近红外荧光染料的结构_性质及生物荧光成像应用_王晓驰.pdf

1、POGESSINCHEMISTY化 学 进 展DOI: 10. 7536/PC141043http: / /www progchem ac cn Progress in Chemistry， 2015， 27( 7) : 794 805近红外荧光染料的结构、性质及生物荧光成像应用*王 晓 驰 常 刚 曹瑞军 孟令杰( 西安交通大学理学院化学系 西安 710049)摘 要 近红外荧光生物成像技术由于具有深的组织穿透性 、低背景荧光干扰 、最小生物样本光损伤等特点引起人们越来越多的关注 。开发高荧光效率 、低 毒性的近红外荧光染料是近红外荧光成像技术发展的关键所在 。本文综述了五类主要的有机近红外

2、荧光染料 ( 菁类 、BODIPY 类 、罗丹明类 、方酸类 、卟啉类 ) 的研究进展 ， 重点分析其结构与光学性质等构效关系 ， 为近红外荧光染料的设计和制备提供指导 。另外 ， 总结了有机近红外荧光材料功能化修饰的主要方法以改善生物相容性 、靶向性能等 ， 最后对近红外荧光染料存在的主要问题以及未来的热点方向进行了分析和展望 。关键词 近红外 有机荧光染料 荧光成像 功能化中图分类号 : O621; TQ619. 7 文献标识码 : A 文章编号 : 1005-281X( 2015) 07-0794-12收 稿 : 2014 年 10 月 ， 收 修 改稿 : 2015 年 1 月 ， 网

3、络出版 : 2015 年 7 月 1 日* 国家自然科学基金项目 ( No21174087， 21474079) ， 教育部新世纪优秀人才计划 ( No NCET-13-0453) ， 中国博士后面上基金和特别资助基 金 ( No2013M540738， 2014T70909) ， 中央高校基本科研业务费 ( No08142027， 08143101) 资助The work was supported by the National Natural Science Foundation of China ( No21174087， 21474079) ， the Program for New

4、 Century ExcellentTalents in University ( No NCET-13-0453) ， the China Postdoctoral Foundation Fund Project and Special Support Fund ( No 2013M540738，2014T70909) ， and the Fundamental Funds for the Central Universities ( No08142027， 08143101) Corresponding author e-mail: menglingjie mail xjtu edu cn

5、Structure and Properties of Near-Infrared Fluorescent Dyes and the BioimagingApplication*Wang Xiaochi Chang Gang Cao uijun Meng Lingjie( Department of Chemistry， School of Science， Xian Jiaotong University， Xian 710049， China)Abstract The near-infrared( NI) fluorescence imaging technologies have att

6、racted considerable interest inrecent years They take great advantages for in vivo bioimaging because of their deep tissue penetration，minimum photo-damage to biological samples， and minimum interference from background auto-fluorescence bybiomolecules in the living systems It is still a crucial iss

7、ue to develop NI fluorescent dyes with high efficiencyand low toxicity for fluorescence bioimaging technology This article reviews the advances in the development oforganic NI fluorescent dyes including cyanines， BODIPYs， rhodamine analogues， squaraines， porphyrins; andthe relationship between the s

8、tructure and optical properties is highlighted to guide the design and preparation ofNI fluorescent dyes In addition， We focus on discussing the main methodologies of functional modification toimprove the biocompatibility and targeting capacities of organic NI fluorescent dyes to realize multifuncti

9、on andhigh performance Finally， the future opportunities and challenges of NI fluorescent dyes and NI fluorescenceimaging technologies are addressed to our understandingKey words near-infrared( NI) ; organic fluorescent dyes; fluorescent imaging; functionalizationContents1 Introduction2 Organic NI f

10、luorescent dyes2. 1 Cyanines王晓 驰 等 : 近红外荧光染料的结构 、性质及生物荧光成像应用 综述 与 评论化学 进 展 ， 2015， 27( 7) : 794 805 7952. 2 BODIPYs2. 3 hodamine analogues2. 4 Squaraines2. 5 Others3 Functional modification and bioimaging applications3. 1 Functional modification3. 2 Fluorescence bioimaging4 Conclusion and outlook1 引

