具有非共价构象锁定的不对称黄蒽类化合物，从而实现高于1500纳米的强荧光

《Journal of the American Chemical Society》：Asymmetric Xanthene with Noncovalent Conformation Locks to Attain High Fluorescence >1500 nm

　　高分辨率图像
下载MS PowerPoint幻灯片

在NIR-IIb窗口（1500–1700 nm）进行的荧光成像能够实现无与伦比的组织穿透力和对比度，然而，由于在对称分子结构中发射波长和亮度之间存在内在的权衡，有效的长波长（>1500 nm）有机荧光团仍然非常稀少。迄今为止，分子支架主要采用对称平面结构或扭曲结构，它们可以分别优化长发射波长（λem）或高量子产率（?），但无法同时克服这一基本的光学限制。在这项研究中，我们提出了一种合理的不对称设计，将平面ACQ单元与扭曲的AIE转子整合到单一分子支架中，结合了长λem、高摩尔消光系数（ε）和高?的 complementary 优势。我们还引入了分子间非共价构象锁（NoCLs）的概念，可以精确调节纳米颗粒内的光物理性质。为了验证这一概念，我们设计并合成了一系列不对称染料（T-X-J、T-X-BJ、J-X-BJ和T-Si-BJ），通过将杂原子取代的黄蒽核心（O、Si）与结构多样的电子给体基团（T、J、BJ）结合，并使用对称类似物（T-X-T、J-X-J、BJ-X-BJ、T-Si-T和BJ-Si-BJ）作为对照。将这些染料嵌入到富含杂原子的聚合物基质（Pttc-TTQ）中，建立了分子间非共价构象锁（C–H···π和C–H···O），以实现二面角的精确调控，并显著提高纳米颗粒的?。值得注意的是，T-Si-BJ在CH2Cl2中的发射波长超过1500 nm，这是首个具有NIR-IIb窗口发射峰值的不对称有机染料，并且在H2O中报道的具有光学权衡的荧光团中，它表现出最亮的荧光强度（14.1 M–1 cm–1，发射峰值1320 nm，且尾部信号延伸到NIR-IIb区域（见图1）。T-Si-BJ还被制备成聚合物点（Pdots），用于高对比度的深层组织血管成像和AI辅助的后肢血管分辨率分析。这项研究为NIR-IIb荧光团提供了一个合成上多样且结构丰富的平台，证明了不对称供体-受体-供体支架结合聚合物介导的几何控制可以同时优化发射波长和亮度。

**引言**
在短波红外（SWIR，1000–3000 nm）区域的荧光生物成像为高对比度深层组织可视化提供了显著的前景。然而，生物组织内的光子散射继续限制了成像深度和分辨率，这对高保真度的体内研究构成了根本障碍。将激发和发射波长扩展到第二近红外区域（NIR-II，1000–1700 nm）提供了一种有效的解决方案，因为散射和自荧光减少，从而实现了更深的组织穿透和更清晰的图像对比度。特别是NIR-IIx（1400–1500 nm）和NIR-IIb（1500–1700 nm）被认为是实现优异成像对比度和清晰度的最佳窗口。因此，发射波长超过1500 nm的荧光团对于推进深层组织生物成像至关重要。

目前报道的促进发射波长超过1500 nm的荧光团主要依赖于基于金属的纳米颗粒。尽管它们具有光学优势，但长期毒性的担忧阻碍了它们的体内成像应用。相比之下，有机荧光团具有生物可降解性、生物相容性和合成可调性等内在优势，这使它们在NIR-IIb应用中非常有吸引力。尽管在超过1200 nm的发射体方面取得了显著进展，但高效的长波长有机荧光团仍然稀少，SiRos1500是一个值得注意的例外。迄今为止，发射波长超过1200 nm的有机荧光团主要采用对称分子支架，这些支架由两个平面或两个扭曲的发色团终止。这种设计最近被证明具有聚集引起的猝灭（ACQ），这是由于强分子间π–π相互作用导致的，在水介质中会导致非辐射衰变途径。此外，这些荧光团在水溶液中还表现出不希望的聚集现象，导致发射强度降低数倍。相反，对称支架中的扭曲发色团旨在通过限制分子内运动来减轻π–π相互作用，从而在水介质中实现高量子产率（?），这也被称为聚集诱导发射（AIE）。从光物理角度来看，平面发色团具有较大的摩尔消光系数（ε）并通过激子耦合产生红移的发射波长（λem），而扭曲发色团由于聚集时二面角增大而表现出较小的ε和蓝移的发射波长。因此，对称的AIE或ACQ支架在亮度或发射波长方面各有优势，但无法同时优化两者。这种对称支架的固有限制显著限制了分子多样性，并阻碍了下一代有机NIR-II荧光团的发展。

尽管相关设计策略很少，但已经有一些零星报道。最早的方法是由Tang等人提出的，他们巧妙地结合了AIE和ACQ，开发出一种不对称支架，与对称的AIE或ACQ化合物相比，具有更长的发射波长和更高的亮度（pNIR-4，见图1）。随后，这一设计概念最近被应用于半花青素核心（DPM-HD1-HD3，见图1），其中平面黄蒽单元（ACQ）与结构扭曲的黄蒽类似物（AIE）结合，实现了比AIE或ACQ染料更长的发射波长和更高的亮度。这一策略似乎有望解决对称AIE或ACQ支架的内在限制。尽管取得了这些进展，目前的不对称设计仍未能达到目标吸收和发射范围（见图1，上部面板），这可能是由于供体-受体-供体（D–A–D）或D–π–A骨架内的供体-受体强度所致。因此，将这种协同设计扩展到NIR-IIb窗口仍然是一个长期挑战。然而，这是解锁能够进行深层组织成像的长波长有机发射体的关键。

