本文要點：近紅外（NIR）供體-受體-供體（D-A-D）熒光染料設(shè)計的進(jìn)展揭示，在連接增溶基團(tuán)和/或屏蔽基團(tuán)時，其結(jié)構(gòu)變化能夠增強染料溶解度并減輕由聚集和溶劑相互作用引起的熒光淬滅。然而，關(guān)于這些分子結(jié)構(gòu)變化如何影響熒光染料本身的光物理特性，研究仍存在顯著空白。本研究全面分析了供體取代基位置對一系列D-A-D近紅外熒光染料穩(wěn)定性和光學(xué)性能的影響。研究者通過將噻吩噻二唑（TTD）與六種不同的甲氧基苯基或二甲氧基苯基供體結(jié)合，形成了一個甲氧基取代基位于受體鄰位、間位和/或?qū)ξ坏腄-A-D近紅外熒光染料庫。研究的實驗結(jié)果，輔以密度泛函理論（DFT）計算，表明甲氧基供體的位置與發(fā)射波長、亮度和穩(wěn)定性密切相關(guān)?？傮w而言，對位供體表現(xiàn)出更長的發(fā)射波長（902-907 nm），而間位供體的量子產(chǎn)率（0.88-0.90%）高于鄰位和對位供體（0.31-0.47%），這使得它們在生物成像應(yīng)用中具有潛在的應(yīng)用前景。

在本研究中，以甲氧基苯基作為烷氧基苯基取代基的模型，探究其在D-A-D偶聯(lián)物中的性質(zhì)。具體而言，研究者考察了甲氧基苯基供體在與強電子受體噻吩噻二唑（TTD）相關(guān)的鄰位、間位和對位每個位置上可能提供的變化。本研究中包含了二甲氧基取代的供體，以評估它們對光物理性質(zhì)的影響，以及它們在連接多個基團(tuán)以提高溶解度和更好地控制聚集分布方面的合成用途。在整個系列中，間位具有醚取代基供體的染料表現(xiàn)出熒光量子產(chǎn)率3-MT（ΦPL=0.88%）和3,5-MT（ΦPL=0.90%），而那些具有鄰位醚取代基的染料則表現(xiàn)出較低的光穩(wěn)定性，其中2,6-MT在照射10小時后失去了約40%的結(jié)構(gòu)完整性。這項工作研究中的一個重要空白，概述了供體基團(tuán)位置對所得熒光染料整體性質(zhì)的重要性，并為D-A-D分子設(shè)計提供了一個補充指南。

圖1. 染料結(jié)構(gòu)與一般合成方案染料結(jié)構(gòu)與一般合成方案

本研究采用噻吩噻二唑（TTD）作為受體分子制備D-A-D型化合物，該受體分子是研究者及他人此前合成近紅外發(fā)光分子的常用原料。TTD屬于噻二唑類受體家族，可用于構(gòu)建具有近紅外I區(qū)吸收（700-1000 nm）、高穩(wěn)定性，并能發(fā)射更長波長近紅外II區(qū)（>1000 nm）熒光的D-A-D型有機分子。首先，研究者將受體與兩個己基取代的噻吩偶聯(lián)，這類烷基取代噻吩常與其他烷基噻吩配合使用，通過擴(kuò)展π共軛體系來合成D-A-D型熒光染料并提高其溶解度。隨后，將己基噻吩取代的TTD（TTD-hexT）與六種不同甲氧基/二甲氧基苯基供體進(jìn)行偶聯(lián)，這些供體的甲氧基取代位相對于受體分別位于鄰位、間位或?qū)ξ弧Ｆ渲?-甲氧基苯基、3-甲氧基苯基和4-甲氧基苯基為單甲氧基取代，分別用于制備2-MT、3-MT和4-MT熒光染料；其余三種供體為雙甲氧基取代（2,6-二甲氧基苯基、3,5-二甲氧基苯基和3,4-二甲氧基苯基），分別用于合成2,6-MT、3,5-MT和3,4-MT（圖1）。