11、言生物荧光成像技术能够在三维尺度上对生物分子 、细 胞 及 组织 /器官进行实时 、可视化的检测 ， 能跟踪生物体的各种生理过程 ， 了解生物分子及其结构与功能的关系 ， 已成为当前生物医学领域的一个重要工具 1 3。荧光成像技术具有非侵 入 、可 视化 、高时空分辨率 、廉价 、安全和快速等优势 ， 已被广泛用于肿瘤诊断 4， 5、生物 分 子检测 6、药物 分 布和代谢 7， 8等诸 多 领域 。由于生物体本身缺乏可供有效分析的信号 ， 通常需要借助外来的标记材料对生物样品进行分析 。生物体的一些组分 ( 如黑色素 、血红蛋白 、细胞色素等 ) 对可见光波段有较高的吸收或散射 ， 会导致可

12、见光的组织穿透性较差 ， 且在此波段内生物组织有一定的自荧光干扰 9。相比 之 下 ， 血液和人体组织对 700 1100 nm 的近红外 ( NI) 光吸收和散射较低 10， 所以红色和近红 外的荧光容易透过生物组织用于活体荧光成像 。近红外荧光材料的吸收发射光谱要求都在 近 红外区 ， 且应具有好的生物相容性 、低毒或无毒性 5。开发高荧光效率 、低毒 性 的近红外荧光材料一直是近红外荧光成像技术发展中的热点和难点之一 。与贵金属纳米晶簇 、半导体量子点 、稀土掺杂纳米粒子 、碳点等无机近红外荧光材料相比 11， 有机近 红 外荧光染料具有高的摩尔消光 /吸光系数和荧光量子产率 、生物相容

13、性好 、结构易调 、价格低廉等特点而备受重视 。本文综述了五类主要有机近红外荧光染料 ( 菁类 ， BODIPY 类 ， 罗丹明类 ， 方酸类和卟啉类等 ) 的研究进展 ， 重点比较其结构 ( 母核结构 、取代基的种类和位置 ) 与光学性质 ( 吸收 /荧光波长 、量子产率 、光稳定性等 ) 的关系 ; 总结了有机近红外荧光材料功能化修饰改善生物相容性 、靶向性能并实现多功能和高性能的主要方法及在生物成像中的应用 ， 最后分析近红外荧光染料存在的问题并展望了未来的热点发展方向 。2 有机近红外荧光染料2. 1 菁类菁 染 料 ( 聚甲川菁染料 ) 是一类优良的荧光染料 ， 由奇数个碳原子组成共

14、振次甲基 ( 甲川基 ) 共轭链并被两个含氮杂环封端构成的一类共轭有机小分子体系 。其共振结构通式如图 1 所示 。图 1 菁染料的化学共振结构Fig1 The resonance structures of cyanine dyes单甲川和三甲川菁的吸收波长在可见区 ， 通 过增 加 1， 2-亚乙烯基单元 ( CH CH) 延长共 振聚甲川链可以使吸收波长发生红移 。研究表明每增加一个 1， 2-亚乙烯基单元可使吸收波长红移约 100nm 12， 因此五 甲川菁 ( Cy5) 的最大吸收波长可达到近红外区 ( 700 nm) ， 而七甲川菁 ( Cy7) 的吸收波长甚至可以超 1000 n

15、m。另外 ， 通过引入稠合芳香烃来增加两端氮杂环的共轭结构也可使吸收波长红移 ， 例如 I820 的吸收波长 ( 820 nm) 比 I783 的吸收波长红移 38 nm 13。这 两种方法都是通过扩大体 系 的 -共轭程度来有效调控菁染料的吸收和发射波长红移到近红外区域 。取代基的电子效应对染料的吸收波长也有影响 。通常在染料分子骨架上引入给电子基团时 ， 如在中间位引入乙烯基 ， 由于 p-共轭或 - 共轭效应会增大体系的共轭程度 ， 使最大吸收波长发生红移 14。而共轭骨架上吸电子基团 如 醛 基的存在 15， 会使 得 共轭体系上的电子云密度下降 ， 电子跃迁能级升高 ， 从而导致吸收

