郑州大学卢思宇教授团队Chem综述:近红外二区荧光团的设计优化、光学增强策略及成像引导生物医学应用进展

现代无创成像技术基于病变组织的生物学差异，利用积聚在病变部位的造影剂揭示生理结构的功能信息，对生物体的伤害最小，使研究能够在组织、细胞和分子水平上进行活体生物学过程。光学成像由于其直观性、微创性、无有害辐射、成本效益和高空间和时间分辨率，已成为已有成像技术的重要补充。尽管近红外一区（NIR-Ⅰ）荧光成像已被开发应用，但背景噪声和有限的穿透深度使NIR-Ⅰ不是理想的生物成像窗口，为了解决这些限制，Smith等人提出近红外二区（NIR-Ⅱ，1000-1700 nm）窗口，后来由Dai等人将改窗口扩展到1000-3000 nm。NIR-II窗口成像是生物医学领域的重大突破，更长的波长不仅赋予了光线深穿透能力而且显著减少了组织的自发荧光，是用于深部组织成像强有力的选择。NIR-II荧光团可分为无机荧光团和有机荧光团。近年来，镧系元素-染料杂化荧光团和碳点作为新兴无机荧光团被广泛研究，进一步推进了NIR-Ⅱ成像应用。

图1. NIR-Ⅱ荧光团的发展历程及代表性成像应用时间线。

近日，郑州大学卢思宇教授团队在化学领域顶级期刊《Chem》上发表了题为"Second near-infrared fluorophores: Rational design, optical enhancement strategies, and recent advances in imaging-guided biomedical applications"的综述文章。该工作系统总结了NIR-II有机和无机荧光团的研究进展，重点介绍了延长荧光团发射波长和提高QY的策略，进一步探讨了它们在生物医学领域的最新进展。对NIR-II荧光团临床应用和NIR-II荧光成像的临床转化进行了讨论。为构建具有出色性能的NIR-II荧光团，从而推进NIR-II成像技术的临床应用提供了重要的理论指导。

图2. NIR-II荧光团光学性能的优化策略及生物医学应用。

无机NIR-II荧光团

无机NIR-II荧光团包括单壁碳纳米管（SWCNTs）、量子点（QDs）、碳点（CDs）、稀土掺杂纳米颗粒（RENPs）和镧系元素-染料杂化荧光团（LDHLs），它们具有优异的荧光成像性能，其优点包括高QY、优越的光稳定性和窄发射光谱。SWCNTs作为第一个用于NIR-II窗口体内成像的造影剂，通过控制其直径分布，可实现NIR-II发射。但SWCNTs中低能量的暗激子态的光学跃迁及若干外部因素通常导致低QY。通过单手性SWCNTs的选择性生长和纯化，或引入发光缺陷抑制激子非辐射能量转移过程可显著提高QY。QDs自20世纪80年代被发现以来，由于其高亮度、优异的光稳定性而被认为是有前途的荧光成像材料。基于量子限制效应，精确控制QDs的颗粒尺寸是调控发射波长到NIR-Ⅱ窗口的有效方法。而QDs晶格内阳离子的高迁移率导致阳离子空位和结构缺陷增加，且表面未钝化原子会阻碍辐射复合，对其QY不利。通过杂原子掺杂、合金化和表面钝化，是提高其QY的有效策略。RENPs中稀土离子的4f-4f跃迁使其发射覆盖NIR-II区域。开发新型敏化剂对开发RENPs至关重要，如Yb³⁺、Nd³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺等。为了克服RENPs的电偶极4f-4f跃迁的禁阻性质、上转换和下转换发光之间的竞争以及其他非辐射弛豫过程等因素引起的低QY，纳米粒子结构参数的调节和构建核-壳结构已被开发来增强RENPs的QY。

