本文要點(diǎn)：近紅外二區(qū)（NIR-II）熒光成像憑借深層組織穿透力與高空間分辨率的優(yōu)勢(shì)，正成為活體生物分子監(jiān)測(cè)的重要技術(shù)。然而，開(kāi)發(fā)具有高發(fā)光效率的NIR-II熒光團(tuán)仍面臨挑戰(zhàn)。本研究通過(guò)結(jié)合密度泛函理論與熱振動(dòng)關(guān)聯(lián)函數(shù)法的計(jì)算策略，系統(tǒng)探究萘基取代策略提升NIR-II熒光團(tuán)量子效率（FQE）的內(nèi)在機(jī)制?；诒讲㈦p噻二唑（BBTD）受體分子骨架，通過(guò)在α/β位取代苯環(huán)構(gòu)建了兩種新型萘基衍生物。光物理特性表明：萘基引入既擴(kuò)大能隙又引發(fā)熒光發(fā)射藍(lán)移。值得注意的是，絕熱激發(fā)能升高與振動(dòng)耦合減弱共同導(dǎo)致的非輻射弛豫抑制，是萘基化合物發(fā)光效率提升的主因。其中C1-βNaphth在保持高效NIR-II發(fā)射的前提下實(shí)現(xiàn)4.2倍FQE提升，成為潛在的高性能NIR-II發(fā)色團(tuán)。該發(fā)現(xiàn)為優(yōu)化NIR-II染料發(fā)光特性確立了理性設(shè)計(jì)策略，將推動(dòng)生物成像用高效熒光探針的開(kāi)發(fā)。

本研究提出創(chuàng)新策略：通過(guò)整合CH1055（重命名C1）的分子骨架與萘基多環(huán)芳烴單元，實(shí)現(xiàn)NIR-II發(fā)射與發(fā)光效率的協(xié)同優(yōu)化。研究表明，以萘基取代C1中苯環(huán)可擴(kuò)大HOMO-LUMO能隙并降低熒光團(tuán)的電荷轉(zhuǎn)移特性，導(dǎo)致光吸收與光發(fā)射光譜同步藍(lán)移。同時(shí)，含萘發(fā)色團(tuán)的熒光量子產(chǎn)率超母體化合物4倍以上，主要?dú)w因于絕熱激發(fā)能升高以及非絕熱耦合與電子-振動(dòng)耦合減弱。值得注意的是，β-取代萘基熒光團(tuán)兼具高效NIR-II發(fā)射與提升的熒光效率，預(yù)示其成為高性能NIR-II熒光團(tuán)的潛力。這些發(fā)現(xiàn)凸顯萘基取代策略對(duì)優(yōu)化分子熒光團(tuán)發(fā)光性能的有效性，為生物成像用新型高效NIR-II發(fā)色團(tuán)的設(shè)計(jì)合成提供了理論依據(jù)。

圖1.（a）設(shè)計(jì)策略和（b）所研究熒光團(tuán)的具有平面度參數(shù)的分子結(jié)構(gòu)

本研究熒光團(tuán)的設(shè)計(jì)策略與分子結(jié)構(gòu)如圖1所示。選擇代表性發(fā)色團(tuán)C1作為母體分子，因其兼具長(zhǎng)波長(zhǎng)NIR-II發(fā)射特性及優(yōu)異的結(jié)構(gòu)可修飾性。其分子內(nèi)強(qiáng)缺電子性苯并雙噻二唑（BBTD）受體與富電子三苯胺供體的組合促進(jìn)了分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致發(fā)射光譜紅移至近紅外區(qū)域。為拓展π共軛體系，通過(guò)取代BBTD相鄰苯環(huán)引入萘基團(tuán)：在萘環(huán)α/β位的取代分別生成C1-αNaphth與C1-βNaphth。相較于苯環(huán)，萘的雙核芳環(huán)結(jié)構(gòu)賦予分子更高剛性及擴(kuò)展電子共軛，可抑制激發(fā)態(tài)結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)并減弱發(fā)射過(guò)程中的振動(dòng)弛豫。