16、波长发生蓝移 16。分子链端的杂环核可以 是 吲哚 、苯并吲哚 、噻唑 、苯并噻唑 、萘噻唑 、咪唑 、喹啉等 ， 其共轭结构大小和推拉电子效应不同也会影响菁染料的吸收和发射波长 、荧光效率及光稳定性 。其中 ， 吲哚菁绿( ICG) 的光稳定性和生物安全性较好 ， 是美国食品eview 化 学 进 展796 Progress in Chemistry， 2015， 27( 7) : 794 805药品 管 理局 ( FDA) 批准临床使用的近红外荧光染料之一 17。图 2 菁染 料 I783 和 I820 的结构式Fig2 The chemical structures of I783 an

17、d I820图 3 不同氮杂环取代的氨基菁染料的结构式Fig3 The chemical structures of aminocyanine dyes withdifferent nitrogen heterocyclic ring随着菁染料中甲川链 的 增 长 ， 甲川链在光照下容易断裂 ， 导致许多近红外的菁染料光稳定性变差 ，而且水溶液中量子产率也较低 ， 影响了其生物荧光成像应用 。但菁染料的结构具有很强的可修饰性 ，经过近年持续努力 ， 已经找到一些提高染料稳定性和量子效率的方法 。在多甲川链上引入氯原子或刚性桥环 ， 或改变阴离子的种类都可能提高染料的稳定性和量子产率 。例如 ，

18、 在聚甲川链的中心引入刚性的氯化环己烯能显著提高菁染料的量子产率和光稳定性 5， 18。不同 含氮杂环取代中间氯原子 ( 氯 化环己烯部分 ) 生成氨基菁染料 19( CyN) ， 相应 的 氨基菁染料量子产率虽有所降低 ， 但进一步乙酰化的氨基菁染料 ( CyNA) 可显著提高光稳定性 20。另外 ， 抑制 染 料分子中官能团的旋转或染料分子聚集也可以提高光稳定性和荧光量子产率 21。荧光染料的斯托克斯位移越大 ， 即 发 射波长与吸收波长的差值越大 ， 受背景荧光的干扰就越小 ， 从而可以获得高精确度的荧光信号 。ITC( 分子内电子转移 ) 是影响斯托克斯位移的主要因素 ， 因此可通过提

19、高分子内电子云密度的方法扩大斯托克斯位移 22。例如 在 聚甲川链中心的环己烯上进一步引入含氮杂环 ， 发射光的波长变化不大 ， 但能显著降低最大吸收波长 ， 含氮杂环中氮原子上的电子云密度越大其斯托克斯位移就越大 ， 而且荧光量子效率也随之增加 ( 图 3 和表 1) 19。表 1 甲川链中心环己烯上取代基对斯托克斯位移的影响Table 1 The effect on stocks shift of substitute of cyclohexenylon the methine chainNo abs/nm em/nm Stokes/nm1 666 781 115 0. 182 688 7

20、87 99 0. 163 693 791 98 0. 134 750 784 34 0. 11近红外菁染料具有大的共轭结构 ， 通 常 是疏水的 ， 但生物荧光成像要求染料必须能够溶于水中 。为改善菁染料的水溶性 ， 通常可以向菁染料中引入羧基 、磺酸基等强亲水性基团 23。如果增加菁染料中芳杂环氮上 侧 链长度可增加亲油性 ， 但 这会导致对细胞线粒体的毒性增大 24。2. 2 BODIPY 类4， 4-difluoro-4-bora-3a， 4a-diaza-s-indacene( BODIPY)是二氟化硼二 吡 咯甲川染料及其衍生物的统称 ， 具有高耐光漂白性 、高摩尔吸收系数 、高量子

