当今生物医学的发展已由传统基于症状的治疗模式向以信息为依据的精准诊疗模式转变，医学影像技术是精准诊疗的重要工具，它的发展反映和引领临床医学的进步。一些传统的成像方式如超声、X射线、计算机断层扫描（CT）、磁共振成像（MRI）和正电子发射断层扫描（PETS）等被广泛用于检测疾病区域的生理功能和结构变化，但有时无法在恶性肿瘤、良性病变和邻近正常组织之间实现高对比度。近红外荧光（NIRF）成像由于具有更高的组织穿透深度和空间分辨率，标记靶点多样化、对亚细胞层次到活体层次的生理过程进行实时监测等特点。相对于常见可见光以及近红外一区（NIR-Ⅰ, 750-900 nm）荧光成像技术,近红外二区（NIR-Ⅱ, 1000~1700 nm）荧光成像由于具有更高的组织穿透深度和空间分辨率，可避免自发荧光和光子散射等背景的干扰，被视为最具潜力的下一代活体荧光影像技术。发光影像探针是发光成像技术中非常重要的组成部分，高亮度和生物相容性的无机和有机近红外（NIR）二区发光材料的设计和开发成为驱动近红外生物成像发展的原动力。近红外发光稀土配合物具有大Stokes位移、长发光寿命、窄发射谱带、耐光漂白等光物理性质。商业化的有机染料，不但简单易得还具有丰富的荧光选择。因此，设计和合成Ln-有机染料近红外二区成像荧光探针将极大丰富近红外发光探针的种类，推动近红外生物发光成像的快速发展，对实现将无创、高精度的近红外二区发光成像手段成功应用于临床疾病的检测和治疗具有重要意义。

在聚焦科技创新引领标志性产业链高质量发展实施方案（2024—2027年）中的精准医疗和个性化医疗需求的背景下，以高亮度和长波长特性的溴酚类、偶氮类商业染料为骨架，并以Yb³⁺、Er³⁺、Nd³⁺稀土离子为金属发光中心的近红外二区稀土荧光探针的设计和合成是一项重要的研究课题。山东省，尤其是济宁市，稀土元素资源储备丰富。通过开发利用这些稀土资源合成高附加值的荧光探针，不仅能带动稀土精炼加工、材料合成及终端应用等相关产业链的发展，还能显著提高山东省稀土资源的利用率和附加值。负责人所在的院校借助山东济宁丰富的稀土资源，通过整合校内的稀土荧光研究成果和济宁市稀土企业的高端应用，能够推动近红外二区荧光探针的研发布局，促进产学研一体化发展和科研成果的有效转化。这一发展策略不仅有助于将相关技术实际应用于精准医疗和个性化医疗领域，还将显著提升山东省在高科技领域的竞争力和创新能力，助力科技创新引领标志性产业链的高质量发展。 

  

图1 拟采用的部分染料分子结构图

 

图二 螯合配体

2、Ln-有机染料荧光探针的合成及表征

通过常温溶剂挥发/溶剂热等方法Ln-有机染料荧光探针。通过X射线单晶衍射和粉末衍射表征产物的结构；采用元素分析、ICP-MS、XPS等对其化学成分及金属离子价态等进行分析，确定化合物的精确结构；选择不同的溶剂条件、pH值、反应温度等对Ln-有机染料荧光探针进行细致调控。另外，稀土荧光探针的结构和稀土离子的配位环境容易受到稀土金属盐和溶剂种类的影响，选择能够促进稀土配合物刚性结构和增进稀土配合物荧光效率的稀土金属盐和溶剂种类。此外，稀土离子与有机配体配位时，容易形成高配位，应该选择配位能力弱的有机溶剂，尽量避免有机溶剂参与配位，提高Ln-有机染料荧光探针的荧光效率。选择合适的辅助配体不仅能够起到稳定结构的作用，还有利于实现从配体到稀土离子的能量转移，从而达到敏化稀土离子发光的目的。

3、化合物光谱性质表征

4、化合物发光效率与结构关系研究

对化合物荧光测试数据进行总结并分析，从影响化合物荧光量子产率的多种结构因素，如有机染料的三重态能级和供吸电子官能团、配位溶剂分子、分子间相互作用、分子空间堆积、分子内电荷转移等角度入手，深入探讨化合物发光效率与空间结构的关系，总结影响化合物荧光效率的相关规律，为今后近红外荧光材料的合成提供一定的理论依据和技术支持。

