近期，深圳北理莫斯科大学王昊然副教授，联合哈尔滨医科大学侯大勇副教授团队、香港中文大学（深圳）唐本忠院士团队，提出了一种通过调控聚集态分子堆积实现近红外二区（NIR-II）发光的新策略。该工作以D-π-A-π-D型近红外荧光分子为研究对象，通过在受体单元中引入二氰基结构，实现对分子晶体堆积方式的显著调控。尽管该结构修饰对分子稀溶液中的光物理性质影响有限，但在聚集态中却诱导形成了更强的层间空间相互作用和发光二聚体，从而带来显著红移的NIR-II发射。
该研究不仅揭示了微小结构扰动如何在聚集体中被放大为显著光物理变化，也为有机NIR-II荧光材料的设计提供了区别于传统共价骨架改造的新思路。为进一步研究其应用场景，作者将该分子制备为靶向纳米颗粒，实现了膀胱癌小鼠模型和患者来源膀胱肿瘤样本的高对比度荧光成像，为荧光引导膀胱癌精准手术提供了潜在材料选择。
2026年8月12日，该工作以“Butterfly effect in aggregates: Packing motif-induced through-space interactions enable NIR-II emission for image-guided bladder cancer surgery”为题发表在《Matter》上（Matter 2026, 9, 102956）。文章第一作者为深圳北理莫斯科大学王昊然教授和哈尔滨医科大学博士生王悦泽，贵阳学院的杨林林教授在合成方面给予了大量支持，五邑大学的武波副教授在理论计算方面给与了大量支持。
有机近红外二区（NIR-II）荧光材料因具有组织穿透深、背景干扰低、光损伤小和成像分辨率高等优势，在活体荧光成像、疾病诊断和荧光引导手术等领域展现出重要应用前景。然而，传统NIR-II荧光分子的设计通常依赖复杂的供体-受体（D-A）结构调控，通过扩大π共轭或增强分子内电荷转移来缩小能隙，从而实现吸收和发射波长的红移。这类策略往往需要分子结构改造，合成步骤复杂，也限制了材料体系的快速拓展。因此，如何通过更加简洁、精准的方式调控有机分子的NIR-II发光性能，是该领域长期关注的重要问题。
在聚集诱导发光（AIE）的研究领域表明，分子在聚集态中的光物理行为常常与单分子溶液态截然不同。分子堆积方式不仅能够影响发光强度，还可以调控发射波长、寿命以及激发态弛豫过程。受“蝴蝶效应”启发，作者提出：如果能够通过微小的分子结构扰动，放大其在聚集态中的堆积差异，或许可以在不显著改变溶液态光物理性质的情况下，实现聚集态发光性能的巨大跃迁。
示意图1：TTBF和TTBTM的分子设计策略、聚集态吸收/发射变化以及TTBTM纳米颗粒用于膀胱癌荧光成像导航的示意图。
在分子设计方面，作者构筑了两个D-π-A-π-D型近红外发光分子TTBF和TTBTM。其中，TTBTM是在TTBF骨架基础上引入二氰基修饰后得到的衍生物。光谱测试显示，在四氢呋喃（Tetrahydrofuran，THF）稀溶液中，TTBF和TTBTM的吸收峰位置较为接近，发射峰也处于相近区域，说明该二氰基修饰并未显著改变二者在单分子分散状态下的整体光物理特征。
然而，在固态中，两者表现出截然不同的发光行为。TTBF的固态发射峰相比其溶液态发射略微蓝移；相比之下，TTBTM的固态发射峰显著红移至930 nm，较其THF溶液态发射红移约195 nm，并表现出305 nm的大斯托克斯位移。与此同时，TTBTM固体在1100 nm长通滤光片下仍能观察到明显近红外信号，表明其具有NIR-II发光能力。由此可见，二氰基修饰虽然没有显著改变稀溶液中的发光特征，却在聚集态中引发了截然不同的发射行为。
为了进一步分析TTBTM固态红移发射的来源，作者考察了二者的聚集诱导发光行为。在THF/水混合体系中，TTBF随着水含量增加表现出发光增强，并最终得到与固态相近的发射行为。TTBTM在聚集过程中同样出现发光增强，但其发射峰同时发生明显红移，最终移动至约870 nm。由于两种分子在黏度增加的乙醇/甘油体系中均主要表现为发光增强，而TTBTM并未出现类似聚集态中的明显红移，因此，单纯的分子内运动受限不足以解释TTBTM聚集态发射红移。该结果提示，TTBTM的红移发射更可能与聚集态中特定的分子间相互作用有关。