21、产率及对环 境的酸碱度不敏感 、吸收 /发射峰窄等特性 25， 是近年研究最多的一类有机荧光化 合物 。Treibs 和Kreuzer 在 1968 年首次得到第一个 BODIPY 化合物 26， 其母 核 结构如图 4a 所示 。但 BODIPY 母核的吸收 /发射波长分别在 490 nm 和 510 nm 左右 ， 均不在 近 红 外 区 ， 因此最近大量研究集中于对BODIPY 母核进行修饰以调节其吸收 /发射波长红移到近红外区 ， 从而得到了一系列近红外 BODIPY荧光染料 。图 4 BODIPY 与 Aza-BODIPY 的母 核 结构Fig 4 The chemical stru

22、ctures of BODIPY core and Aza-BODIPY core对 BODIPY 母核的修饰主要有四种方 法 : 第一 ，在母核上引入共轭结构 ， 增大母核分子的 -共轭体系 ， 使吸收和发射光红移 ; 第二 ， 使中心结构 “刚性化 ”， 让取代基和母核之间成环 ， 增加化合物的刚性平面 ， 使分子内扭转程度有所减少 ， 从而使发射波长发生红移 ; 第三 ， 在 BODIPY 分子两端分别引入吸电王晓 驰 等 : 近红外荧光染料的结构 、性质及生物荧光成像应用 综述 与 评论化学 进 展 ， 2015， 27( 7) : 794 805 797子基 团 和给电子基团 ， 形

23、成推拉电子结构 ; 第四 ， 将BODIPY 染料基本结构中 meso 位置的碳原子置换成氮原子形成氮杂 BODIPY( Aza-BODIPY， 其母核结构如图 4b 所示 ) ， 从而使其吸收和发射波长红移到 650 nm， 而且光稳定性好 。图 5 通过 扩 大 -共轭体系获得的近红外 BODIPY 分子结构Fig5 The chemical structures of NI BODIPY by expanding-conjugate system扩大 BODIPY 分子 -共轭体系的方式有 : 第一 ， ( 3， 5 位 ) 或者 ( 1， 7) 位引入芳香类基团如苯基 、噻吩基等 27

24、 30， 如图 5 中 化 合物 5 10; 第二 ， 位引入烯属烃或者炔属烃 26， 31， 如 图 5 中 化 合物 12表2 扩大 -共轭体系获得的近 红 外 BODIPY 染料的吸收 、发射波长Table 2 The wavelength of NI BODIPY by expanding -conjugate systemNo abs/nm em/nm5 650 6736 646 6967 710 7708 658 6879 735 75110 694 72911 500 51212 620 63113 605 62214 674 68615 658 16 579 58317 731

25、 75418 723 73819 670 742783 83020 650， 760， 826 21 890 14; 第 三 ， BODIPY 分子中吡咯环上稠合不同的芳香环如苯 、呋喃 、噻吩 8， 32， 如图 5 中 化 合物 15 18; 第四 ， BODIPY 的 “之 ”字边缘稠合富电子芳环如二萘嵌苯 、蒽 、卟啉等 33， 34， 如图 5 中 化 合物 19 21。同时这些方法也适用于 Aza-BODIPY。图 6 通过 中 心结构 “刚性化 ”获得的近红外 BODIPY 分子结构Fig 6 The chemical structures of NI BODIPY byrest

26、ricting conformation通过对不同结构及相关光谱数据比较可知 ， 使BODIPY 波长红移的规律为电子云密度越大 ， 对分子中 -共轭体系供电子能力越强 ; 共轭体系越长 ，eview 化 学 进 展798 Progress in Chemistry， 2015， 27( 7) : 794 805波长 红 移越大 。具体为 : 1) 取代位置影响 ， 位 位 ; 2) 位取代基团 ， 噻吩 苯 ， 烯烃 炔烃 ; 3) 吡咯环上的稠合芳烃 ， 噻吩 呋喃 苯 。使中心结构 “刚性化 ”是调控发光波长和提高荧光效率的一个有效手段 ， 即将 苯基取代的BODIPY 中的苯基与 BO

