射波长又有高量子效率的AIE材料。

图2. 分子结构及光物理性质。

  以该策略为指导，作者设计了三个具有强给体-受体性质的AIE分子，分子都表现出明显的TICT+AIE的性质，并且其发射都延长到近红外IIb 区域（图2）。其中，2TT-oC26B 最大发射在~1030 nm，同时其发射波长延长到1600 nm。

图3. 全身血管成像。

  为了验证该分子能否用于活体成像，作者将该分子与两亲性聚合物组装成水分散的纳米材料。小鼠尾静脉注射之后纳米材料，进行全身血管成像。通过加置不同波长的长通滤光片，以比较传统近红外二区和近红外IIb 区域荧光成像区别（图3）。近红外IIb窗口下的小鼠具有很弱的背景信号干扰，相比较传统近红外II区具有更高的分辨率和信噪比。

图4. 肠道成像。

  为进一步体现近红外IIb穿透深度的优势，作者又进行了小鼠肠道成像，结果表明，相对于1100 nm LP和1200 nm LP，1500 nm LP下所得荧光图像更加清晰，且能看到肠道沟壑等细微结构。这也为克服荧光成像能够“看穿”身体，进行内部脏器成像提供了技术手段。因此，通过在分子和形态层次上对分子的巧妙调控，成功合成了有机NIR-IIb染料，并且实现了高深度和高信噪比的活体成像。该分子设计策略为设计新型近红外IIb有机材料提供了思路。

  论文第一作者为李媛媛博士，博士生蔡朝冲和刘顺杰博士，通讯作者为香港科技大学唐本忠院士和浙江大学钱骏教授。该工作也得到香港科技大学张浩可博士，黄庭熙同学，林荣业教授，郭子健教授的大力支持。

  原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-15095-1