**图1**
图1. 现有发射波长<1200 nm的不对称AIE化合物和本研究中发射波长>1300 nm的不对称AIE化合物的发射波长和量子产率，在固态或H2O中测量（例如，与聚合物基质组装的Pdots）。

他们的吸收和发射峰波长及量子产率在所报道的溶剂中可参考pNIR-4（27）、DPM-HD1（28）、DPM-HD2（28）和DPM-HD3（28）。注意：pNIR-4的量子产率（?）最初使用IR-26作为参考，其?为0.5%。然而，IR-26在DCE中的广泛接受的?为0.05%，因此pNIR-4的?被重新计算为之前报告值的十分之一（在图1中标记为*）。

为了应对这一挑战，我们提出了一种合理的分子设计，将ACQ的高ε和长λem与AIE系统的高?结合起来，以实现NIR-IIb发射。我们假设，嵌入分子骨架中的供体的结构灵活性和刚性可以产生扭曲（AIE型）和平面（ACQ型）构象（见图2A），从而构建出一个同时具备AIE和ACQ特性的强电子受体核心（见图2B）。这样的双功能框架有效地结合了ACQ（长λem和高ε）和AIE（高?）的互补优势，为未来NIR-IIb染料的发展提供了可能。

**图2**
(A) 当灵活的三苯胺（T）单元（分子转子）、刚性朱里奥利定（J）单元和庞大的刚性四甲基朱里奥利定（BJ）单元连接到分子骨架时，染料的几何结构。
(B) 对比（i）对称和（ii）不对称设计策略，其中λ、ε和?分别代表吸收/发射波长、摩尔消光系数和量子产率。
(C) Pttc-TTQ聚合物中扭曲的三苯胺单元和TTQ单元之间的分子间非共价构象锁，以提高纳米颗粒形式的发射效率。

我们设计了基于黄蒽的发光核心（电子受体），其末端连接强电子给体基团，以实现NIR-IIb发射窗口。为了进一步红移吸收和发射波长，我们替换了该黄蒽核心的中心杂原子，从而获得了高发射的NIR-IIb荧光团。为了诱导所需的分子几何结构，我们接下来试图精细调节分子框架中供体和受体之间的二面角。最近的研究表明，通过调节烷基链的长度、位置和拓扑结构，可以直观地调节对称AIE基NIR-II分子的分子构象和聚集材料的堆积行为。这种设计已在纳米颗粒状态下实现了高NIR-IIb发射。然而，这些研究大多依赖于苯并双噻二唑基受体，而D–A–D框架内的二面角会根据特定受体结构而有很大差异。因此，这些系统中的AIE或ACQ行为机制往往是特定于情况的，超出了本研究的范围。因此，我们提出了一种更通用和简便的方法，通过在纳米颗粒形式的不对称NIR-II染料和聚合物基质之间引入非共价构象锁（NoCLs）来调节二面角的大小，从而调节分子几何结构和发射波长（见图2C）。具体来说，我们利用C–H···π和C–H···O非共价相互作用在染料和聚合物之间植入分子间NoCLs，以更好地操纵D–A–D骨架中的二面角大小，并据此调节其光学性质。

为了证明我们的概念，我们策略性地设计并合成了一系列杂原子取代的黄蒽化合物，包含氧中心和硅中心的核心（分别称为X和Si），末端连接结构灵活和刚性的电子给体基团（见图2A），4-甲基-N-苯基-N-(对甲苯基)苯胺（T）作为AIE转子，朱里奥利定（J）作为刚性ACQ单元，四甲基朱里奥利定（BJ）作为空间受阻的刚性反ACQ单元（见图3，不对称）。为了理解这一点，还制备了对称的黄蒽化合物T-X-T、J-X-J、BJ-X-BJ、T-Si-T和BJ-Si-BJ（见图3，对称）。结果，自由旋转的T在骨架中引入大二面角，而空间受阻的融合环族J和BJ分别引入小到中等的二面角。因此，将T与J或BJ结合可以产生扭曲和平面及伪平面几何结构，分别在单一骨架中形成AIE（T）+ ACQ（J）或AIE（T）+反ACQ（BJ）框架。为了进一步调节纳米颗粒形式中不对称染料的二面角，我们设计了一种聚合物基质Pttc-TTQ（见图2C），能够与染料分子形成分子间NoCLs。概念上，Pttc段作为一个惰性的、庞大的单元来抑制染料聚集，而富含杂原子的TTQ段作为活跃的NoCL形成单元。利用TTQ中的分子间NoCLs，我们假设可以利用T单元的活跃分子运动来抑制纳米颗粒形式中不对称染料的无辐射衰变（见图2C）。

