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产生清晰图像的荧光材料。近日，麻省理工学院(MIT)的化学家们取得了一项重大突破，他们成功研发出一种新型含硼荧光分子，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的光线。这项研究成果发表在《自然·化学》期刊上，为肿瘤成像和其他生物医学应用开辟了新的可能性。
传统荧光染料的局限性
大多数荧光成像依赖于发射蓝光或绿光的染料。这些成像剂在细胞内工作效果良好，但在组织中用途有限，因为体内产生的蓝光和绿光荧光水平会干扰信号。此外，蓝光和绿光在组织中会发生散射，限制了其穿透深度。
"我们之所以专注于红光到近红外光，是因为这些类型的染料比紫外光和可见光范围内的光更容易穿透身体和组织。红光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，"该研究的资深作者、MIT化学系的Novartis讲席教授Robert Gilliard表示。
虽然发射红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，且由于量子产率低（吸收光子后发射的荧光光子比例），无法产生明亮的信号。对于许多红染料来说，量子产率仅为约1%。
硼基离子的突破
在能够发射近红外光的分子中，有一类是硼阳离子（borenium cations）——含有硼原子并与其他三个原子相连的带正电离子。
当这些分子在1980年代中期首次被发现时，它们被认为是"实验室里的奇观"。Gilliard教授表示，这些分子极不稳定，必须在称为手套箱的密封容器中处理，以保护它们免受空气暴露而分解。
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。Gilliard实验室在2019年使用这些更稳定的离子时，发现了它们具有一些不寻常的特性：它们能够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：这些离子仍然太活泼，无法在开放空气中处理。Gilliard的实验室开始使用称为碳双卡宾（CDCs）的配体来进一步稳定它们，这在2022年的一项研究中有所报道。由于这种稳定作用，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。与许多先前基于硼的化合物不同，它们还具有抗光降解性。
稳定机制的发现
在新的研究中，Gilliard开始实验CDC-硼化合物中的一部分阴离子（带负电的离子）。研究人员发现，这些阴离子与硼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移向颜色光谱的红外端。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。
"我们不仅处于正确的区域，而且分子的效率也非常适合，"Gilliard说。"在红光区域，我们的量子产率高达百分之三十几，这在电磁光谱的这个区域被认为是相当高的。"
多形态转化与应用前景
研究人员还表明，他们可以将含硼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。
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，以便注射到体内用作成像染料。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。
由于这些材料对温度有响应性，它们也可被用作温度传感器，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。
"对于任何温度跟踪重要的应用，这些类型的'分子温度计'可能会非常有用，"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材料中，Gilliard表示。
"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，"罗格斯大学化学教授Frieder Jaekle（未参与该研究）说。"除了在生物成像中的明显用途外，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，研究人员现在正致力于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点。这些额外的硼原子可能会使分子稳定性降低，因此研究人员也在开发新型碳双卡宾来帮助稳定它们。
这项研究由Arnold和Mabel Beckman基金会以及美国国立卫生研究院资助。
技术突破的意义
这项研究的意义不仅在于开发出了一种新型荧光染料，更在于解决了一个长期困扰化学家的难题——如何使原本极不稳定的硼基离子在空气中保持稳定。通过创新的配体设计和激子耦合机制，研究人员不仅实现了材料的稳定性，还显著提高了其发光效率，为生物医学成像、温度传感和光电器件等领域带来了新的可能性。
随着技术的进一步发展和应用探索，这种新型含硼荧光材料有望在医疗诊断、环境监测和显示技术等领域发挥重要作用，为科学研究和工业应用提供更强大的工具。