27、DIPY 形成环状链接 ， 从而阻止取代苯基的自由旋转 ， 形 成 结 构 受 限 的BODIPY 分子 ， 如图 6。此方法不仅可以使波长红移 ， 还能防止因扩大 -共轭体系引起的量子产率降低 35 37， 如表 3 所 示 。在 BODIPY 结构中引入推拉电子基团是调控染料荧光波长和量子效率的另一重要手段 。例如 ， 在1， 3， 5， 7-四取代苯基的 Aza-BODIPY 中 ， 1， 7 苯基的对位引入吸电子基团并在 3， 5 苯基的对位引入供电子基团 ， 如图 7; 或在芳环稠合的 BODIPY， 在中间位( 8 位 ) 引入吸电子基团 ， 在稠合芳环上引入给电子基团如图 5 中

28、化合物 17、18， 可形成推 -拉电子结构 38。此方法能同时增加 HOMO( 最高占有轨道 ) 能量并降低 LUMO( 最低未占有轨道 ) 能量 ， 使HLG( 最高占有轨道与最低未占有轨道的能量间隙 ) 减小 ， 引起波长红移 。如表 3 所示 ， 这些含有推 -拉电子结构的 BODIPY 类荧光染料的量子产率也较高 。图 7 通过推拉电子效应获得的近红外 BODIPY 分子结构Fig7 The chemical structures of NI BODIPY by a push-pull effect根据 能 隙规则 ， 随着 S0-S1能隙 的 增加 ， S0-S1的无辐射灭活可能

29、性 增加 ， 能量以热或者转移至单线态氧的形式呈现的可能性增加 。所以荧光染料在短波长时量子效率较高 ， 而近红外荧光染料的量子产率容易随着 -共轭体系的扩大引起的波长红移而降低 ( 见表 3) 。另外 ， 重原子效应 39如图 5 中 化 合物 5， 8 的量子产率分别为 0. 36 和 0. 15， 乙酰基的荧光猝灭效应如图 8 中化合物 34 36 25也会 使 染料的量子产率降低 ( 表 3) 。图 8 几种量子产率随波长红移而降低的 BODIPY 分子结构Fig8 The chemical structures of BODIPY whose quantumyield decreas

30、ing with bathochromic-shift表 3 一系列 BODIPY 染料的吸收 /发射波长及量子产率Table 3 The wavelength and quantum yield of BODIPY dyesNo abs/nm em/nm22 558 0. 1823 637 647 0. 3424 658 673 0. 1325 688 715 0. 3626 740 752 0. 2827 706 730 0. 1128 704 741 0. 3429 716 755 0. 2930 688 710 0. 4431 723 734 0. 3232 736 748 0. 29

31、33 721 732 0. 3134 500 510 0. 835 504 514 0. 4836 688 722 0. 12. 3 罗丹 明 类罗丹明是由 3、6 位氨基取代的氧杂蒽母体与 9位碳原子取代芳基构成的一类有机荧光染料 。因其具有高摩尔吸收系数 、高量子产率以及水溶液中耐光漂白等优良的光物理性质 ， 受到人们的重视并得到广泛应用 40， 41。经典的罗丹明染料如罗 丹 明 B、罗丹明 6G、罗丹明 101 的吸收 /发射波长在可见光区 ( 500 600 nm) 42， 不适于生物体荧光成像 。王晓 驰 等 : 近红外荧光染料的结构 、性质及生物荧光成像应用 综述 与 评论化学

32、进 展 ， 2015， 27( 7) : 794 805 799图 9 罗丹明染料的分子结构Fig9 The chemical structures of rhodamine dyes图 10 通过 扩 大氧杂蒽环得到的近红外罗丹明染料的分子结构Fig10 The chemical structures of NI rhodamine dyes byexpanding xanthene图 11 14 族罗丹明分子结构Fig11 The chemical structures of Group14 rhodamine为得 到 近红外罗丹明类染料 ， 可通过对氧杂蒽中心进行修饰 : 稠合芳杂环以扩