**图3**
图3. 本研究中合成的对称和不对称黄蒽的合成路线示意图。

随后，我们使用稳态光谱学和计算分析来验证所提出的概念。这些研究表明，当不对称黄蒽嵌入聚合物基质中时，由于形成了C–H···π和C–H···O分子间构象锁，其光学性能显著增强。这些NoCLs有效地调节了聚集状态下的分子几何结构、发射波长和整体亮度。值得注意的是，T-Si-BJ在所有研究的黄蒽中表现出最高的亮度，并且是迄今为止报道的最长波长发射的不对称AIE化合物（见图1）。然后使用概念验证的T-Si-BJ纳米颗粒进行了>1500 nm的高对比度深层组织血管成像，并结合AI辅助模拟实现了异常高分辨率的后肢可视化。

**结果和讨论**
**合成与表征**
图3概述了用于制备对称和不对称杂原子取代黄蒽的合成策略。对于对称黄蒽，采用两种不同的合成方法；对于不对称黄蒽衍生物，也采用了不同的方法。首先制备化合物1和2作为关键前体。化合物1是通过3-碘酚与苯二甲酸在甲磺酸中的缩合反应合成的（见支持信息中的Scheme S1），化合物2则是按照先前报道的方法（43）从2-溴-4-氯-1-碘苯和2-溴-4-氯苯甲醛开始，然后用KMnO4氧化得到适合进一步官能化的酮。化合物3、4和5的供体烯基部分是使用Wittig反应合成的，如先前文献所述（21）。然后使用钯催化，在卤代前体（化合物1和2）和3、4、5的烯烃之间进行C–C偶联反应。这些反应产生了含有氧的对称黄蒽（1a–1c）和含有硅的对称黄蒽（2a、2b）。通过使用钯催化剂进行Heck反应的两步法合成了不对称的木萝莲素。通过控制摩尔比，我们首先将化合物3和4中的烯烃与化合物1进行C–C偶联，然后将化合物3中的烯烃与化合物2进行C–C偶联，分别制备了前体化合物1d、1e和2c，这些化合物延伸了木萝莲素骨架的一侧。接着进行第二次C–C偶联，化合物1d与化合物4和5中的烯烃反应生成了不对称的含氧木萝莲素化合物1f和1g，而化合物1h则是通过化合物5中的烯烃与化合物1e反应制备得到的。类似地，利用钯催化剂，从化合物2c和化合物5中的烯烃制备了不对称的含硅木萝莲素化合物2d。接下来，含有内酯的对称和不对称含氧木萝莲素（1a–1c、1f–1h）在POCl3的存在下与乙醇酯化，转化为环开式衍生物，最终得到了对称木萝莲素T-X-T、J-X-J和BJ-X-BJ以及不对称木萝莲素T-X-J、J-X-BJ和T-X-BJ。对于基于硅的木萝莲素，最终的染料（T-Si-T、BJ-Si-BJ和T-Si-BJ）是通过一步反应合成的。化合物2a、2b和2d首先使用2,6-二甲基苯基镁溴化物进行Grignard反应，然后用2 M HClO4进行酸性处理。为了稳定阳离子并防止其在极性环境中发生亲核分解，采用了锂四（五氟苯基）硼酸酯乙醚作为对离子配对策略。合成染料的化学结构总结在图1A中，其在CH2Cl2中的光物理性质显示在图1B中。

图1. (A) 本研究中合成的对称和不对称NIR-II木萝莲素的化学结构。(B) 它们在不含聚合物的CH2Cl2中的相应吸收/发射波长和相对极性参数（?）（参考值IR-1061；? = 0.59% in CH2Cl2）。

高分辨率图像下载 MS PowerPoint 幻灯片

稳态光谱学和计算方法

吸收光谱显示，T末端木萝莲素的吸收峰值比J和BJ类似物更短（图1B）。这种趋势可能源于T单元在基态时的电子供体能力较弱，这与我们计算出的HOMO能级一致（图2A）。T单元的电子供体能力降低是由于D–A–D骨架中的氮孤对电子的可用性有限，因为这部分电子与两个对甲苯基单元共享（图2B）。在D1–A–D2体系中，A是电子受体，D1和D2都是电子供体。因此，在激发时，电荷从D1和D2转移到A。图2B显示，HOMO表明电子密度主要分布在D1–A–D2骨架上，而LUMO表明电子集中在染料的中心（A）处，D1和D2部分的供体位点的电子较少。然而，在激发态下，分子内的电荷转移（ICT）使得所有木萝莲素都在类似的光谱范围内发射光。将中心杂原子“O”替换为“Si”后，无论末端单元如何，吸收和发射都发生了红移。因此，X衍生物的吸收范围在900–1000 nm，发射主要位于1200 nm。相比之下，Si衍生物的吸收在1200–1300 nm，发射波长大于1500 nm，并且发射带在1800 nm处有延伸（图1B和表1）。为了进一步阐明这些观察结果，对O-木萝莲素和Si-木萝莲素进行了计算分析。使用B3LYP-D3/6-31G(d)理论水平进行了几何优化和频率计算，以确保没有虚频。以对称O-木萝莲素为代表性模型，通过时间依赖密度泛函理论（TDDFT）和6-31G(d)基组计算了垂直激发能量（表S1）。然而，SOS-CIS(D)方法得到的结果与实验数据最为吻合（表1）。基于SOS-CIS(D)的结果得出了理论光物理性质。Si-木萝莲素染料观察到的较低激发能量与实验结果一致。受到先前研究的启发（45），其中低LUMO被归因于SiMe2基团的σ*轨道与硅烯环中的π*轨道的共轭作用，我们检测了HOMO和LUMO能量以及相应的HOMO–LUMO能隙（图2A）。结果清楚地表明，Si-木萝莲素的LUMO能量低于O-木萝莲素。因此，较小的HOMO–LUMO能隙导致较低的激发能量，从而使得吸收波长发生红移。此外，图2B中的LUMO等值面显示，Si-木萝莲素的LUMO扩展到了SiMe2单元的甲基上，证实了σ*?π*共轭的存在及其相关的稳定效应。