由于芳環(huán)間空間位阻與π-π相互作用，所有熒光團(tuán)均呈現(xiàn)對(duì)稱性扭曲構(gòu)象，具體表現(xiàn)為受體-供體片段間扭轉(zhuǎn)角變化：BBTD單元與芳基單元二面角從C1的39.84°增至C1-αNaphth的63.57°，而C1-βNaphth為41.22°。C1-αNaphth顯著扭曲的分子骨架對(duì)應(yīng)1.57 ?的分子平面性參數(shù)（MPP），高于C1（1.21 ?）與C1-βNaphth（1.18 ?），表明α-取代萘基誘導(dǎo)更強(qiáng)烈的分子結(jié)構(gòu)非共面性偏移。

圖2. 熒光團(tuán)的前線分子軌道和分子靜電勢(shì)的分布

盡管這些熒光團(tuán)的前沿分子軌道（占據(jù)軌道HOMO離域分布于分子骨架，未占軌道LUMO定域于受體單元，圖2）呈現(xiàn)相似空間分布特征，但C1-βNaphth的電子密度分布更趨近于C1。相比之下，C1-αNaphth發(fā)色團(tuán)HOMO軌道在受體單元的電子分布減弱，靜電勢(shì)分析表明電子更顯著局域于BBTD片段，導(dǎo)致其HOMO-LUMO能級(jí)差增至3.87 eV。而C1與C1-βNaphth的能隙分別降至3.62 eV與3.64 eV，該特性有助于熒光發(fā)射紅移。總體而言，這些熒光團(tuán)中前沿分子軌道的顯著電子分離將促進(jìn)光物理過(guò)程電子躍遷期間的分子內(nèi)電子密度重分布。

圖3.（a）吸收光譜，（b）來(lái)自不同分子部分的躍遷偶極矩和（c）熒光團(tuán)在石灰和青色中描繪的電子空穴分布

基于熒光團(tuán)分子結(jié)構(gòu)，表征其吸收與發(fā)射特性以探究萘基取代對(duì)光物理行為的影響。激發(fā)態(tài)下熒光團(tuán)對(duì)入射光場(chǎng)的響應(yīng)體現(xiàn)于吸收光譜——通過(guò)高斯展寬模擬化合物激發(fā)態(tài)參數(shù)獲得。如圖3a所示，所有熒光團(tuán)在近紅外區(qū)均呈現(xiàn)強(qiáng)吸收，但萘基引入導(dǎo)致吸收波長(zhǎng)藍(lán)移：α位萘基取代使吸收峰從C1的675 nm顯著藍(lán)移至C1-αNaphth的573 nm，而β位取代的C1-βNaphth相較C1-αNaphth紅移69 nm。衍生體中C1-βNaphth因擴(kuò)展π共軛及分子平面性獲得摩爾吸光系數(shù)（3.08×10? L·mol?1·cm?1），優(yōu)于C1（2.67×10?）和C1-αNaphth（1.62×10?）。此差異與基態(tài)（S0）至激發(fā)態(tài)（S1）躍遷偶極矩（TDM）密切相關(guān)，其值可分解為三個(gè)分子片段貢獻(xiàn)（圖3b）：所有化合物總TDM主要源于兩端對(duì)稱供體基團(tuán)；萘基引入使BBTD單元TDM從C1的1.01德拜微增至C1-αNaphth的1.08德拜與C1-βNaphth的1.09德拜，但供體部分TDM貢獻(xiàn)差異顯著（C1:8.66德拜；C1-αNaphth:5.76德拜；C1-βNaphth:8.99德拜）。顯然，β位萘基取代在光吸收過(guò)程中誘導(dǎo)更顯著的電子分布位移。

電子-空穴分布證實(shí)該躍遷行為（圖3c）：激發(fā)態(tài)電子定域于受體，空穴沿分子骨架分布，BBTD核心呈現(xiàn)大范圍電子-空穴重疊（重疊參數(shù)Sr：C1為0.966原子單位；C1-αNaphth為0.646；C1-βNaphth為0.708）。含萘發(fā)色團(tuán)電子-空穴重疊減弱與前述HOMO中受體π離域減弱一致。

表1. 發(fā)射能量（Eemi，單位為eV）、熒光波長(zhǎng)（λemi，單位為nm）、相應(yīng)的振子強(qiáng)度（δemi，單位為a.u.）以及所研究熒光團(tuán)S1到S0躍遷的躍遷性質(zhì)

