在生物医学成像领域，研究人员一直致力于开发能够穿透深层组织并产生清晰图像的荧光染料。近日，麻省理工学院(MIT)的化学家团队取得了一项重大突破，成功开发出一种基于硼的新型荧光分子，这种分子不仅能在红光到近红外光范围内发光，还能在空气中保持稳定，为生物医学成像和其他应用开辟了新的可能性。
突破性硼基染料的研发历程
这种新型染料基于一种称为"硼基离子"的硼正离子形式，能够发射红光到近红外光范围内的光线。在过去，这类离子极不稳定，难以用于成像或其他生物医学应用。然而，通过将这些离子与配体结合，MIT的研究人员成功实现了它们的稳定化，创造出包含硼基的薄膜、粉末和晶体，所有这些材料都能在红光和近红外范围内发射和吸收光。
"我们之所以专注于红光到近红外光范围，是因为这些类型的染料比紫外线和可见光范围内的光更容易穿透人体和组织。"该研究的资深作者、MIT化学系的Novartis教授Robert Gilliard解释道，"红染料的稳定性和亮度是我们在这项研究中试图克服的挑战。"
技术突破：解决硼基离子的稳定性问题
大多数荧光成像依赖于发射蓝光或绿光的染料。这些成像剂在细胞中效果良好，但在组织中不太有用，因为身体产生的低水平蓝绿荧光会干扰信号。此外，蓝绿光在组织中散射，限制了其穿透深度。
发射红荧光的成像剂可以产生更清晰的图像，但大多数红染料本质上不稳定，并且由于量子产率低（吸收光子中发射荧光光子的比例）而不能产生明亮的信号。对于许多红染料，量子产率仅为约1%。
在1980年代中期首次发现能够发射近红外光的硼基阳离子时，它们被认为是"实验室中的奇观"，Gilliard表示。这些分子极不稳定，必须在称为手套箱的密封容器中处理，以防止它们暴露在空气中导致分解。
后来，化学家们意识到，通过将它们称为配体的分子连接起来，可以使这些离子更加稳定。在处理这些更稳定的离子时，Gilliard的实验室在2019年发现了它们具有一些不寻常的特性：它们可以通过发射不同颜色的光来响应温度变化。
然而，当时存在一个实质性问题："它们仍然太活跃，无法在开放空气中处理，"Gilliard说。
他的实验室开始使用称为碳二卡宾(CDCs)的配体来进一步稳定它们，并在2022年的一项研究中报告了这一成果。由于这种稳定化，这些化合物现在可以在不使用手套箱的情况下研究和处理。与许多先前基于硼基的化合物不同，它们还具有抗光分解性。
在最新研究中，Gilliard开始尝试CDC-硼基化合物中的阴离子（带负电的离子）。研究人员发现，这些阴离子与硼基阳离子之间的相互作用产生了一种称为激子耦合的现象。这种耦合将分子的发射和吸收特性向颜色光谱的红外端移动。这些分子还产生了高量子产率，使它们能够更明亮地发光。
"我们不仅在正确的光谱区域，而且分子的效率也非常适合，"Gilliard说，"在红光区域，我们的量子产率达到了百分之三十几，这在电磁光谱的这个区域被认为是高水平的。"
多样化的应用前景
研究人员还展示了可以将他们的含硼基化合物转化为几种不同的状态，包括固体晶体、薄膜、粉末和胶体悬浮液。
在生物医学成像方面，Gilliard设想这些含硼基材料可以被封装在聚合物中，以便注射到体内作为成像染料。作为第一步，他的实验室计划与MIT化学系以及MIT和Broad研究所的研究人员合作，探索在细胞内成像这些材料的潜力。
由于它们对温度的响应性，这些材料还可以用作温度传感器，例如监测药物或疫苗在运输过程中是否暴露于过高或过低的温度。
"对于任何温度跟踪重要的应用，这类'分子温度计'都可能非常有用，"Gilliard说。
如果融入薄膜中，这些分子也可能作为有机发光二极管(OLED)有用，特别是在柔性屏幕等新材料中，Gilliard表示。
行业专家评价与未来研究方向
"在近红外区域实现的高量子产率，结合优异的环境稳定性，使这类化合物在生物应用中极具吸引力，"未参与该研究的罗格斯大学化学教授Frieder Jaekle评价道，"除了在生物成像中的明显实用性外，强且可调的近红外发射也使这些新的荧光团在防伪、传感器、开关和先进光电器件等智能材料方面具有很大的吸引力。"