表1. 每種染料的理論和實驗垂直單線態(tài)激發(fā)能和計算的振子強度（f）

為降低成本效率，染料結(jié)構(gòu)通過用3-甲基噻吩替代3-己基噻吩間隔基團(tuán)得以簡化。采用TD-DFT方法在ω97BX-D/6-31G(d)理論水平下計算了熒光染料從基態(tài)S0到激發(fā)態(tài)S1的單態(tài)躍遷相關(guān)垂直激發(fā)能，這些能量與實驗吸收值λmaxabs的誤差在10%以內(nèi)（表1）。

圖2. 單甲氧基熒光團(tuán)2-MT、3-MT和4-MT的HOMO-2、HOMO-1、HOMO和LUMO軌道，在ωB97X-D/6-31G（D）能級計算

圖3. 二甲氧基熒光團(tuán)2,6-MT、3,5-MT和3,4-MT的HOMO-2、HOMO-1、HOMO和LUMO軌道，在ωB97X-D/6-31G（D）能級計算

圖4. 計算了前線分子軌道和HOMO-LUMO能隙的相對能量

對所有熒光染料而言，S0→S1躍遷均對應(yīng)占據(jù)分子軌道（HOMO）向未占分子軌道（LUMO）的躍遷，其中HOMO定域于整個共軛主鏈，而LUMO主要分布在TTD受體上，表明激發(fā)過程中發(fā)生了分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移（ICT）。對于4-MT，其S0→S1躍除涉及HOMO→LUMO躍遷外，還包括電子從HOMO-2向LUMO的轉(zhuǎn)移——HOMO-2比HOMO更集中于對位氧原子周圍。這種差異表明與鄰位和間位取代基相比，對位甲氧基供體具有更顯著的電荷分離特性，從而增強了ICT特征，因為后者的S0→S1躍遷不涉及HOMO-2。值得注意的是，3-MT、3,5-MT和3,4-MT熒光染料的HOMO未延伸至氧原子，說明間位甲氧基團(tuán)未參與這些分子的ICT過程（圖2和圖3）。前沿分子軌道能級數(shù)據(jù)見圖4。

表2. 噻吩π-間隔體與甲氧基苯基供體夾角的二面角測量

分子單態(tài)基態(tài)S0和激發(fā)態(tài)S1的優(yōu)化幾何結(jié)構(gòu)顯示，TTD受體與噻吩間隔基之間的二面角較小，在S0態(tài)中為1.01-4.12°，S1態(tài)中為0-1.42°。然而，烷基取代噻吩與甲氧基苯基供體之間的二面角在S0和S1態(tài)中均顯著更大（表2），表明噻吩與TTD之間的共軛程度高于噻吩與甲氧基苯基供體之間的共軛。

在單甲氧基苯基供體中，鄰位取代的2-MT（其-OCH3基團(tuán)朝向相鄰噻吩的碳原子，表2所示）在基態(tài)（?1=?2=32.8°）和激發(fā)態(tài)（?1=29.7°，?2=28.7°）下均表現(xiàn)出與每個噻吩環(huán)的二面角。但當(dāng)2-MT的反式構(gòu)型被優(yōu)化時，朝向噻吩環(huán)硫原子的鄰位甲氧基基團(tuán)在基態(tài)（?2=23.8°）和激發(fā)態(tài)（?2=14.8°）中高度平面化，這可能是由于氧原子與硫原子之間的分子內(nèi)相互作用所致。

除2-MT的反式構(gòu)型外，3-MT、3,5-MT和3,4-MT中的間位甲氧基供體在基態(tài)下表現(xiàn)出最小的二面角（?1,?2=30.6-31.2°）。這種高平面性可能歸因于間位甲氧基的誘導(dǎo)吸電子效應(yīng)減少了π電子之間的電荷排斥。值得注意的是，2,6-二甲氧基苯基供體與噻吩環(huán)之間的二面角在系列分子中（基態(tài)?1=36.5°，?2=39.0°），這很可能是由于鄰位兩個甲氧基團(tuán)的空間應(yīng)變所致（表2）。