图1：TTBF和TTBTM的光物理性质.（A-B）TTBF和TTBTM在溶液态与固态中的吸收和发射光谱;（C）二者固体在日光、900 nm和1100 nm长通滤光片下的近红外成像图像；（D-I）TTBF和TTBTM在THF/水混合体系以及乙醇/甘油体系中的发光行为。
单晶结构分析为这一推断提供了直接结构依据。TTBF在晶体中主要呈现相对松散的层间堆积，分子间重叠面积较小，层间相互作用较弱。相比之下，TTBTM由于二氰基结构的引入，在晶体中表现出更加平面化的分子构象，并形成了更强的层间π-π相互作用和D-A相互作用。多个分子间作用共同促进了TTBTM层间二聚体的形成，使相邻分子之间产生明显的空间电子耦合。这样的聚集态二聚体为其固态红移发射提供了可能的结构基础。
图2：单晶结构分析。（A）TTBF在THF溶液及晶体中的分子构象；（B-D）TTBF单晶中不同方向的堆积模式及分子间相互作用分析；（E）TTBTM在THF溶液及晶体中的分子构象；（F-H）TTBF单晶中不同方向的堆积模式及分子间相互作用分析。
理论计算进一步支持了上述机制。静电势分析显示，二氰基修饰使TTBTM在分子垂直方向上形成更加明显的正负电势分布差异，有利于其通过特定堆积方式平衡分子间静电作用。非共价相互作用分析表明，TTBTM分子对之间的相互作用明显强于TTBF。基于单晶结构的TD-DFT计算显示，TTBF晶体中的电子云在发光过程中主要局域于单个分子，说明其固态发射仍以单体发射为主；而TTBTM晶体中的电子云则分布在相邻分子对上，表明其聚集态发光与具有空间耦合特征的二聚体密切相关。
图3：理论计算、低温荧光光谱与飞秒瞬态吸收光谱。（A-F）TTBF和TTBTM的静电势分布、非共价相互作用、晶体态发光电子云分布；（G-J）TTBF和TTBTM分别在THF与2-MeTHF中的低温与室温荧光光谱；（K-N）TTBTM溶液态和纳米聚集态的飞秒瞬态吸收光谱。
为进一步检验空间相互作用对红移发射的影响，作者设计并合成了带己基链修饰的类似物T(hT)BTM。该分子同样具有聚集诱导发光行为，并在固态中表现出近红外发射。不过，与TTBTM相比，T(hT)BTM的固态发射峰蓝移至约900 nm。由于己基链的引入会增大分子间距离并削弱层间相互作用，该结果从侧面说明，紧密的分子间堆积和较强的空间相互作用对于TTBTM实现更红移的聚集态发射具有重要作用。
在生物成像应用方面，作者首先在皮下肿瘤小鼠模型中评估了TTBTM纳米颗粒的肿瘤靶向成像能力。尾静脉注射后，肿瘤部位从4小时开始出现可检测荧光信号，并在36–72小时内维持较高强度。定量分析显示，探针能够在肿瘤区域有效富集，肿瘤与正常组织信号比最高达到约7.5。NIR-II成像结果进一步验证了TTBTM纳米颗粒对肿瘤区域的追踪能力。与此同时，剂量递增安全性评价显示，主要脏器未见明显病理损伤，血液学、尿液及肝肾功能指标也未出现显著异常，表明该纳米颗粒具有较好的体内生物安全性。
考虑到膀胱癌临床手术场景，作者进一步构建小鼠气囊膀胱癌模型和原位膀胱癌模型。在气囊膀胱癌模型中，经膀胱腔内灌注TTBTM纳米颗粒后，肿瘤边界被清晰显示，为局部给药介导的荧光示踪辅助膀胱癌精准手术切除提供实验依据。在原位膀胱癌模型中，TTBTM纳米颗粒能够辅助识别1-2 mm的小肿瘤，显示出早期微小病灶成像潜力。进一步在患者来源的离体膀胱荷瘤样本中，TTBTM纳米颗粒能够选择性点亮肿瘤区域，而正常组织背景信号较低，显示出较好组织选择性和潜在临床转化价值。
图4：肿瘤靶向成像性能验证。（A-B）TTBTM纳米颗粒在皮下肿瘤小鼠中的荧光成像效果；（C-D）气囊膀胱癌模型的构建与TTBTM纳米颗粒在该模型中的荧光成像效果；（E）TTBTM纳米颗粒在小鼠原位膀胱癌模型中的荧光成像效果；（F）TTBTM纳米颗粒在患者来源的离体膀胱荷瘤样本中的荧光成像效果。