作为新兴的NIR-Ⅱ荧光团，CDs具有优异的光学特性，NIR-II CDs提供了诸如制备简单、稳定的光学性质、良好的生物相容性和低成本的优点，在生物医学领域作为非侵入性光学诊断和光疗的多功能材料展现了巨大的潜力。通过自上而下的方法将块状碳材料分解成更小的碎片或自下而上以分子或生物质为碳源可以制备NIR-II CDs。合成的NIR-II CDs具有丰富的表面官能团，这为CDs表面工程提供了良好的基础。通过各种合成和合成后策略，如元素掺杂和表面改性可以可以延长发射波长并提高QY。另一种新兴NIR-Ⅱ荧光团，LDHLs通过染料配体与三价镧系离子结合构建。克服了镧系元素低摩尔吸收系数导致的弱发光，结合了小分子和RENPs的优点。选择适当的配体以提高辐射速率常数，可有效优化其光学性质。

图3. NIR-II CDs的修饰策略。

有机NIR-Ⅱ荧光团

与无机荧光团相比，有机NIR-II荧光团通常表现出增强的生物相容性、更快的清除速度、更好的生物降解性和更有利的药代动力学特性。有机小分子染料（OSMDs）和半导体聚合物纳米粒子（SPNs）是广泛研究的NIR-Ⅱ荧光团。基于其明确的结构，OSMDs允许使用合理的策略设计和调控各种光物理性质。NIR-II OSMDs的荧光源于分子内电荷转移。通过扩展π-共轭体系和修饰供体/受体或端基基团，以调节电子密度，降低带隙，可将OSMDs的发射波长有效红移到NIR-II窗口。而低带隙易于发生由π-π堆积、振动弛豫和/或碰撞淬灭引起的非辐射衰减，导致低QY。通过引入屏蔽单元或两亲聚合物封装、聚集诱导发射策略、和构建J聚集体可有效提高QY。SPNs本质上是宽带隙半导体，大多数NIR-II发射的半导体聚合物基于给体-受体设计。仔细选择或发展新型的供体和受体单元可以延长共轭长度并促进π电子离域，降低带隙，实现NIR-II发射。与OSMDs相似，由于能隙定律的影响，NIR-II SPNs通常表现出较低的QY，导致亮度不足。通过侧链工程和聚集诱导发射策略可提高SPNs的QY。

表 1. 代表性NIR-Ⅱ荧光团用于体内成像。

NIR-Ⅱ荧光成像在生物医学中的应用

在生物医学研究不断发展的背景下，NIR-II成像已成为生物成像、生物传感和成像引导手术与治疗中不可或缺的工具，并不断推动相关研究的进展。NIR-II荧光成像促进了生物过程的详细可视化。它已广泛用于临床前研究，以观察血管结构，测量心血管疾病的血流动力学和灌注，进行淋巴结和功能成像等其他应用。此外，NIR-II成像在引导治疗方面的作用显著提升，在光治疗和导航外科手术方面变得越来越重要。NIR-II荧光团的荧光强度和发射波长还能选择性地响应特定的刺激（如ROS、活性氮物质、温度、气体、pH、特定酶和离子），实现深层组织中生物和病理过程的可视化，并允许检测生物过程异常或实现生物传感。NIR-II荧光成像的发展为临床诊断提供了前所未有的机遇。

图4. NIR-II生物成像。

总结与展望

NIR-II荧光成像技术是近年来生物体内发光成像技术的一个重要发展方向。自成立以来，该领域在过去15年中发展迅速，成像设备提供各种尺度（宏观，中观和微观），以及对NIR-II荧光团的持续深入研究，显著推进了体内发光成像。然而，NIR-II荧光团及荧光成像在生物医学和临床转化中仍面临挑战。在近红外-Ⅱ荧光团光学性质改性中，各种类型的荧光团面临不同的挑战，但设计兼具良好的药代动力学特性、长期稳定性、抗光漂白性和与组织最小相互作用的探针是各种类型荧光团所面临的共同挑战。此外，开发同时具有高发光强度和可调寿命的荧光团也是一个重要的方向，明亮的探针将促进具有高精度空间和时间分辨率的实时寿命成像。最后，在NIR-II荧光成像的临床转化过程中，开发与吲哚菁绿具有相似安全性的荧光团以及NIR-II成像系统的标准化是该领域的主要方向。

参考文献：

Honglei Yu, Lin Ai*, Siyu Lu*，Second near-infrared fluorophores: Rational design, optical enhancement strategies, and recent advances in imaging-guided biomedical applications，Chem, 2026, DOI: 10.1016/j.chempr.2025.102867

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.chempr.2025.102867