图2. (A) 在HF (CPCM, CH2Cl2)/DZV水平下计算的含氧和含硅木萝莲素T-X-T、J-X-J、BJ-Si-BJ、T-X-BJ、T-X-J、T-Si-T、BJ-Si-BJ、T-Si-BJ的分子轨道能量图。(B) 在HF (CPCM, CH2Cl2)/DZV水平下T-X-T、T-X-BJ、BJ-X-BJ、T-Si-T、T-Si-BJ、BJ-Si-BJ的HOMO和LUMO等值面。

高分辨率图像下载 MS PowerPoint 幻灯片

表1. 在不含聚合物的CH2Cl2中，对称和不对称木萝莲素的实验结果及其在SOS-CIS(D) (CH2Cl2, CPCM) /VDZ方法下计算的垂直激发数据（Eabs以eV为单位，λabs以nm为单位）的光物理性质

实验数据
SOS-CIS(D)(CH2Cl2, CPCM) /VDZ
染料
λmax
abs (nm)
λmax
em (nm)
εmax (M–1 cm–1)
Φ (%)
亮度 (M–1 cm–1)
Eabs
λabs (nm)
T-X-T
88
4
12
200.6
0.5
× 10^5
0.012
7.26
1.74
17
12
T-X-J
96
5
11
92
1.72
0.017
29.24
1.55
18
0
T-X-BJ
97
0
1200
1.68
0.014
23.52
1.52
28
15
J-X-J
10
14
12
10
2.19
0.029
63.51
1.45
28
54
J-X-BJ
10
16
12
20
1.99
0.025
49.75
1.43
48
65
BJ-X-BJ
10
25
12
25
2.07
0.024
49.68
1.41
88
75
T-Si-T
11
95
15
36
0.42
0.007
1.68
1.13
6
10
91

T-Si-BJ
12
30
15
20
0.91
0.009
4.82
30.96
3
12
88

BJ-Si-BJ
13
12
15
0.51
39
0.012
10.00
0.85
61
44

为了进一步验证我们的分子设计，我们测量了它们的ε和?值，如表1所示。结果表明，在CH2Cl2中，含T的木萝莲素的ε和?值低于含J或BJ的木萝莲素。其中，T-X-T、T-X-J、T-X-BJ、T-Si-T和T-Si-BJ的?值分别为0.012、0.017、0.014、0.007%，ε值分别为60,500、172,000、168,000、42,000和91,000 M–1 cm–1。相比之下，含J和BJ的木萝莲素，即J-X-J、BJ-X-BJ、J-X-BJ和BJ-Si-BJ，在CH2Cl2中的?值分别为0.029、0.024、0.025和0.012%，ε值分别为219,000、207,000、199,000和139,000 M–1 cm–1。值得注意的是，不对称木萝莲素T-X-J、T-X-BJ和T-Si-BJ的ε和?值介于其对称类似物T-X-T、J-X-J、BJ-X-BJ、T-Si-T和BJ-Si-BJ之间，这验证了我们的设计策略：在单一骨架内结合了结构扭曲（AIE型）、平面（ACQ型）及其组合扭曲+平面（AIE+ACQ型）框架。通过DFT计算也进行了几何优化，显示含T的木萝莲素的对甲苯基环相对于氮中心的旋转自由度约为±23.5°和±24.3°（图S1）。这种构象灵活性促进了非辐射能量耗散，从而导致较低的?值。相比之下，由于J和BJ中缺乏可旋转的苯基单元，这种非辐射损失可以忽略不计，因此?和ε值相对较高。

总体而言，这些结果表明，末端供体单元和中心杂原子在控制木萝莲素染料的光学性质方面起着决定性作用。随后，我们研究了它们的聚集机制及其分子间的相互作用。从理论和实验的角度研究了对称和不对称木萝莲素的聚集行为、AIE效应、ACQ效应和反ACQ效应。在分子层面，我们对所有含氧木萝莲素衍生物进行了结构优化，并应用零点能量校正，计算了M06-2X/6-31+G*//B3LYP-D3/6-31G*水平下的木萝莲素二聚体的BSSE校正结合能。此外，我们计算了C = C相对于供体（表示为α1和α2）和C = C相对于木萝莲素核心（表示为β1和β2）的二面角（图3所示），所有二面角均列在表2中。二聚体的结合能解释了两个单体单元在接近时的稳定性，表明灵活的T末端木萝莲素形成的二聚体最为稳定，其次是BJ和J末端系统（图3）。

图3. 理论和实验计算评估了(A) T-X-T、(B) J-X-J、(C) BJ-X-BJ、(D) T-X-J和(E) T-X-BJ染料的聚集行为。左列显示了对称和不对称O-木萝莲素在基态（S0）的优化几何结构的二面角，并展示了优化结构、零点能量校正和在M06-2X/6-31+G*//B3LYP-D3/6-31G*水平下低能量木萝莲素二聚体的BSSE校正结合能。棕色、浅蓝色、红色和白色分别代表碳、氮、氧和氢原子。蓝色虚线代表C–H···π键。右列描述了荧光强度随DMSO/toluene混合物（标准偏差n = 3）中toluene比例的变化。