除了探索这些染料的可能应用外，研究人员现在正在努力将它们的颜色发射进一步延伸到近红外区域，他们希望通过添加额外的硼原子来实现这一目标。这些额外的硼原子可能会使分子不太稳定，因此研究人员也在开发新型碳二卡宾来帮助稳定它们。 这项研究由Arnold和Mabel Beckman基金会以及国立卫生研究院资助。
技术原理解析
这种新型硼基荧光染料的技术核心在于碳二卡宾-硼基离子的离子对组装机制。通过将硼基离子与特定的碳二卡宾配体结合，研究人员成功地解决了硼基离子长期以来面临的稳定性问题。这种配体不仅提供了电子稳定，还通过空间位阻效应防止了分子间的无效反应。
激子耦合现象的发现是该研究的另一关键突破。当阴离子与硼基阳离子相互作用时，电子能级结构发生改变，导致发射和吸收光谱向红外区域移动。这一现象使染料能够在生物组织中更有效地穿透，同时保持高量子产率，显著提高了成像质量。
实际应用场景
生物医学成像
在生物医学成像领域，这种新型染料具有显著优势。传统蓝绿光染料在深层组织中穿透能力有限，且易被组织散射和吸收。而红光到近红外光染料能够穿透更深层次的组织，使医生能够更清晰地观察肿瘤和其他体内结构。
研究人员计划将这些染料封装在生物相容性聚合物中，形成纳米颗粒或微胶囊，然后注射到体内。这些染料可以靶向特定组织或细胞，通过近红外荧光成像提供高对比度的图像，辅助医生进行更精准的诊断和治疗。
温度传感应用
这种染料对温度的独特响应性使其成为理想的分子温度传感器。在药物和疫苗运输过程中，温度控制至关重要，不当的温度可能导致药物失效或疫苗失效。通过将这种染料整合到温度指示标签中，可以实时监测产品的温度状况，确保其有效性。
此外，在生物医学研究中，这种染料可用于监测细胞或组织内的局部温度变化，为研究热疗效果或细胞代谢活动提供新工具。
光电器件应用
在光电器件领域，这种高量子产率的硼基染料有望用于下一代有机发光二极管(OLED)。特别是对于柔性显示技术，这种染料的环境稳定性和高发光效率使其成为理想材料。与传统的OLED材料相比，硼基染料在近红外区域的发光特性使其在特殊显示和传感应用中具有独特优势。
防伪与安全应用
由于这种染料具有独特的荧光特性和可调性，它还可用于高级防伪技术。通过将染料整合到油墨、涂层或包装材料中，可以创建难以复制的安全特征，用于货币、重要文件和高价值产品的防伪。
技术挑战与未来发展方向
尽管这项研究取得了显著进展，但仍面临一些技术挑战。首先，将染料的发射进一步延伸到更深的近红外区域需要添加更多硼原子，但这可能会降低分子的稳定性。研究人员正在开发新型碳二卡宾配体来解决这一平衡问题。
其次，生物相容性和体内安全性是生物医学应用的关键考量。虽然初步研究表明这些染料具有稳定性，但需要进一步研究其在长期生物环境中的降解产物和潜在毒性。
此外，大规模生产和成本控制也是商业应用的重要考量。目前的合成方法可能需要优化，以提高产量并降低成本，使这种技术能够广泛应用于临床和工业领域。
结论
MIT研究人员开发的这种新型硼基荧光染料代表了荧光成像技术的重要进步。通过解决硼基离子的稳定性问题，并实现高量子产率的红光到近红外光发射，这项研究为生物医学成像、温度传感、光电器件和防伪技术等多个领域开辟了新的可能性。
随着研究的深入和技术的完善，这种染料有望在临床诊断、药物开发和材料科学等领域发挥重要作用，为人类健康和科技进步做出贡献。未来的研究将继续优化染料的性能，拓展其应用范围，并探索与其他技术的结合，创造更多创新解决方案。
MIT化学家创造了一种含硼的荧光分子，该分子在暴露于空气时保持稳定，并能发射红光和近红外光范围内的光。这种染料可以制成晶体（如图所示）、薄膜或粉末。上图图像是在自然光下拍摄的，下图图像是在紫外光下拍摄的。