总体而言，该工作从“聚集态堆积调控”这一角度出发，展示了微小结构修饰如何通过改变分子间相互作用和堆积方式，放大为显著的NIR-II发光性能变化。二氰基修饰后的TTBTM在溶液态中与母体分子TTBF具有相近光物理特征，但在固态和聚集态中形成了更强的层间相互作用和发光二聚体，从而实现了显著红移发射和较大的斯托克斯位移。与传统依赖大幅度共价骨架改造的NIR-II分子设计思路相比，该工作强调了聚集态结构工程在调控有机荧光材料性能中的重要价值。更进一步，TTBTM纳米颗粒在膀胱癌小鼠模型和患者来源样本中展现出稳定、低毒、高对比度的成像能力，为NIR-II荧光引导膀胱癌精准手术提供了新的材料候选和设计启示。
原文链接：https://www.cell.com/matter/abstract/S2590-2385(26)00319-X
通讯作者简介
王昊然，于2012-2021年在吉林大学先后取得学士与博士学位，2018年-2021年赴香港科技大学唐本忠院士课题组进行博士联合培养，2021年继续在唐院士课题组开展博士后研究工作。2025年起任深圳北理莫斯科大学材料科学系副教授，微流控校企联合实验室副主任。入选广东省青年人才计划、深圳市鹏城孔雀特聘岗位C类计划，美国化学文摘2024 CAS Future Leaders Top 100。研究方向聚焦于聚集诱导发光（AIE）材料的开发、构效关系机理研究与应用，具体方向包括有机共晶材料、多肽基AIE材料与纳米材料的规模化制备。以第一作者或通讯作者身份在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Chem, Nat. Comm., and CCS Chem.,等期刊发表论文20余篇，总引用量超2000次；撰写两本科普书籍，长期致力于科学普及工作。
侯大勇，哈尔滨医科大学引进人才、特聘教授、博士生导师、黑龙江省高层次人才、香江学者、香港大学博士后、哈尔滨医科大学附属肿瘤医院PET-CT/MRI科研副主任。主要从事活体自组装多肽分子探针的设计及临床转化研究，近五年发表高水平SCI论文50余篇，累计影响因子达700分以上，H指数27，其中以第一作者及通讯作者发表SCI论文27篇，包含 Chemical Society Reviews、Nature Communications、Science Advances、Science Bulletin、National Science Review、Advanced Materials、Angew 及 JACS 等国际权威杂志。
唐本忠
香港中文大学（深圳）
香港中文大学（深圳）题组网址：https://www.x-mol.com/groups/tang-benzhong-cuhksz
唐本忠教授分别于1982年和1988年获华南理工大学学士学位和日本京都大学博士学位。1989年至1994年在加拿大多伦多大学从事博士后研究。1994年起任职于香港科技大学，2008年晋升为讲席教授。2009年，2020年和2026年，先后当选为中国科学院院士、发展中国家科学院院士和美国医学与生物工程院Fellow。2021年加入香港中文大学（深圳），担任理工学院院长、校长学勤讲座教授；自2026年起担任香港中文大学（深圳）副校长。唐本忠教授迄今已发表学术论文2700余篇，总引用超过250,000次，h指数达218（据2026年3月谷歌学术数据）。他在学术会议上作邀请报告500余场，拥有授权专利400余项。现任德国Wiley出版社学术期刊Aggregate（《聚集体》）主编，并担任20余本学术期刊的编辑或编委。唐本忠教授主要从事材料科学、高分子化学和生物医学诊疗等领域研究，在聚集诱导发光（Aggregation-Induced Emission，AIE）这一化学与材料科学前沿方向取得了一系列原创性成果，是AIE概念的提出者和该领域研究的开拓者与引领者。