表2. 所有木萝莲素单体及其低能量二聚体的连接器（C = C）相对于发色团（α1和α2）或木萝莲素核心（β1和β2）的二面角

对于二聚体，括号内的值代表下层分子的二面角，括号外的值代表上层分子的二面角，如图3所示。

后续计算发现，T末端木萝莲素显示出较大的α1和β1二面角，表明T基团在D–A–D骨架内引入了显著的扭曲，促进了高度扭曲的聚集几何结构。另一方面，J末端木萝莲素显示出非常小的α1和β1角，形成了几乎平面的骨架。有趣的是，由于4-甲基取代基的空间位阻，BJ末端木萝莲素显示出选择性的扭曲α1角，而β1角保持相对较小，表明BJ诱导了具有中度畸变的伪平面几何结构。因此，T-X-T在二聚体中显示出最大的扭曲几何结构，α1和β1的二面角分别为?14.1°（?9.1°）和11.3°（?1.4°），α2和β2分别为?2.5°（?6.1°）和4.8°（?3.7°）（图3A）。注意，括号内的值代表下层分子的二面角，括号外的值代表上层分子的二面角。T-X-T的这种扭曲几何结构源于T基团与作为受体的另一个苯基上的氢原子之间的C–H···π键合，H到苯环中心的键长分别为2.405 ?和2.431 ?，导致较大的二面角。相比之下，J-X-J在二聚体中α1和β1的二面角分别为1.8°（?7.0°）和0.1°（1.5°），α2和β2分别为?1.5°（?6.1°）和0.1°（1.5°）（图3B）。在BJ-X-BJ中，4-甲基单元使α1和α2分别扭曲?11.4°（?1.8°）和3.6°（?5.7°），而β1和β2分别扭曲?1.8°（?1.7°）和?3.6°（?1.3°）（图3C）。通过在木萝莲素的一端引入扭曲的T基团，在另一端引入平面的J基团，T-X-J在D–A–D骨架中展示了大和小的二面角的结合，α1和β1分别为?14.5°（?7.8°）和?11.8°（?1.8°），α2和β2分别为?1.2°（?1.1°）和5.5°（5.0°）（图3D）。因此，T-X-J在单一骨架中采用了不对称的扭曲+平面几何结构。同样，一端终止为T、另一端终止为BJ的木萝莲素在D–A–D骨架中展示了大和小的二面角组合，α1和β1分别为?14.5°（?7.8°）和?11.8°（?1.8°），α2和β2分别为1.2°（?1.1°）和5.5°（5.0°）（图3D）。由此，T-X-J在单一骨架中采用了不对称的扭曲+平面几何结构。同样，一端终止为T、另一端终止为BJ的木萝莲素在D–A–D骨架中展示了大和适中的二面角组合，α1和β1分别为?15.3°（?8.4°）和?13.3°（?1.3°），α2和β2分别为4.6°（?5.3°）和9.4°（?2.6°）（图3D）。由于BJ的α2和β2较大，T-X-BJ在聚集时采用了扭曲+伪平面几何结构（图3E），而J-X-BJ作为对照不对称染料用于评估本研究中的正确组合策略（图S2）。基于此，我们构建了一个实验聚集模型以进一步验证我们的设计策略，并通过上述计算分析进行了验证。

鉴于这些化合物可溶于DMSO但不溶于toluene，逐渐添加toluene有效诱导了分子聚集，从而我们能够探讨分子几何结构、聚集状态和发射响应之间的关系。因此，我们在不同toluene比例的DMSO中测量了研究化合物的发射性质，以及在99% toluene比例下的发射性质（图3A–E的右列），以模拟高度聚集的状态。计算二面角计算表明，含T的衍生物采用了扭曲的几何结构，这可能减少分子间的π–π堆积，从而在聚集时增加发射强度。相比之下，J衍生物采用了高度平面的构象，使它们更容易发生π–π堆积，因此预计在聚集时表现出强烈的发射淬灭效应。与此同时，BJ衍生物由于诱导出伪平面几何结构，预计会表现出适度的淬火行为，因为其结构部分抵抗π–π堆叠。因此，在99%甲苯分数的DMSO中，T-X-T展现了非常高的发射增强效应，发射强度增加了5.6倍。这种增强效应归因于相邻T单元之间的两个C–H···π相互作用，如图3A所示。另一方面，J-X-J和BJ-X-BJ在聚集时表现出严重的淬火效应，初始强度分别减少了4.5倍和3.6倍（在99%甲苯分数的DMSO中）。与二面角分析一致，BJ-X-BJ由于含有8-甲基单元而表现出对ACQ的抵抗力，这证实了BJ部分的抗ACQ特性（见图3B,C）。接下来，我们研究了不对称染料在DMSO/甲苯混合物中的聚集行为。计算研究表明，这些不对称染料中存在组合几何结构。从实验结果来看，某种几何结构明显占主导地位。在99%甲苯分数的DMSO中，T-X-J的发射强度既没有像T-X-T那样增强，也没有像J-X-J那样大幅减少，而是介于两者之间。这证明了在单个骨架中存在AIE和ACQ双重几何结构。然而，J-X-J中的主导ACQ作用在聚集过程中将T-X-J的初始强度降低了1.1倍（见图3D）。有趣的是，在99%甲苯分数的DMSO中，T-X-BJ中T单元的AIE特性占据了主导地位，超过了BJ单元的抗ACQ作用（见图3E）。此外，最终的发射强度位于T-X-T和BJ-X-BJ之间，并且其发射强度比初始值增加了1.4倍（见图3E）。这一结果再次证明了在单个骨架中存在AIE和抗ACQ双重几何结构。作为对照，J-X-BJ在聚集状态下也表现出严重的淬火效应（见图S3），这进一步突显了正确的分子组合对调节聚集状态下发射性能的重要性。