33、大氧杂蒽环如化合物 37( abs: 631 nm， em: 648 nm) 43， 9 位引 入 强吸电子基团 CN 等如化合物 38( 罗丹明 800， abs:680 nm， em: 700 nm) 44， 用 N、S 等其 他 原子取代O 桥原子 45。上述方法制备的近红外罗丹明类化合物存在合成 工艺 复杂 、吸收和荧光强度低 、斯托克斯位移较小( 35 nm) 等问题 46， 47。最近 陆 续有一些新型近红外罗丹明类化合物被报道 ， 包括 Si-派洛宁 ， 14 族( Group14) 罗丹明 48和 Changsha 近红 外 荧光染料 49( CS NIs) ， 它们的合成相对

34、简单而且具有较高量 子 效率 ， 在生物成像方面具有很大的潜能 。2008 年肖义和钱旭红团队首次用 Si 原子取代O 桥原子形成 Si 杂蒽化合物 50， abs( 641 nm) 和em( 659 nm) 比相同 结构的 O 杂蒽化合物红移约90 nm。随后用 Si、Ge、Sn 原子取代罗丹明中 O 桥原子形成的 14 族罗丹明近红外荧光染料被大量报道 ， 分别命名为 Si-罗丹明 ( Si) 、Ge-罗丹明 ( Ge)表 4 Si、Ge 吸收 /发射波长及量子产率Table 4 The wavelength and quantum yield of Si and Gegroup14 rh

35、odamine abs/nm em/nmSi 646 660 0. 31Ge 635 649 0. 34图 12 几种 近 红外 Si 荧光染料分子结构Fig12 The chemical structures of NI Si dyes表 5 一系列近红外 Si 荧光染料吸收 /发射波长 ， 量子产率Table 5 The wavelength and quantum yield of NI Si dyesSi abs/nm em/nmSi650 646 660 0. 31Si680 674 689 0. 35Si700 691 712 0. 12Si720 721 740 0. 05和 S

36、n-罗丹 明 ( Sn) ( 图 11) 。该团队还进一步阐明光谱红移的机制 : Si/Ge/Sn-C( 甲基 ) 的 *轨道 与相 邻的一个 *轨道 形 成 *-*共轭 效 应 ， 使LUMO 能级降低和 HOMO 能级升高 ， 从而引起的能隙显著减小 ， 吸收和发射波长均发生红移 50。其中 ， Si 和 Ge 具有传统罗丹明染 料的良好物理性质 ， 如良好的水溶性 、水溶液中较高量子产率和耐光漂 白性 ， 具有重要应用潜力 。另外 ， 基于扩大氧杂蒽环可延长波长的思想 ， 对 Si650( 化合物 39) 经进一步修饰得到了一系列近红外荧光 Si-罗丹明染料 51: Si680( 化合物

37、 40) 、Si700( 化合物 41) 和Si720( 化合物 42) ， 它们在 PBS 水溶液 ( pH =7. 4)中光稳定性好 ， 量子产率较高 ， 已成功用于小鼠癌细胞的荧光成像 。需要指出的是 ， 这些染料的荧光效率随荧光波长的红移迅速下降 ， 制备高量子效率的近红外 Si 仍是一个具有挑战性的工作 。CS NIs 是最近研究得到的一类同时具有罗丹明结构和花菁结构的新型近红外荧光染料 。由于共轭结构的增加 ， CS NIs 的吸收 /发射波长比传统罗丹明染料有明显红移 ， 同时又具有罗丹明染料优良eview 化 学 进 展800 Progress in Chemistry， 20