表3. CH2Cl2中六種熒光團(tuán)和TTD hexT核心的還原電位E1/2

系列中六種分子的電化學(xué)還原電位E1/2通過循環(huán)伏安法測定，結(jié)果匯總于表3。每種染料在-0.98至-1.13V范圍內(nèi)呈現(xiàn)可逆的還原峰，對應(yīng)于TTD單元的還原，與相同溶劑中TTD-hexT核心的測量值-1.17V（vs Ag/AgCl）吻合良好。此外，還原發(fā)生在TTD單元的計算數(shù)據(jù)與實驗結(jié)果一致，其中LUMO定域于TTD區(qū)域。正如預(yù)期，TTD局域還原對遠(yuǎn)端苯環(huán)的取代相對不敏感。值得注意的是，2,6-MT的LUMO能級計算值高于其他五種熒光染料，這與該分子測得更負(fù)的E1/2值（-1.13V vs Ag/AgCl）一致（圖4）。在整個系列中，3-MT、3,4-MT和3,5-MT具有能量的LUMO，這與它們易于還原的特性相符（-0.98至-1.03V，表3）。

所有熒光染料均觀察到兩個可逆氧化峰，而TTD-hexT核心僅有一個。這些峰被歸因于末端甲氧基苯基的連續(xù)氧化：氧化峰出現(xiàn)在+0.49至+0.69V范圍內(nèi)，第二個在+0.78至+1.10V（vs Ag/AgCl）。這些峰的位移取決于取代位點和甲氧基數(shù)量。對于單甲氧基取代化合物，鄰位和對位取代染料相對于間位取代的3-MT（+0.59V vs Ag/AgCl）表現(xiàn)出陰極位移：2-MT和4-MT分別為+0.52V和+0.49V。這些值與HOMO計算能級一致，其中3-MT的能級低于2-MT和4-MT，使其更難氧化（圖4）。單取代系列中第二個氧化峰也呈現(xiàn)類似趨勢，這與HOMO和HOMO-1定域于甲氧基苯基取代基的預(yù)期一致。雙取代分子中，2,6-MT和3,4-MT比3,5-MT（E1/2=+0.69V vs Ag/AgCl）更易氧化，E1/2值分別為+0.47V和+0.51V，這表明苯環(huán)上取代位置對電子給體強度的影響具有可變性。

單取代和雙取代染料在CHCl3中的歸一化電子吸收光譜見圖5，其對應(yīng)的吸收波長λmaxabs和摩爾吸光度ε列于表4。

圖5. 六種熒光團(tuán)在CHCl3中298K（λexc=695nm）下的歸一化吸收（實線）和發(fā)射（虛線）光譜

表4. 每種染料的電子吸收值λmaxabs、摩爾吸光系數(shù)ε、發(fā)射值λmax、量子產(chǎn)率ΦPL和激發(fā)態(tài)能量E00

在室溫CHCl3溶液中觀察到了各分子的發(fā)射光譜（圖5所示），其中2-MT、3-MT、3,5-MT和2,6-MT的發(fā)射峰約為888nm，4-MT為907nm，3,4-MT為902nm（激發(fā)波長λexc=695nm）。六種染料的室溫發(fā)光特性及其量子產(chǎn)率ΦPL匯總于表4。通過歸一化吸收光譜與發(fā)射光譜的交點計算了各熒光發(fā)光激發(fā)態(tài)能量E00，結(jié)果在12,210至13,040cm-1范圍內(nèi)。

在單甲氧基熒光染料2-MT、3-MT和4-MT中，4-MT表現(xiàn)出最長的吸收和發(fā)射值（分別為690nm和907nm），這與對位甲氧基作為更優(yōu)電子給體的預(yù)期一致，其氧化電位低于2-MT和3-MT的實驗結(jié)果也證實了這一點（表3）。4-MT之后，2-MT的λmaxabs和λmaxem分別為680nm和891nm，長于3-MT的665nm和888nm，這與分子氧化電位的變化趨勢一致（表3）。對于雙甲氧基取代染料2,6-MT、3,5-MT和3,4-MT，3,4-MT具有最長的λmaxabs和λmaxem（690nm和902nm），這同樣歸因于其對位甲氧基比鄰位和間位取代基更強的電子給體特性（表3和表4）。