5、化合物的性能评价及生物成像性质研究

(1)化合物的性能评价。本项目对合成的化合物的细胞相溶性、细胞毒性、荧光量子产率等性能进行评价，并通过微调结构中配体的取代基对化合物性能进行优化，筛选出具有生物成像应用前景的化合物用于下一步的生物实验。

(2)活体成像性质研究。在小鼠模型中注射荧光探针进行活体成像实验，通过近红外成像系统对小鼠体内的荧光信号进行实时监测。通过调整成像参数，优化信噪比和成像分辨率，以实现对深层组织、器官及肿瘤等靶目标的高灵敏度和高特异性成像。 

近年来，用于近红外发光成像的探针主要包括有机小分子染料探针、以有机小分子为基础的包裹性纳米粒子、无机纳米粒子和稀土配合物[1-6]等。斯坦福大学戴宏杰教授、中国科学院上海药物所程震教授，武汉大学洪学传教授，南方科技大学梁永晔教授等为代表的课题组报导了一系列近红外发光的有机小分子染料荧光探针并成功地应用于活体荧光成像[7-13]。然而，这些有机小分子荧光探针通常都存在光漂白、斯托克斯位移小、荧光寿命较短、光稳定性较差等问题，且他们的量子产率偏低[14]。而无机纳米材料虽然荧光量子产率普遍较高，抗光漂白性能优良，发射峰窄，但是由于分子的尺寸较大，容易在人体聚集产生潜在毒性。稀土配合物结合了上述有机小分子和无机纳米材料的优点，具有斯托克斯位移大，光稳定性良好，低毒等优点，可作为近红外发光成像探针的理想材料。然而近红外发光稀土配合物的研究一直滞后于可见区域发光的稀土配合物。直到近年，才有一些应用于近红外细胞成像的稀土配合物的相关例子。2011年，Wong[15]和Maury[16]先后合成了一系列Yb配合物并应用于活细胞内的/双光子成像。自2013年开始，Petoud和Pecoraro等课题组在稀土配合物的近红外生物成像应用方面做了突出的工作，报道了以冠醚和氮杂冠醚为配体合成的分子簇活细胞成像探针的应用[17]。但这些配合物的量子产率很低，Yb配合物在水中的量子产率最高为2.5%[18]。此外，卟啉、酞菁类有机配体，作为一种大分子杂环多齿配体，具有吸光系数大、配位能力好、单线态和三线态的能量与近红外发光的稀土离子激发态之间的能级差比较合适的优点，被看作是理想的敏化近红外稀土的天线配体。国内外多个研究小组在这一领域做出了突出的贡献。以卟啉为例，2012年香港大学支志明院士课题组报道了Yb-八乙基卟啉配合物可作为诱导细胞凋亡的试剂，打开了Yb的卟啉配合物作为金属药物的大门[19]。北京大学张俊龙课题组则开展了以卟啉类及其衍生物为配体的稀土发光探针的设计、合成，以及在活体水平高分辨率发光强度成像和时间分辨发光寿命成像中的应用[20]。2017年报导了总量子产率最高（63%）的一系列Yb-全氟代卟啉三明治型配合物，寿命延长到714 μs[21]。该类稀土-卟啉配合物可通过引入糖基、羧基、三苯基磷等基团增加其生物相容性,使其应用于生物成像、及诊疗领域[22]。综上，稀土-卟啉配合物解决了发光量子产率低、生物相容性的问题。但是，卟啉、酞菁类配体合成、提纯难度较大，不利于实际应用。因此寻找高效而又简单易得的近红外配体成为新的挑战。商业化的有机染料，不但简单易得还具有丰富的荧光选择。与卟啉、酞菁类配体具有相似颜色及激发波长的花菁素染料、长沙染料、溴酚染料、偶氮染料等同样在可见光的长波长区域具有良好的吸收系数[23]，并含有丰富的可修饰官能团等优异的特性，理论上同样能有效敏化稀土近红外发光，并能有效避开生物样品的自吸收及自发荧光所造成的背景干扰。因此，我们选择II区发光的Yb, Er, Nd等稀土元素，和在可见光长波长区域具有较强吸收系数的水溶性商业深蓝紫色系染料作为敏化剂，构筑一系列具有不同核数及光学性能的Ln-染料分子发光探针。通过在这些有机染料配体中引入-SO3基团增加染料分子的水溶性；通过引入-CN，-NH2，-OH等给电子基团，提高染料分子的发光强度及量子产率。