38、15， 27( 7) : 794 805的光物理学性质 ， 如高摩尔吸收系数 ， 高量 子 产率 ，耐光漂白 ， 化学稳定性好等 。例如 ， 经典罗丹明染料的吸收 /发射波长与氨基取代基关系密切 ( 罗丹明6G 罗丹明 B 罗丹明 101) ， 而相应的 CS NIs 的吸收 /发射波长也具有类似性质 ， 见表 6。图 13 几种传统罗丹明染料与 CS NIs 分 子 结 构Fig 13 The chemical structures of traditional rhodaminedyes and CS NIs表 6 几种传统罗丹明染料与 CS NIs 的吸收 /发射波长 ， 量子产率Tab

39、le 6 The wavelength and quantum yield of traditionalrhodamine dyes and CS NIsdyes abs/nm em/nmrhodamine 6G 530 551 0. 9546 688 721 0. 56rhodamine B 553 572 0. 5347 720 750 0. 30rhodamine 101 574 599 0. 8948 728 765 0. 292. 4 方酸类方 酸类荧光染料具有图 14 所示的大平面 共轭体系 ， 并具有独特的供体 -受体 -供体结构 ， 容易形成刚性平面的稳定两性离子共振结构 ，

40、因此其溶液在红外区有强的吸收和发射 。方酸类染料通常具有良好的光稳定性 ， 可通过二羟基环丁烯二酮与富电子芳环或芳杂环化合物 ( 如 N， N-二烷基苯胺 、酚 、吡咯 、喹啉等 ) 进行亲核取代反应制得 52， 53。方酸染料中含有两性离子性质的氧 ， 使 得 分子的极性大于开链的阳离子菁染料 ， 在水溶液中的荧光量子产率和荧光寿命较短 。但是 ， 当它与疏水的蛋白质 ( 如牛血清蛋白 、免疫球蛋白 IgG) 结合时 ， 荧光寿命和量子产率会显著提高 54， 因此特别适合蛋白等生物分子的荧光标记 。图 14 方酸类荧光染料的共振结构Fig14 The resonance structures

41、 of squarain dyes为 调整方酸类染料的吸收和荧光波长 ， 可 以 通过改变 -共轭体系的大小来实现 ， 例如用苯并噻唑 ， 喹啉替代方酸中的苯基 53。如果在芳环上有卤素取代 时 ( 如图 15) ， 也能使吸收 /发射波长红移 ， 并提高量子产率 ， 这种卤素效应顺序为 I Br Cl 55( 如表 7) 。值 得 注意的是 ， 方酸染料中的 Br、I 等重原子效应刚好和 BODIPY 中的重原子效应相反 。另外 ， 当方酸类中心环的 4 位用各种的吸电子基团取代时 ( 如图 16) 56， 也会明显影响其吸收 /发射 波长 、量子产率和摩尔吸收系数 ( 如 表 8) 。其中

42、 ， 二氰基乙烯基取代能在轻微减少量子产率和摩尔吸收系数的情况下使吸收 /发射波长分别红移 46/52 nm。图 15 卤素取代的方酸染料分子结构Fig 15 The chemical structures of halogen substitutedsquarain dyes表 7 染 料 49 的 吸收 /发射波长 ， 荧光强度 ， 量子产率Table 7 The wavelength and quantum yield of squarain dyes 49No abs/nm em/nm( M1cm1) 49a 683 698 195 000 0. 3749b 694 708 215 0

43、00 0. 4749c 695 710 216 000 0. 4749d 699 713 24 000 0. 58方酸 类 荧光分子中同时引入两个羧基及多个磺酸基时 ， 可提高其水溶性 57。但磺酸基是较强的吸电子 基团 ， 它的位置对吸收 /荧光波长 、量子效率等都会有显著影响 ， 因此通常将磺酸基修饰在取代烷基的末端而不与 -共轭结构直接相连 。王晓 驰 等 : 近红外荧光染料的结构 、性质及生物荧光成像应用 综述 与 评论化学 进 展 ， 2015， 27( 7) : 794 805 801图 16 吸电子基取代的方酸染料分子结构Fig 16 The chemical structure