雖然摩爾吸光度在整個系列中沒有明確的規(guī)律，但量子產(chǎn)率ΦPL的值出現(xiàn)在間位甲氧基取代的3-MT（ΦPL=0.88%）和3,5-MT（ΦPL=0.90%）中（表4）。3-MT在單甲氧基染料2-MT、3-MT和4-MT中量子產(chǎn)率，而3,5-MT在雙甲氧基染料中發(fā)光。這一趨勢可歸因于3-MT和3,5-MT比系列中其他分子具有更高的平面性（表2），與先前研究發(fā)現(xiàn)的供體-受體共軛主鏈扭曲會增加非輻射能量損失，而平面體系能增強電子離域和光致發(fā)光強度的結(jié)論一致。

在環(huán)境氧條件下，近紅外發(fā)射熒光染料的光穩(wěn)定性至關(guān)重要，因為長時間照射會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷，從而引起熒光淬滅和光分解。因此，評估近紅外熒光染料的光穩(wěn)定性對于其在生物成像應(yīng)用中的使用至關(guān)重要，因為在生物成像中可能需要延長近紅外照射時間。通過在CHCl3中監(jiān)測每種熒光染料的吸收光譜隨照射時間的變化（670 nm，100 mW）進(jìn)行了光穩(wěn)定性研究。結(jié)果表明，單取代分子的分解程度相似，在照射10小時后均保留了約80%的初始吸光度。在雙取代熒光染料中，3,4-MT和3,5-MT表現(xiàn)出最小的分解，各自保留了約85%的初始強度，而2,6-MT則顯示出顯著的分解，照射10小時后僅保留了約60%的初始強度（圖6）。這些結(jié)果表明，基于TTD的熒光染料（除2,6-MT外）在長時間高功率照射（10小時，100 mW）下表現(xiàn)出優(yōu)異的光穩(wěn)定性（>80%強度）。

圖7. （a）2-MT和（b）2,6-MT的光譜表征，包括在CHCl3中可變延遲時間的瞬態(tài)吸收光譜（頂部；λexc=750，fwhm=85fs），以及在CH2Cl2中施加電勢下獲得的單電子還原（中間）和氧化（底部）物種的電子吸收光譜（相對于Ag/AgCl）

采用飛秒瞬態(tài)吸收光譜記錄了CHCl3溶液中經(jīng)750nm激發(fā)（5μJ，脈寬85fs）后各熒光染料的激發(fā)態(tài)，2-MT和2,6-MT的譜圖展示于圖7a,b（上部），其余染料譜圖見圖S23。所有分子均在~400nm處呈現(xiàn)ICT帶基態(tài)漂白信號，并在440-620nm范圍內(nèi)顯示寬激發(fā)態(tài)吸收峰，值位于~490nm。通過光譜電化學(xué)方法輔助解析瞬態(tài)吸收譜中的激發(fā)態(tài)特征。氧化時所有分子在450-540nm（峰值~525nm）及近紅外區(qū)（700-900nm）吸光度顯著增強（圖7a,b下部），這與甲氧基苯陽離子自由基的形成一致，證實氧化發(fā)生于遠(yuǎn)端取代供體。同時，分子氧化導(dǎo)致~400nm和~650nm處ICT信號減弱，歸因于甲氧基苯向TTD單元的電荷轉(zhuǎn)移減弱。

還原實驗中（圖7a,b中部），2-MT和2,6-MT在可見-近紅外區(qū)吸光度普遍下降，伴隨450-475nm新峰出現(xiàn)（3-MT除外），對應(yīng)還原TTD核心的生成。3-MT在可見區(qū)吸光度下降的同時300nm處略有增強。單電子還原物種在2-MT、4-MT、2,6-MT和3,4-MT中呈現(xiàn)450-500nm吸收峰，而3,5-MT則發(fā)生顯著紅移（峰值525nm）且信號更強。瞬態(tài)光譜（圖7）與光譜電化學(xué)獲得的氧化/還原物種電子吸收譜特征吻合，表明激發(fā)態(tài)源于甲氧基苯供體向TTD核心的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移。正信號衰減與基態(tài)漂白可通過雙指數(shù)函數(shù)擬合，各熒光染料壽命相近（表5）。初始1ICT激發(fā)態(tài)（S1）的振動弛豫壽命為2-13ps，隨后通過電荷復(fù)合在200ps-670ns內(nèi)返回基態(tài)S0（表5）。TTD-hexT核心電荷分離態(tài)壽命為550ps。氧化/還原特征與全局壽命的觀測證實了分子中取代苯基向TTD核心的電荷轉(zhuǎn)移過程，其壽命由電荷復(fù)合速率決定。