综上所述，Ln-染料分子配合物作为近红外生物成像探针，在性质上有着独特的优势，应用潜力巨大：(1）Ln-染料分子配合物结构稳定，骨架刚性强；(2)Ln-与染料分子容易螯合配位，通过调控辅助配体，可以满足近红外发光的需求；(3)染料分子结构上存在反应位点，我们可以通过基团的变化来调控发光量子产率和波长，调节染料分子的三线态能量，使其最大程度地匹配稀土发光能级，合成高效敏化Ln发射的多种近红外发光探针。

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1、提出新思路。以商业染料分子为基础，探究染料配体外围生物活性基团的调控策略，调控金属与配体激发态能量的传递过程，为近红外发光生物探针设计提供新思路。

2、设计新方法。开拓稀土配合物的生物相容性修饰以及配位水分子的置换模式，通过对敏化配体的修饰及其配位环境的调控发展高效的NIR-Ln分子探针，探索配体结构和配位环境与探针特异性检测生物小分子功能之间的关系。

3、推动新应用。以稀土配合物的结构调控和细胞水平/活体检测应用为导向，根据稀土化合物的结构，从理论上揭示和预测稀土染料探针的结构与性质之间的关系，建立新的理论模型和定向合成方法，推动稀土配合物作为探针分子在细胞水平/活体检测中的应用。 

1.技术路线

溴酚染料、偶氮染料分子吸收波长在400-650 nm 之间，与已报道的稀土近红外高效敏化配体卟啉、酞菁的吸光性质及能带相似。同时该类配体满足在近红外发光探针的基本条件：（1) 生物相容性（有磺酸基团，并在生物染色领域有文献报导）；（2) 三线态可调（可改变官能团）；（3) 易与Ln形成结构可调的配合物（具有路易斯酸配位点-OH）选择在可见近红外长波长区有较强吸收的溴酚染料、偶氮染料分子如溴甲酚紫、溴酚蓝、滂酰紫6R、变色酸2R等作为主配体，通过对比系列配体不同取代基对稀土近红外发光的影响，调整供、吸电子基团，优化配体的三线态，筛选量子产率高的配合物。选择在可见近红外长波长区有较强吸收的溴酚染料、偶氮染料分子如溴甲酚紫、溴酚蓝、滂酰紫6R、变色酸2R等作为主配体，通过对比系列配体不同取代基对稀土近红外发光的影响，调整供、吸电子基团，优化配体的三线态，筛选量子产率高的配合物。并在此基础上引入β-二酮衍生物等螯合配体，取代配位溶剂分子，进一步提高量子产率。对Ln-染料分子配合物进行光学性质的测试，筛选具有生物成像应用前景的配合物，用于活体成像。

  

2.拟解决的科学问题

（1）染料分子三线态与稀土发光能级的匹配优化

染料分子的敏化效率取决于染料分子的三线态与稀土发光能级的匹配程度。如何通过引入不同的供、吸电子基团，调节染料分子的三线态能量，使其最大程度地匹配稀土发光能级，从而得到高量子产率的近红外发光稀土探针这将是此研究的难点与关键所在。

（2）稀土-染料分子配合物生物相容性的研究

具有良好生物相容性的近红外生物成像发光探针能够进入生物体循环过程，是实现活体成像的前提。如何提高所得配合物的生物相容性是我们亟待解决的关键科学问题之一。所选配体之一变色酸2R已用于生物细胞染色等生物领域，显示了良好的水溶性和生物相容性。

（3）稀土-染料分子配合物核数和结构的可控合成

虽然溴酚染料、偶氮染料作为配体易与稀土离子形成低核化合物，但是不同结构的辅助配体的引入，使得稀土-染料分子配合物的核数及空间结构存在多种可能。通过改变配体的官能团、引入螯合配体取代稀土-染料分子配合物配位的溶剂分子或增大配合物的核数均可进一步调控稀土配合物的量子产率、发光强度和发光寿命。因而，如何可控合成具有较好光学性质的稀土-染料分子配合物也是本研究的关键科学问题。

3.预期研究成果

（1）设计和合成一系列量子产率 > 5%，发光寿命 > 50 us的稀土-天然染料光学材料。

（2）提供稀土染料分子探针的合成方法，并能够有效地进行大规模生产。

（3）发表相关领域的高水平科研论文2-3篇。

（4）在动物体内完成稀土染料分子探针的组织分布和荧光信号转变研究。

（5）建立近红外发光稀土染料分子探针的生物成像方法，并在小动物模型中实现了高分辨率的生物成像。