表2. 所研究熒光團(tuán)的輻射衰變率（kr，in s?1）、非輻射衰變率（knr，in s?1）、熒光量子效率（FQE，in%）和絕熱激發(fā)能（Ead，in eV）

圖5. （a）低頻（LF）、中頻（MF）和高頻（HF）簡(jiǎn)正模的非絕熱耦合，以及（b）C1、（c）C1-α萘和（d）C1-β萘的非絕熱耦合與振動(dòng)頻率的關(guān)系

在驗(yàn)證高效NIR-II發(fā)射的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步計(jì)算發(fā)光效率以評(píng)估熒光團(tuán)作為候選材料的有效性。表2列出各發(fā)色團(tuán)單重激發(fā)態(tài)衰變速率常數(shù)：母體C1的輻射衰變速率（kr=3.95×10? s?1）與非輻射衰變速率（knr=1.64×101? s?1）計(jì)算得熒光量子效率（FQE）為0.24%，與實(shí)驗(yàn)值0.3%定量吻合。萘基取代后，C1-αNaphth與C1-βNaphth的kr分別增至4.82×10? s?1和5.52×10? s?1，knr則顯著降至0.30×101? s?1與0.54×101? s?1，使FQE提升至1.56%和1.01%，證實(shí)萘基取代策略的有效性。

輻射衰變速率主要由激發(fā)態(tài)垂直躍遷能（ΔEvert）和振子強(qiáng)度（δ）決定：C1-αNaphth的kr升高主要源于ΔEvert從0.11 eV增至1.29 eV（δ略降至0.61原子單位）；而C1-βNaphth的ΔEvert（1.20 eV）與δ（0.86原子單位）同步增加共同加速輻射弛豫。

非輻射衰變受絕熱激發(fā)能（Ead）主導(dǎo)：含萘熒光團(tuán)的Ead值（C1-αNaphth:1.67 eV; C1-βNaphth:1.50 eV）較C1（1.40 eV）顯著提升，有效抑制激發(fā)態(tài)非輻射弛豫。圖5顯示各振動(dòng)簡(jiǎn)正模對(duì)非絕熱電子耦合的貢獻(xiàn)（按頻率分三區(qū)）：高頻區(qū)（HF,ω>1000 cm?1）耦合強(qiáng)度主導(dǎo)非輻射衰變，其值在C1（67.35 cm?1）、C1-αNaphth（34.94 cm?1）和C1-βNaphth（57.20 cm?1）依次降低。C1中1543.75 cm?1振動(dòng)模（BBTD單元C-C伸縮/TPA部分C-H彎曲）具有耦合強(qiáng)度（15.50 cm?1），而萘基衍生物中該振動(dòng)被顯著抑制，其耦合分別轉(zhuǎn)移至1571.43 cm?1（6.46 cm?1）和1559.59 cm?1（11.30 cm?1）。因此，BBTD鄰位苯環(huán)萘基取代有效降低了分子非絕熱電子耦合強(qiáng)度，從而抑制發(fā)光過(guò)程的非輻射衰變。

圖6.（a）C1和C1-β萘的電子振動(dòng)耦合與振動(dòng)頻率的關(guān)系，（b）具有代表性的振動(dòng)模式。（c）鍵長(zhǎng)、鍵角和二面角對(duì)電子振動(dòng)耦合有貢獻(xiàn)

盡管C1-αNaphth展現(xiàn)出熒光量子效率（FQE），但其低于1000 nm的發(fā)射波長(zhǎng)限制了NIR-II熒光成像應(yīng)用。相比之下，C1-βNaphth兼具高發(fā)光效率與高效NIR-II發(fā)射，是更理想的NIR-II熒光團(tuán)候選者。為深入探究熒光團(tuán)構(gòu)效關(guān)系，圖6對(duì)比了C1與C1-βNaphth的電子-振動(dòng)耦合特性：具有強(qiáng)耦合強(qiáng)度的振動(dòng)模式是激發(fā)態(tài)能量耗散的主要非輻射衰變通道。通過(guò)電子-振動(dòng)耦合的內(nèi)坐標(biāo)分解（圖6c），發(fā)現(xiàn)鍵伸縮振動(dòng)貢獻(xiàn)度遠(yuǎn)超鍵角彎曲與二面角扭轉(zhuǎn)，表明原子間伸縮振動(dòng)是激發(fā)能耗散主路徑。