表5. CHCl3中測量的瞬態(tài)吸收衰變分量τ1和τ2，具有百分比貢獻(xiàn)，以及輻射和非輻射衰變率kr和knr

非輻射衰減動力學(xué)中一個關(guān)鍵參數(shù)是激發(fā)態(tài)能量E00，這一關(guān)系被稱為能隙定律（EGP）。該定律指出，隨著激發(fā)態(tài)與基態(tài)能隙減小，非輻射衰減速率knr會增加，導(dǎo)致激發(fā)態(tài)壽命縮短。通過熒光量子產(chǎn)率ΦPL和激發(fā)態(tài)壽命τ，利用經(jīng)典關(guān)系式計算得到各熒光染料的輻射速率常數(shù)kr和非輻射衰減速率knr，結(jié)果列于表4。ln(knr)與E00的關(guān)系基本符合EGP預(yù)期趨勢，其中1ICT激發(fā)態(tài)能量越低，knr值越大。

表5顯示，3-MT的knr值（6.36×10? s?1），其次為2-MT（8.79×10? s?1）和3,5-MT（1.26×10? s?1）。若非輻射失活通過供體基團(tuán)旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)，表2所列1ICT激發(fā)態(tài)S1至基態(tài)S0的二面角變化Δ?ave將影響knr大小。3-MT的平均二面角變化最?。é?ave=4.8°），與其knr值一致；2-MT（syn構(gòu)型）和3,5-MT的Δ?ave值也較?。ǚ謩e為3.8°和4.5°），對應(yīng)其較低的knr值。此外，3-MT、2-MT和3,5-MT表現(xiàn)出更長的1ICT壽命和更高的發(fā)射量子產(chǎn)率（表3和表4），這與它們較低的knr值相符。

遵循EGP趨勢的4-MT和3,4-MT具有最短壽命和knr值，同時S1→S0的二面角扭曲更大（表2和表4）。2,6-MT的非輻射失活速率knr高達(dá)1.34×10? s?1（表5），與其計算得到的S1→S0供體旋轉(zhuǎn)角Δ?ave=10.8°一致（表2）。值得注意的是，2,6-MT的短壽命和整體不穩(wěn)定性使其在成像應(yīng)用中成為較差的熒光染料設(shè)計?？赏ㄟ^在甲氧基位引入屏蔽基團(tuán)或聚合物包埋來保護(hù)受體免受親核試劑（如溶劑分子）影響，以改善其穩(wěn)定性，因為D-A-D染料降解被認(rèn)為發(fā)生在受體位點。當(dāng)前研究正探索多種策略以增強染料穩(wěn)定性和水溶性，從而與本工作結(jié)果進(jìn)行直接比較。

本研究證實，近紅外供體-受體-供體（D-A-D）熒光染料的不同取代位置會直接影響其光物理特性。實驗發(fā)現(xiàn)，間位甲氧基的引入能通過增強D-A-D骨架的平面性提高光致發(fā)光量子產(chǎn)率，而鄰位雙取代則會因D-A-D平臺的空間應(yīng)變降低光穩(wěn)定性。計算分析與電化學(xué)研究共同證實，鄰位供體的電子給體能力弱于對位供體。研究明確揭示了這類近紅外D-A-D熒光染料在激發(fā)時形成電荷分離激發(fā)態(tài)，且供體位置會直接影響電荷復(fù)合壽命。這些發(fā)現(xiàn)為未來研究提供了優(yōu)化光穩(wěn)定性和亮度的指導(dǎo)原則，同時可通過遠(yuǎn)端取代策略兼顧生物相容性需求。

參考文獻(xiàn)

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