接下来，我们通过将“O”原子替换为“Si”原子在花青素核心中，可以在保持类似特性的同时红移它们的发射波长，从而证实了我们设计的普适性。如图S4所示，在99%甲苯分数的DMSO中，T-Si-T和T-Si-BJ表现出显著的AIE效应，发射强度分别增加了3倍和1.25倍，而BJ-Si-BJ则表现出ACQ效应，发射强度减少了1.17倍。总的来说，理论和实验分析明确建立了对称和不对称花青素染料之间几何结构与发射强度之间的关系。由扭转（T）、平面（J）和伪平面（BJ）基元组成的二面角驱动的几何结构，控制着聚集状态下的π–π相互作用和构象约束之间的平衡。这些结构特征最终决定了染料是表现出AIE、ACQ还是抗ACQ行为，而不对称骨架使得单一分子内部共存两种光物理响应成为可能。然后，我们探讨了通过在聚合物基质中战略性地设计染料与聚合物之间的相互作用，如何进一步操控这些依赖于聚集的状态下的性质。我们采用聚合物基质来诱导染料分子间的相互作用，从而调节聚集状态下的二面角、染料堆积、分子几何结构和发射产率。我们的设计旨在：（1）通过利用染料与聚合物之间的非共价作用（偶极-偶极对齐、C–H···O氢键和C–H···π相互作用）来抑制T-甲苯基团的低频扭转运动（主要的非辐射途径），从而限制活跃的分子运动并锁定扭曲的几何结构；（2）通过战略性聚合物设计，优先固定不对称花青素染料中的T单元，实现位点特异性的构象锁定；（3）通过引入空间受阻的非极性段作为抗ACQ单元，减少随机染料聚集。为了实现这一概念，我们设计并合成了一系列由两种不同单体单元组成的交替共聚物：Pttc-TTQ、PFC8-TTQ和Pttc-PFC8（见图4A）。这些聚合物被用来阐明单个单体单元在聚集状态下实现PI-NoCL的作用。在这种设计中，Pttc单元作为抗ACQ成分，减轻了随机染料聚集；而TTQ单元作为NoCL元素，负责锁定活跃的分子运动。（46,47）另一方面，Pttc是一个空间受阻且惰性的单元，可以抑制随机聚集，同时允许T-甲苯基团与TTQ之间的位点特异性相互作用。为了理解这一点，我们还设计并合成了PFC8-TTQ（用相对平面的PFC8单元替代了空间受阻的Pttc单元）以及Pttc-PFC8（用不含杂原子的PFC8单元替代了富含杂原子的TTQ单元）（见图4）。

首先，我们使用含有T的花青素作为模型染料，并以DMSO/甲苯混合物模拟了聚集状态，因为它们含有自由旋转的T-甲苯基团；J-X-J作为对照染料。如图4B-E所示，在99%甲苯分数的DMSO中，与富含杂原子的聚合物Pttc-TTQ和PFC8-TTQ包装的T-X-T分别表现出15倍和12倍的发射强度增强，这是没有聚合物的T-X-T染料聚集（5.6倍）的2-3倍。相比之下，使用不含杂原子的Pttc-PFC8聚合物的T-X-T发射强度减少了1.8倍（见图4B）。结果表明，TTQ单元在聚集状态下与T-X-T发生了某种相互作用。此外，我们对不对称的花青素T-X-J和T-X-BJ进行了相同的实验，发现这些最初在聚集状态下不发射的染料在与Pttc-TTQ和PFC8-TTQ聚合物相互作用后，发射强度显著增加（见图4C,D）。因此，T-X-J和T-X-BJ分别与Pttc-TTQ聚合物一起增强了7.39倍和10倍，与PFC8-TTQ聚合物一起增强了3.5倍和4倍。相反，如图4E所示，在J-X-J中并未观察到这种聚合物诱导的发射增强效应，在有或没有聚合物的情况下发射强度都出现了显著下降。J-X-J与聚合物结合后ACQ的轻微减少可能归因于聚合物本身的抗ACQ效果。我们还测试了一种缺乏特定功能基团的对照聚合物（PMMA），未检测到增强效应。这些结果促使我们通过实验和计算方法来理解染料与聚合物之间的详细相互作用。

为了直接提供TTQ和T单元之间非共价构象锁定的实验证据，我们进行了2D ROESY（见图S5）和温度依赖的1H NMR分析，并进行了适当的对照实验。在T-X-T·TTQ系统中，2D ROESY光谱显示了烷基甲基质子（约2.34 ppm）和芳香质子（约7.07–7.13 ppm）之间的明显交叉峰，表明它们在空间上彼此接近，距离约为3–5 ?，这与C–H···π接触一致。这些相关性在单组分T-X-T对照2D NOESY（见图S6）中不存在，证实观察到的短程相互作用是由TTQ的引入引起的，而不是链内折叠或非特异性自关联。进一步的变量温度1H NMR（见图S7）进一步揭示了只有T-X-T+Pttc-TTQ共沉淀染料中的T-甲苯基?CH3质子的可逆和位点特异性的化学位移变化，而单独的T-X-T则没有明显变化。在低温下的向下位移和加热时的向上位移与热调制的弱C–H···O相互作用相关的非共价构象锁定一致。接下来，为了更深入地理解这些相互作用，我们提出了一个计算模型来解释T和TTQ单元之间的相互作用。