C1與C1-βNaphth的電子-振動(dòng)耦合差異主要源于二面角組分變化，這與S1/S0態(tài)間幾何變化一致（表S6）：供體-受體間二面角差（Δθ1）在電子態(tài)間波動(dòng)較小，而供體部分苯環(huán)間扭轉(zhuǎn)角差（Δθ2）在萘基引入后顯著減?。–1:7.63°；C1-αNaphth:2.83°；C1-βNaphth:2.62°）。C1-βNaphth中Δθ2的大幅降低導(dǎo)致其均方根位移（0.525 ?）小于C1（0.531 ?）。因此，β位萘基取代顯著抑制供體單元自由旋轉(zhuǎn)并減少結(jié)構(gòu)形變，從而削弱熒光團(tuán)振動(dòng)耦合。此外，萘基存在使絕熱激發(fā)能升高，進(jìn)一步抑制非輻射弛豫路徑。綜上，含萘熒光團(tuán)C1-βNaphth通過(guò)降低非輻射衰變實(shí)現(xiàn)了發(fā)光效率提升（圖7）。

為建立分子結(jié)構(gòu)與非輻射衰變的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，展示了所研究熒光團(tuán)的平面性參數(shù)、電子-空穴重疊度與非輻射衰變速率的關(guān)聯(lián)性。電子-空穴重疊度與非輻射衰變速率呈顯著正相關(guān)，表明該基于電子躍遷的參數(shù)與化合物非輻射過(guò)程密切相關(guān)。然而，非輻射衰變速率常數(shù)隨分子平面性參數(shù)（MPP）呈非單調(diào)變化，這說(shuō)明僅基于分子幾何結(jié)構(gòu)的描述符不足以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)熒光團(tuán)的非輻射弛豫行為。

本研究通過(guò)熱振動(dòng)關(guān)聯(lián)函數(shù)法結(jié)合量子化學(xué)計(jì)算，系統(tǒng)探究D-A-D型近紅外二區(qū)（NIR-II）熒光團(tuán)的光物理性質(zhì)，提出萘基取代策略以提升發(fā)光效率。研究表明：萘基引入分子骨架可擴(kuò)大HOMO-LUMO能隙，誘導(dǎo)吸收光譜藍(lán)移，并降低激發(fā)態(tài)電子-空穴重疊度；當(dāng)萘基取代位從α位轉(zhuǎn)為β位時(shí)，因π共軛擴(kuò)展與分子平面性提升，發(fā)射光譜紅移76 nm。尤為關(guān)鍵的是，α/β位萘基取代使熒光量子效率（FQE）分別提升至1.56%與1.01%，較母體C1實(shí)驗(yàn)值（0.3%）實(shí)現(xiàn)6.5倍與4.2倍增強(qiáng)。相較于已報(bào)道的芳香取代D-A-D型NIR-II發(fā)色團(tuán)，萘基間隔基的引入兼具合成簡(jiǎn)便性、成本效益與可調(diào)控空間位阻優(yōu)勢(shì)，為精準(zhǔn)調(diào)控?zé)晒鈭F(tuán)電子/光學(xué)特性提供新思路。化合物C1-βNaphth憑借絕熱激發(fā)能升高、非絕熱電子耦合與電子-振動(dòng)耦合減弱，同步實(shí)現(xiàn)高效NIR-II發(fā)射與發(fā)光效率提升，被預(yù)測(cè)為理想候選材料。這些發(fā)現(xiàn)凸顯萘基修飾策略在開(kāi)發(fā)高效NIR-II生物成像探針中的普適性價(jià)值。當(dāng)前工作聚焦萘基化合物的理論光物理評(píng)估，后續(xù)將深入開(kāi)展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與活體成像研究以推進(jìn)實(shí)際應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

Chen, Wenshuo, et al. "Naphthyl-substitution strategy for enhancing luminescence efficiency of NIR-II fluorophores in bioimaging." Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy (2025): 127175.