在生物医学成像领域，研究人员一直在寻找能够穿透深层组织并提供清晰图像的荧光材料。麻省理工学院(MIT)的化学家们最近取得了一项突破性进展，他们开发出一种新型硼基荧光分子，这种分子不仅能在暴露于空气时保持稳定，还能发射红光和近红外光，为肿瘤成像等应用提供了新的可能性。
突破性硼基荧光分子
这种新型荧光染料基于硼鎓离子(borenium ion)——一种带正电荷的硼化合物，能够发射红光至近红外范围的光线。在过去，这类离子因过于不稳定而无法用于成像或其他生物医学应用。
在最新发表在《Nature Chemistry》上的研究中，研究人员展示了他们如何通过将硼鎓离子与配体结合来稳定这些离子。这种方法使他们能够创造出含硼的薄膜、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线。
"我们之所以专注于红光至近红外区域，是因为这些染料比紫外线和可见光范围内的光线更容易穿透人体组织。"该研究的资深作者、MIT化学系Robert Gilliard教授解释道，"红光染料的稳定性和亮度是我们在本研究中试图克服的挑战。"
技术原理与突破
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，但在组织中的应用有限，因为体内产生的蓝绿荧光水平会干扰信号。此外，蓝绿光在组织中会发生散射，限制了其穿透深度。
发射红光的成像剂可以产生更清晰的图像，但大多数红光染料本质上不稳定，且由于量子产率低，无法产生明亮的信号。量子产率是指每吸收一个光子所发射的荧光光子数量。对于许多红光染料，量子产率仅为约1%。
能够发射近红外光的分子包括硼鎓阳离子——含有硼原子并与其他三个原子相连的带正电荷离子。这些分子在1980年代中期首次被发现时，被认为是"实验室 curiosities"，过于不稳定，必须在称为手套箱的密封容器中处理，以防止接触空气导致分解。
后来，化学家们意识到，通过将硼鎓离子与称为配体的分子结合，可以使这些离子更加稳定。Gilliard的实验室在2019年发现，这些更稳定的离子具有一些特殊性质：它们可以通过发射不同颜色的光来响应温度变化。
然而，当时仍然存在一个重大问题：这些离子仍然过于活泼，无法在开放空气中处理。Gilliard的实验室开始研究使用称为碳二卡宾(CDCs)的新型配体来进一步稳定这些离子，并在2022年的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，并且对光具有抗分解性，不像许多先前的硼鎓基化合物。
在最新研究中，Gilliard开始实验CDC-硼鎓化合物中的阴离子(带负电的离子)。研究人员发现，这些阴离子与硼鎓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谱的红外端转移。这些分子还产生了高量子产率，使它们能够更加明亮地发光。
"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百分之三十几，这在电磁光谱的该区域被认为是相当高的。"
多形态应用潜力
研究人员还展示了他们可以将含硼化合物转化为多种不同形态，包括固体晶体、薄膜、粉末和胶体悬浮液。
对于生物医学成像，Gilliard设想这些含硼材料可以被封装在聚合物中，然后注入体内作为成像染料。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可能性。
由于这些材料具有温度响应特性，它们还可以被用作温度传感器，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。
"对于任何温度监测重要的应用，这类'分子温度计'都非常有用，"Gilliard说。
如果被整合到薄膜中，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型材料中，Gilliard表示。
行业专家评价
"在近红外区域实现的高量子产率，结合出色的环境稳定性，使这类化合物在生物应用中极具吸引力，"Rutgers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，强且可调谐的近红外发射也使这些新型荧光团作为防伪、传感器、开关和先进光电设备的智能材料非常有吸引力。"
未来研究方向
除了探索这些染料的可能应用外，研究人员现在正努力将它们的颜色发射进一步扩展到近红外区域，他们希望通过添加额外的硼原子来实现这一点。这些额外的硼原子可能会使分子不那么稳定，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(NIH)资助。
技术意义与前景
这项研究代表了荧光成像材料领域的重要进展。传统荧光染料在生物医学应用中面临穿透深度有限、信号干扰和稳定性不足等挑战。而新型硼基荧光染料解决了这些问题，特别是在以下几个方面具有显著优势：
深度组织成像：近红外光能够穿透更深的组织，使医生能够更清晰地观察肿瘤和其他内部结构。
高稳定性：新型染料在空气中保持稳定，无需特殊处理条件，大大简化了应用流程。
高量子产率：达到30%以上的量子产率意味着更强的信号和更清晰的图像。
多功能性：这些材料可以制成多种形态(晶体、薄膜、粉末等)，适应不同的应用场景。
温度响应特性：可作为分子温度计，监测药物运输过程中的温度变化。
随着研究的深入，这些硼基荧光染料有望在生物医学成像、药物研发、环境监测和光电技术等多个领域发挥重要作用，为人类健康和科技进步做出贡献。
