唐本忠院士团队JACS｜动静结合：范式转移实现首例高平面型NIR-II AIEgen的构建及其多模态光学诊疗

自然界中存在多种完全对立的功能特性，而事物却时常在“对立统一”的协同关系中获得了更加理想的状态和实现最佳性能的输出，如人体的酸碱平衡、生态系统中的光合作用和呼吸作用，以及神经系统中的兴奋与抑制行为。事实上，材料科学的研究也在这种哲学观念的启迪下取得了蓬勃发展，如具有二元协同界面（超疏水和超亲水）效应的超浸润材料、利用晶态和非晶态转变的相变存储材料，以及引入电子给体-电子受体（D-A）型的发光材料。

近年来，基于D-A型近红外发光材料构建的诊疗体系为攻克癌症提供了革新的技术手段。在光学诊疗中，材料对激发光的捕获能力（即摩尔消光系数，ε）是决定其性能输出上限的先决条件。为了增加ε，许多发光分子被设计成平面型的大共轭结构。然而，由于强的分子间π-π堆叠，这类分子在聚集状态下经常展现出聚集淬灭发光（ACQ）和活性氧生成减弱的效应，因此阻碍了多功能诊疗体系的构建。最近的研究表明，聚集诱导发光（AIE）类分子在聚集状态下能够实现激发态激子的多通道分布，从而赋予基于单种AIE分子的聚集体具备多重性能，便于实现one-for-all型多模态光学诊疗。扭曲给体、扭曲给体-受体、扭曲给体-π桥或扭曲受体-π桥是构筑AIEgens的常用手段。尽管这些设计策略已经取得了较大突破，高度扭曲的构型却严重制约了高吸光能力AIEgens的开发，同时也削弱了相应诊疗体系的表现。截至目前，许多近红外吸收AIEgens 的ε还局限在103 ~ 104 M-1 cm-1。面对如此困境，急需新的研究范式来实现ε的数量级提升（> 105 M-1 cm-1）。

非富勒烯受体（NFAs）是一类化学物理性质可调和近红外光吸收能力较强的有机光伏材料。然而，其端基基元或中心骨架通常具备较强的分子间共面π-π相互作用，导致此类结构大多呈现出ACQ特征。毫无疑问，如果能够通过简单的结构修饰将此类ACQ分子改造成AIEgen，不仅可以继承该类分子强的光捕获能力（提升激发态分子的能量输出），同时也能为AIE研究提供全新的视角。基于此，香港科技大学唐本忠院士/林荣业教授、西安电子科技大学王忠良教授，香港中文大学（深圳）赵征教授和西南科技大学赵廷兴副教授等提出基于“反向交错互锁堆叠”构筑高平面型近红外二区AIEgen（NIR-II AIEgen）的设计策略（“静”），并系统阐明了该策略联合-CF3基团作为“柔性运动单元”（“动”）在构建高性能多模态光学诊疗体系的内在机制（图1）。

图1. (a) 高平面型AIEgen的构筑策略。(b, c) 高性能多模态光学诊疗体系的构建和应用研究。

考虑到电子受体的调控对优化D-A型荧光分子的性能具有明显优势，作者在之前的研究基础上（J. Am. Chem. Soc.2023, 145, 22776.）继续使用受体工程策略来探索上述设计。首先，为了减弱NFAs型分子Y5-2BO受体部分强的分子间相互作用，Y5-2BO-2BTF的端基被设计成位阻化的三氟甲基萘（图2a）。光物理研究表明，Y5-2BO和Y5-2BO-2BTF的ε高达1.44和 1.06 × 105 M-1 cm-1。同时，Y5-2BO-2BTF展现出更加红移的吸收和发射波长（图2b,c）。有趣地，Y5-2BO和Y5-2BO-2BTF分别展示出ACQ和AIE效应（图2d,e）。

图2. (a) 分子结构式。（b-e）Y5 -2BO和Y5-2BO-2BTF的光物理性质表征。

晶体解析表明，Y5 -2BO中不仅具有强的面对面型π-core相互作用，同时还存在着多重分子间端基π-π相互作用（图3a,b）。与其相反，Y5-2BO-2BTF则采用近乎反向平行且交错的堆积方式，因此消除了NFAs类分子中普遍存在的端基相互作用。此外，这种非面对面型的堆叠模式还伴随着大量的分子间D-A相互作用，杂原子相互作用和氢键，这些非共价构象锁赋予Y5-2BO-2BTF具备AIE行为（图3d,e,f）。

图3. (a) Y5 -2BO和Y5-2BO-2BTF的单晶解析。

由Y5-2BO-2BTF分子组成的纳米聚集体展现出长的近红外二区荧光发射、优良的Type I型活性氧生成能力、高光热转化效率（77.8%）以及优异的光热稳定性（图4）。系统的理论计算表明，活跃的-CF3转子（转动能垒低至1 kcal/mol）和疏松的聚集体共同促成了Y5-2BO-2BTF NPs的高光热生成能力（图5）。

图4. Y5-2BO-2BTF NPs的光物理性质研究。

图5. 系统的理论分析。

得益于这些优势，Y5-2BO-2BTF纳米聚集体在小鼠全身血管造影、肿瘤手术导航切除和原位乳腺癌的多模态光学诊疗中表现优异。而且，该诊疗体系还实现了肿瘤的肺部转移抑制（图6,7）。

图6. 小鼠血管造影和肿瘤的手术导航切除。

图7. 优异的多模态成像引导的协同治疗。

总结

不同于常用的扭曲构象策略，这项工作首次表明“反向交错互锁堆叠”的高平面构型设计可以作为构筑AIEgens的新方向。通过整合小体积、低转动能垒的-CF3基团和疏松聚集体的优势，不仅保证了AIEgen的高光捕获能力，还可以实现其光热生成能力的同时增强，因此实现了高性能的多模态光学诊疗。

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society上，文章的第一作者是香港科技大学博士后杨世平、欧新文和西安电子科技大学贾茜老师。

参考文献：

Shiping Yang, Qian Jia, Xinwen Ou, Fang Sun, Chaoqi Song, Tingxing Zhao,* Ryan T. K. Kwok, Jianwei Sun, Zheng Zhao,* Jacky W. Y. Lam,* Zhongliang Wang,* and Ben Zhong Tang*，Integration of Motion and Stillness: A Paradigm Shift in Constructing Nearly Planar NIR-II AIEgen with Ultrahigh Molar Absorptivity and Photothermal Effect for Multimodal Phototheranostics，J. Am. Chem. Soc.2025, DOI: 10.1021/jacs.4c15216.

论文信息：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c15216?articleRef=test

来源：高分子科学前沿

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