【材料】华中师范大学尹军、刘盛华课题组：刺激响应型苯并噻二唑类近红外荧光染料

    

近年来，近红外荧光染料受到了人们的广泛关注，已被大量应用于生物成像、智能传感等领域。在生物成像方面，近红外荧光染料具有背景干扰小、穿透能力强、光毒性低等优点。此外，作为传感器材料，它们还可应用于刺激响应、缺陷检测、信息存储等方面。因此，设计、开发新型的近红外荧光染料用于生物成像与荧光传感具有重要意义。

 

以苯并噻二唑/苯并硒二唑为基本骨架的分子已被广泛应用于光电材料中。基于此，华中师范大学尹军、刘盛华课题组选取苯并噻二唑/苯并硒二唑作为电子受体，构建了一系列D-π-A-π-D型化合物。作者通过改变电子给体或电子受体强度探究了分子结构与近红外发射、多刺激响应变色行为等之间关系（如图1所示）。

图1：分子结构与分子设计和机械变色性质示意图

 

首先，作者选取2,1,3-苯并噻二唑、苯并硒二唑为吸电子中心，乙烯基作为共轭桥梁，分别连接给电子基团：吡啶基、对甲氧基苯基、N,N-二甲基苯基以及四苯乙烯基，设计得到了六种化合物：BTD-565、BTD-580、BTD-675、BTD-685、BTD-695、BTD-Se-740。

溶剂效应

密度泛函理论计算表明这六个D-π-A-π-D型化合物中均存在明显地分子内电荷转移。在溶液中，除了化合物BTD-565外，其余五个化合物的电荷转移过程易受到溶剂极性的影响而呈现出显著的溶剂效应。

AIE效应

值得一提的是，BTD-Se-740中引入的螺旋桨状的四苯乙烯结构成功实现了化合物在溶液状态下的近红外区域聚集诱导荧光发光性质（AIE）。

分子结构与固体荧光发射

通过研究分子结构与其固体荧光发射，作者发现：D-π-A-π-D型荧光染料随着末端基团给电子能力增加或中心基团吸电子能力增强，化合物的固态荧光发射发生相应的红移。具体表现在：以苯并噻二唑作为电子受体中心，分别引入给电子能力依次增强的给体：吡啶基，甲氧基苯基，N,N-二甲基苯基，得到化合物固体发射由565 nm红移至685 nm。在苯并噻二唑基础上引入氟原子或者将硫原子替换成硒原子后，可以进一步增强中心基团的吸电子能力，从而可使得化合物固体荧光进一步红移至近红外740 nm（如图1所示）。总而言之，对于D-π-A-π-D型化合物，可以通过对给电子基或吸电子中心进行简单的调控从而获得更多具有近红外发射荧光染料。

分子机械变色性质

探究其固相性质，作者发现这一系列化合物均具有可逆的机械变色性质，能够在机械研磨/溶剂熏蒸（或加热）的条件下实现可逆转化（如图2所示）。除了双吡啶基（可作为强吸电子基团）修饰的BTD-565（565-550 nm）在外界刺激作用力下呈现出机械蓝移的特点外，其余五个分子均表现为机械变色红移的现象。其中，化合物BTD-675（675-715 nm），BTD-685（685-725 nm），BTD-695（695-745 nm）的机械变色现象均从可见光区红移至近红外区域。并且作者首次通过活体成像系统，实现了在近红外区域荧光变化的可视化（如图3所示）。此外，化合物BTD-Se-740（740-800 nm）则完全实现了近红外区域内的机械变色特性。

图2：分子多刺激响应行为和晶体堆积
（来源：Sci. Chin. Chem. 2019, 62, 440-450）

图3：BTD-695在研磨前（a, b），经研磨后（c, d）和经二氯甲烷熏蒸后（e, f）的Xenogen IVIS光谱图像；（a, c, e：激发波长：470 nm，收集荧光区域：640 nm）;（b, d, f：激发波长：470 nm，收集荧光区域：745 nm）

（来源：Chem. Eur. J. 2018, 24, 3671-3676）

分子机械变色机理

作者通过对单晶结构与粉末衍射分析发现：该类化合物在聚集状态下存在多种弱的相互作用，在机械力的作用下，分子的有序堆积遭遇破坏，转变成无定型态，从而表现出机械变色性质。

应用

众所周知，近红外荧光染料由于其背景干扰小、穿透能力强等优点已被广泛应用于生物成像、智能传感等领域。该课题组通过合理的分子设计与优化，得到了一系列近红外荧光分子。其中，化合物BTD-695通过机械力和溶剂熏蒸的方式可实现在薄膜表面的信息转入和擦除（如图4所示）。化合物BTD-Se-740由于其较远的近红外发射和AIE特性，作者成功地将其应用于细胞内溶酶体示踪和斑马鱼活体成像，实现了小分子多功能化。（如图5所示）。

图4：在薄膜表面的简单应用：用刻刀在附着有化合物BTD-695的滤纸片上书写“NIR”字样，随后通过溶剂熏蒸消除，上面：在365nm紫外灯下拍摄的照片，下面：在日光灯下拍摄的照片

（来源：Chem. Eur. J. 2018, 24, 3671-3676）

图5：（A） 共聚焦显微镜下MCF-7细胞溶酶体荧光成像；（B）斑马鱼荧光成像

（来源：Org. Lett. 2019, 21, 7213-7217）

该研究通过探究分子结构与功能的关系为设计更多具有多功能性近红外荧光材料提供了一种新思路。同时，该类化合物作在机械传感、生物成像等领域具有潜在的应用价值。相关成果近期发表于Organic Letters（Org. Lett. 2019, 21, 7213-7217）。硕士生叶凤英为文章第一作者，尹军教授，赵文波教授为通讯作者。