短波红外（SWIR，900-1700 nm）荧光介导的光热治疗（PTT）是通过提供肿瘤位置的实时可视化和详细的生物信息以实现可控和精确的光热疗法，已被认为是治疗恶性肿瘤的一种有效手段。自2001年AIE概念被提出以来， AIE的相关研究迅速成为一个突出的科学前沿，并广泛渗透到各个学科。聚集诱导发光材料（AIEgens）由于其特殊的机理可实现辐射和非辐射衰变过程的和谐平衡，这为其构筑生物医学应用材料提供可能。然而，AIEgens 的过度扭曲会破坏其共轭作用，降低其光子吸收能力，目前报道的大多数AIEgens的摩尔消光系数（MEC）仍较低（~ 103-104 M-1cm-1），这大大限制了其生物医学应用。
为解决这一问题，香港科技大学唐本忠院士、林荣业（Jacky W. Y. Lam）教授团队联合大连理工大学樊江莉教授团队提出了一种“强化吸收库“的策略，以（双-（二氟化硼）-8-咪唑并二吡咯甲烷）（BOIMPY）为电子受体构建的新型AIEgens，在近红外区表现出超高摩尔消光系数（MEC高达~105 M-1 cm-1），增加了其在SWIR的荧光发射和光热效果。相关工作以题为“BOIMPY Scaffold: Accessing Ultrahigh Molar Extinction Coefficient AIEgen for SWIR Imaging-Guided Photothermal Cancer Ablation”的论文发表在《Adv. Funct. Mater.》上，第一作者为香港科技大学杨明旺博士和欧新文博士。图1. BOIMPY设计策略及构建的AIEgen用于SWIR成像介导肿瘤光热治疗BODIPY（氟硼二吡咯）染料因其良好的稳定性、易修饰性、高量子产率和良好的生物相容性而在生物领域得到广泛认可。遗憾的是，大多数 BODIPY 染料都受到 ACQ 效应的影响，在聚集状态下表现出微弱的荧光。这主要归因于其狭窄的斯托克斯位移和平面𝜋-共轭结构所引起的自吸收和强大的分子间相互作用（如𝜋-𝜋 堆积）。利用 AIE 和 BODIPY 的优势，独特的聚集激活型 BODIPY 染料已成功应用于多种生物领域。为了扩展受体中心，BODIPY 结构中的吡咯被咪唑取代，作为桥接配体，能够以镜面构象与两个 BF2 单元结合。苯并环化作用的引入进一步扩大了𝜋 系统，并通过对相邻配体的立体包围增强了稳定性。这些调整导致形成了双-（二氟化硼）-8-咪唑并二吡咯甲烷（BOIMPY），它具有更大的𝜋共轭骨架和刚性平面结构，允许更大的𝜋电子离域，使其能够作为强电子吸收受体（图1）。此外，四苯基乙烯和三苯胺被用作电子供体，以扩大共轭结构，进一步缩小带隙。烷基链也被加入共轭桥噻吩基团中，以抑制分子间𝜋-𝜋的相互作用。值得注意的是，与传统的Knoevenagel缩合法不同，在这里直接将供体基团加入 BOIMPY 核心（图 2）。TPEB 和 TPAB 的合成过程如图 2a所示。TPEB和TPAB在近红外区分别表现出高达1.29×105 M-1 cm-1（828 nm）和1.01×105 M-1 cm-1（858 nm）的超高MEC，TPEB的荧光量子产率高达5.04 %。同时，为了展示BOIMPY优异的性质，作者比较了由相同电子供体和不同电子受体组成的一系列荧光团（2TT-BTD、2TT-PTD、2TT-DPTDQ、TPABF、2TT-BBTD和TPAB）的光物理性质。如图3所示，基于BOIMPY的TPAB染料具有最长的吸收波长，MEC比其它分子高一个数量级。这些结果归因于BOIMPY核的大刚性平面结构和强吸电子中心。显著高的MEC大大提高了染料在输出行为方面的性能。图3. 不同电子受体分子的吸收波长和摩尔消光系数对比随后，利用分子动力学（MD）模拟和量子化学计算进行了系统的理论分析。如图4所示，与TPAB（-607.88 kJ mol-1）相比，TPEB表现出更强的相互作用能（-743.13 kJ mol-1）。这主要归因于TPEB（-732.06 kJ mol-1）的范德华相互作用比TPAB（-592.10 kJ mol-1）更强。同时，在TPEB中观察到了较高原子接触比，这表明TPEB在聚集体中的分子内运动受限（RIM）程度高于TPAB。与 TPAB 相比，TPEB 的电子供体和受体之间的非共面连接扭曲程度较小，这应该会增加跃迁偶极矩，从而导致较大的振子强度和较高的 PLQY。所有这些 MD 模拟结果都充分表明，TPEB 具有更强的 RIM 效应，可促进激发态分子产生辐射衰变。利用DFT研究了分子的电子性质。TPEB和TPAB的LUMO主要位于BOIMPY受体基团的中心核心，而HOMO广泛分布在整个共轭骨架上（图5）。有趣的是，TPEB和TPAB分子垂直激发的振子强度分别为2.0054和1.9508（图5b）。大的振子强度应该有助于在光激发下从基态转变为激发态，这表明它们具有很强的光吸收能力，这解释了它们在光谱实验中观察到的高MEC。图5. 分子轨道理论及单分子态和聚集态下重组能计算然后研究了 TPEB 和 TPAB 在分子态和聚集态下的重组能（𝜆）（图 5）。经计算，分子状态下 TPEB 和 TPAB 的总𝜆分别为 2522 和 2657 cm-1。与分子状态相比，聚集状态下 TPEB 和 TPAB 的总𝜆有所下降，这表明 AIEgens 具有 RIM 效应。当从分子态转变为聚集态时，两种分子的二面角对总𝜆的贡献都明显减少。不过，TPEB 的降低程度（从 65.11% 降至 20.57%）明显高于 TPAB（从 60.29% 降至 28.52%）。这一结果与 MD 模拟的结果一致，表明 TPEB 比 TPAB 表现出更强的 RIM 效应，从而在聚集状态下产生更高的荧光产率。另一方面，来自高频区域的空间不敏感运动可能在聚集后仍然活跃。这种嵌入分子的空间不敏感运动以及暴露在聚集体表面的分子的强非辐射衰变可能会协同促进聚集体状态下的光热转换。系统的理论计算阐明BOIMPY骨架优异的吸电子能力、适度扭曲的供体-供体（D-A-D）结构和增强的RIM效应协同有利于TPEB的优异光物理性质。制备的TPEB NPs成功应用于SWIR成像介导的小鼠肿瘤光热治疗。研究者以BOIMPY为电子吸收单元设计出在近红外区域具有出色光子吸收能力的 AIEgen，摩尔消光系数高达 ~105 M-1 cm-1。与传统的 Knoevenagel 缩合不同，作为电子供体和分子内转子的四苯基乙烯直接与 BOIMPY 相连，形成了供体-受体-供体𝜋共轭体系。系统的理论计算揭示了TPEB的优越光物理性质源于辐射和非辐射衰变过程之间的和谐平衡。所制备的TPEB NPs成功应用于SWIR成像引导的光热肿瘤消融。这项工作为设计生物医学应用的多功能AIEgens提供了指导。--检测服务--
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