Pttc-TTQ聚合物中的Pttc段主要作为惰性骨架。为了简化理论分析，我们的讨论仅关注TTQ单元与供体部分（T、J和BJ）之间的堆叠相互作用。为了计算效率，我们在TTQ单元上使用了OC2H5代替OC6H13，因为这种替换对电子结构或堆叠行为的影响可以忽略不计。TTQ的优化结构及其相应的偶极矩见图S8。通过将TTQ的偶极矩与供体的顶部或底部面平行或反平行对齐，模拟了TTQ与供体单元之间的堆叠配置。以T-X-T·TTQ复合物为例，有四种不同的堆叠模式。相比之下，不对称的T-X-J·TTQ复合物允许八种独特的堆叠排列。这些复合物的优化几何结构见图S9。图4F显示了Xanthene·TTQ复合物的最低能量配置，这有助于阐明聚集状态下花青素框架的结构适应性。这种配置提供了关键见解，说明作为供体的花青素和作为受体的TTQ是如何调节分子构象，从而影响聚集状态下的发射行为的。结果表明，TTQ堆叠在T上的稳定性明显高于在J或BJ上的稳定性（见图4F）。当TTQ偶极矩的负端朝向花青素核心时，这种稳定性得到增强，表明TTQ与含T的花青素之间存在有利的相互作用。为了更好地阐明TTQ对T在Xanthene·TTQ复合体中的结构影响，我们将TTQ引入了各种配置中，包括T-X-T、T-X-J和T-X-BJ，并随后提取了T和TTQ进行结构分析（见图4G）。结果表明，TTQ含有两个醚氧原子，它们作为氢键受体，与T的T-甲苯基氢形成两个C–H···O氢键。此外，TTQ的甲基氢还与T的另一个T-甲苯基团形成了C–H···π相互作用。例如，在图4G所示的TXT·TTQ复合体中，观察到的距离分别为2.306、2.573和2.817 ?。这些相互作用有效地限制了T中苯基的旋转自由度，从而增强了聚集状态下的发射强度。这样的构象锁定也在T-X-J和T-X-BJ中观察到，这些效应仅限于不对称花青素中的T单元。因此，它们展示了两个C–H···O氢键和一个C–H···π相互作用，距离分别为2.574、2.313、2.821和2.571、2.309、2.824 ?，与实验结果中观察到的T-X-T相比，发射强度有所增强。相比之下，在含J或BJ的花青素中未观察到这样的聚合物相互作用，这进一步验证了我们的实验观察结果。结合理论计算和对比聚合物对照（Pttc-PFC8和PMMA），这些光谱结果提供了Pdots中持续存在的短程分子间接触的实验证据。虽然不能排除额外的基质固化效应，但数据支持反复的C–H···π/C–H···O相互作用有助于构象锁定和减少非辐射松弛，从而增强了荧光亮度。利用这些明确定义的染料-聚合物相互作用，我们接下来研究了NoCLs对纳米粒子中花青素染料光物理性质的影响。

接下来，我们使用Pttc-TTQ和DSPE-PEG制备了所有花青素染料的聚合物点（Pdots）（见图5A）。Pdots内的固态环境预计将进一步加强在DMSO/甲苯系统中观察到的分子间相互作用。随后，我们研究了水介质中花青素Pdots的光物理性质，并总结了Pttc-TTQ相互作用对对称和不对称花青素光物理性质的影响（见表3）。通过对称和非对称荧光素盘（Pdots）的光物理性质的研究，这些荧光素盘是通过Pttc-TTQ/mPEG-DSPE在水介质中组装而成的。其中，连接基团（C = C）与供体（T, J, 和 BJ）以及荧光素核心（α2 和 β1）之间的二面角（α1 和 β2）也被考虑在内。所有低能量荧光素·TTQ复合物均进行了实验结果和计算分析。

实验结果显示：
- 某些T-X-T类型Pdots在水溶液中的荧光强度?（φ）高达2.523%，这比在CH2Cl2中的?（0.012%）高出200多倍（见表S2）。
- 吸收和发射波长从CH2Cl2中的884 nm和1220 nm蓝移到了H2O中的850 nm和960 nm（见图5B），同时摩尔吸光度εmax显著降低。
- 计算分析表明，当T-X-T与Pdots中的Pttc-TTQ聚合物相互作用时，T到C = C和C = C到荧光素核心的二面角发生了构象扭曲，导致α1和β1从原来的-14.1°和11.3°变为-23.4°和-19.9°，这干扰了供体T到荧光素核心的π电子离域，从而引起了波长的蓝移。