44、s of acceptor-substitutedsquaraine dyes表 8 染 料 50 的 吸收 /发射波长 ， 荧光强度 ， 量子产率Table 8 The wavelength， intensity and quantum yield ofsquarain dyes ( 50， 50a， 50b， 50c)No abs/nm em/nm( M1cm1) 50 637 646 250 000 0. 2450a 683 698 185 000 0. 2150b 678 705 113 000 0. 0750c 657 701 80 000 0. 012. 5 其他 类卟 啉类 、苝

45、类 、轮烯类等具有大共轭结构的有机分子也可能产生强烈的近红外荧光 ， 个别化合物在近红外荧光成像中也有重要应用 。其中卟啉类化合物包含四个或四个以上吡咯环或杂环以及四个或以上桥碳原子 ( 甲川 ) ， 是一类天然或合成的聚吡咯大环化合物 。最简单的卟啉母核为 18 电子共轭体系 ( 如图 17 所示 ) ， 在可见光区有较高的吸收 ， Soretband 约 400 nm， Q-bands 约 500 600 nm。其 电子性 质很灵活 ， 特别容易受外围共轭部分的影响 ， 因此在卟啉环外围偶联不同的芳香环 ( 芳香烃或芳杂环 ) 来扩大 共轭体系 58， 容易 将 吸收光谱红移于近红外区 。

46、外围偶合的主要方式可分为 3 类 : ( 1)， 芳 烃耦合 ( 化合物 51， abs: 790 nm) ( 2) meso， 芳 烃偶 合 ( 化合物 52， abs: 677 nm) ( 3) ， meso， 偶合 ( 如化 合物 53， abs: 677 nm 和 1204 nm) ， 如图 18。图 17 卟啉母核结构及外围偶合方式Fig17 The core structure of porphyrin and fusion types图 18 不同类型芳烃偶合的卟啉分子结构Fig 18 The chemical structure of different types fused

47、porphyrin另外 ， 对卟啉的环内 进 行修饰也可以扩大其 共轭体系 。普通卟啉环中的一个吡咯环反转得到N-confused 卟啉 ( NCP， 如图 19 所示 ) 。如果将功能基团如炔基进一步连接于中心的 sp2碳原 子 上可得到亚乙烯基桥 NCP( 化合物 54) 59。由于 环 内功能基团可相互作用 ， 可扩大卟啉环的 -共轭体系 ， 能明显提高 HOMO 能量 ， 使其最大吸收波长在 CH2Cl2中为 775 nm。图 19 标准卟 啉与 NCP 分子结构Fig19 The chemical structure of standard porphyrin andNCP图 20

48、亚乙 烯 基桥 NCPFig20 The chemical structure of etheno-bridged NCPeview 化 学 进 展802 Progress in Chemistry， 2015， 27( 7) : 794 805由四 个 以上吡咯环或杂环以及四个以上桥碳原子构成的卟啉衍生物称为大环卟啉类化合物 ， 其光物理性质与分子中的电子芳香性和结构平面性密切相关 。用 S 或 Se 原子取代吡咯环上的部分 N 原子来对大环卟啉中心进行修饰 ， 可以增加腔内分子间氢键的相互作用 ， 其分子结构相对于全部 Aza 式的大环卟啉更具平面性 60， 使其吸收和荧光波长红移 。3 荧光染料的功能化修饰和荧光成像应用3. 1 功能 化 修饰有机荧光染料用于生物荧光成像时 ， 除了要具有近红外的吸收 /发射波长 、高的量子效率和较高的耐光漂白性外 ， 还应该具有良好的水溶性 、低的生物毒性 、特异的组织或细胞靶向性以及良好的细胞穿透性等 ， 从而达到更安全 、高效 、灵敏的荧光成像目的 。有些情况下 ， 还可以将荧光分子修饰到生物分子 、药物以及纳米载体表面 ， 在研究生物分子功能 、药物分布和代谢 、疾病尤其是肿瘤的诊断与治疗中发挥