令人感兴趣的是，T-X-T Pdots在水溶液中的?值显著提高，但同时也伴随着吸收和发射波长的蓝移。进一步的定量动力学分析显示，当T-X-T在Pdots中聚集时，其荧光量子产率得到了提升。计算基于实验测量的荧光量子产率和时间分辨荧光寿命，从而得出了辐射衰减率（kr）和非辐射衰减率（knr）。在溶液状态（CH2Cl2）下，T-X-T的量子产率非常低（? = 0.012%），平均寿命（?τ?为1.6 ± 0.4 ps），辐射衰减率kr为8.1 × 10^7 s^-1，而非辐射衰减率knr为6.8 × 10^11 s^-1。然而，当T-X-T与TTQ单元相互作用后，其荧光量子产率显著提高，寿命也发生了变化。

相比之下，对称型的J-X-J和BJ-X-BJ Pdots的?值非常低（分别为0.004%和0.011%），这与它们在DMSO/tolene中的聚集行为一致。但由于它们的平面结构，这些荧光素盘具有更长的吸收和发射波长以及更高的ε值。尽管如此，对称型AIE（T-X-T）Pdots在NIR-IIb成像中亮度最高，但由于发射波长较短，可能不适用于实际应用。

为了克服这一困境，非对称型的T-X-J和T-X-BJ Pdots在光波长和亮度之间实现了良好的平衡。通过选择性地将TTQ与T单元结合，可以增强荧光强度?；同时平面结构的J或BJ单元有助于延长吸收和发射波长并提高ε值。计算数据显示，T-X-J和T-X-BJ Pdots在水介质中的?分别为0.333%和0.448%，这比在CH2Cl2中的?值（分别为0.017%和0.014%）高出20–30倍。此外，这些Pdots在1300 nm和1400 nm处的吸收和发射波长以及摩尔吸光度也更高。

为了拓展吸收和发射波长范围，我们在荧光素核心中用“Si”替代了“O”。研究表明，在CH2Cl2中，含Si的荧光素表现出红色的发射峰（>1200 nm）和深的吸收峰（>1500 nm），使其成为深组织NIR-IIb成像的理想候选者。通过使用PI-NoCL策略，含Si的荧光素在1300–1500 nm范围内展现了卓越的成像性能，尤其是在1300 nm处的亮度最高。

在体内实验中，T-Si-T Pdots在1064 nm激光激发下表现出良好的实时成像效果，其亮度优于其他类型的Pdots。此外，T-Si-BJ Pdots在1064 nm处的ε值高，且在1300–1500 nm范围内的成像效果最佳。通过进一步的细胞毒性和光稳定性评估，证明了其良好的生物相容性。在活体小鼠中进行的体内成像实验也证实了T-Si-BJ Pdots在深度组织成像中的有效性。

综上所述，利用AI驱动的图像处理技术可以进一步改善荧光素成像的质量，特别是在1300–1500 nm范围内的成像效果。这使得T-Si-BJ Pdots成为最佳的深组织成像荧光染料。需要注意的是，图6F-H中显示的高SBR值是由算法背景抑制所贡献的对比度，应与图6C-E中所示探针本身的光学SBR区分开来。此外，SBR的显著提高是由于算法背景抑制（在这种情况下，分母Ibackground趋近于零）的数学效应，而不是荧光光子计数的物理放大。因此，经过人工智能增强的NIR-IIb图像能够提供高对比度的血管图谱，这些图谱既支持结构解析，又保持了原始原始数据的计算重建。这展示了人工智能增强型NIR-IIb成像技术在从低剂量有机探针中提取高对比度血管图谱方面的潜力。

**结论**

为了总结上述结果和讨论，我们提出将传统的对称ACQ或AIEgens扩展为不对称的xanthene基AIEgens，以增强合成多样性并促进NIR-IIb波段的发射。该概念在于将平面和扭曲的发色团嵌入到同一个支架中，从而结合长λem、高ε和升高的?等互补优势。基于这一目标，设计并合成了不对称xanthenes（T-X-J、T-X-BJ和T-Si-BJ）。此外，将这些染料嵌入到富含杂原子的聚合物基质（Pttc-TTQ）中可以建立分子间的NoCL（分子间共价键），从而能够精确控制二面角，显著提高Pdots（聚合物点）中的?值。通过实验验证了这一概念：J或BJ单元提供了长λem和高ε，而T单元与TTQ基质的相互作用产生了超高的?值；计算分析也证实了这一点，即平面和伪平面J或BJ单元产生的二面角较小，而扭曲的T单元由于C–H···π和C–H···O分子间共价键与TTQ基质的相互作用产生了较大的二面角。T-Si-BJ相较于T-X-J和T-X-BJ具有更优越的光学波长，这归因于“Si”原子在xanthe骨架中的引入，该元素通过延伸SiMe2单元上的σ*?π*共轭效应显著降低了LUMO（最低未占用分子轨道）。从概念上讲，不对称xanthenes在本研究中优于其对称类似物（T-X-T、J-X-J、BJ-X-BJ、T-Si-T和BJ-Si-BJ），因为它们具有平衡的光学波长和超高的亮度，展现了不对称衍生物的多功能性。T-Si-BJ还被制备成Pdots（聚合物点），成功展示了其在NIR-IIb波段进行高对比度深度成像中的重要性，并且在合成多样性方面超越了现有的NIR-IIb发光体。我们认为，这种分子设计的通用性使其可以广泛应用于其他支架上。未来的研究将致力于通过系统筛选具有定制空间尺寸、外围灵活性和电子密度的供体-聚合物对，来优化非共价构象锁定，从而为有机NIR-IIb及其他潜在的NIR-III发光系统的开发开辟新的方向，进而服务于生物医学成像和医疗应用。