本文要点：比起在NIR-II(1000-1300nm)和NIR-IIa生物窗口(1300-1400nm)中，在NIR-IIb窗口(1500-1700nm)中具有亮度充足的发光体，可以获得更好的图像对比度和更深的组织穿透力。半导体小分子是由π电子离域骨架通过给电子和吸电子单元的共轭配位而构建的，利用可调的分子结构，可以容易地覆盖整个可见光和近红外区域。然而，由于缺乏将发射波长增加到1500nm以上的策略，具有NIR-IIb发射的半导体分子很少实现。作者通过硒(Se)取代或氟(F)加成设计具有A-Π-D-Π-A结构的半导体低聚物（SOMs），实现了超过1500 nm的体内高分辨率微结构成像。文章中用IDSe-IC2F NPs在后肢血管、胆道和膀胱中明亮的NIR-IIb发射，成功地显示发射波长超过1500nm活体小鼠的精确微结构。
图1.NIR-II分子的合成和分子结构
如图1所示，化合物1通过Stille偶联反应合成中间体IDX-OT（X=S or Se）,中间体IDS-OT和IDSe-OT通过与丙二腈衍生物反应得到IDS-IC和IDSe-IC，IDSe-OT还可以与被F取代丙二腈衍生物进行反应得到IDSe-IC2F，由图1c可知，这三个SOMs都是A-Π-D-Π-A结构。
图2.NIR-II半导体低聚物的理论模拟和实验光学性质。
（a）优化的分子几何构型；（b）S0态的HOMOs和LUMOs的分布和能级；（c）分子在THF中的吸收光谱和发射光谱。
如图2c所示，在808nm的激发波长下，三种SOMs在900-1350nm都具有明亮的荧光，其中IDSe-IC2F 的吸收和发射波长都表现出红移，这可能是由于Se取代和F加成反应导致HOMO和LUMO之间的能隙减小造成的，并且IDSe-IC2F 的发射波长拖尾甚至超过1350nm。这三种SOMs都具有良好的量子产率分别为20.5%、19.8%、15.1%。所以在三种SOMs中，IDSe-IC2F具有最好的NIR-II响应，后面用IDSe-IC2F进行一系列实验验证。
图3.纳米粒子（NPs）的表征和近红外二区的体内成像
（a）SOMs NPs制备示意图；（b）IDSe-IC2F NPs的透射电子显微镜成像（TEM）和动态光散射（DLS）数据；（c）IDSe-IC2F NPs水分散体的吸收光谱和发射光谱；（d）三种SOM NPs在793 nm激光照射下的NIR-IIb的发射光谱。插图：对应的NIR-IIb荧光图像；（e）在793 nm激光(~30mW·cm-2)照射2h下，与不同介质孵育的IDSe-IC2F NPs的光稳定性；（f）使用不同的长通滤光片对IDSe-IC2F NPs标记的血管进行全身成像，并进行相应的信号背景比（SBR）分析
利用两亲性聚合物DSPE-PEG2000与SOMs共组装，制备水分散纳米颗粒SOM NPs(图3a)。如图3b所示，IDSe-IC2FNPs的外貌呈现出均匀球形，流体动力学直径约为68 nm。比起自由分子，IDSe-IC2F NPs的吸收和发射光谱呈现出明显的红移（图3c），尤其是其具有超过1800nm的发射尾巴（图3b）。细胞毒性实验也显示出其具有良好的生物相容性。如图3e所示，在水、PBS、FBS中荧光强度变化不明显，结果表明其具有良好的光稳定性。
为了证明IDSe-IC2F NPs的优点，将其在PBS中的分散体静脉注射到小鼠尾静脉，并使用具有不同长波通滤光片(1000、1300和1500nm)的InGaAs探测器进行全身荧光血管成像(图3f)。比起1000nm滤光片拍摄的图片，1300和1500nm滤光片拍摄的照片具有更好的对比度，背景显著减少。而且在NIR-IIb窗口的成像对比度分别比NIR-II和NIR-IIa窗口高22.3倍和16.7倍，显示出IDSe-IC2F NPs在NIR-IIb窗口成像的优越性。另外体外成像表明，IDSe-IC2F NPs可能由肝和脾排泄。
图4.小鼠NIR-II功能微结构成像研究
后肢成像在（a）传统NIR-II；（b）NIR-IIa；（c）NIR-IIb；（d-f）a-c中红线的横截面荧光强度分布显示了相应的SBR分析；
胆道成像在（g）传统NIR-II；（h）NIR-IIa；（i）NIR-IIb；（j-l）a-c中红线的横截面荧光强度分布显示了相应的SBR和半峰全宽（FWHM分析）；膀胱无创近红外-IIb荧光成像在开腹（m）之前；（n）之后；（o）m和n的合并图像
生物组织的微观结构对于生物医学研究是至关重要的。如图4a-c所示,在793nm的激光下，静脉注射IDSe-IC2F NPs，显示出小鼠后肢血管成像。在NIR-IIb和NIR-IIa窗口中显示出四个细小的毛细管，但是NIR-IIb成像的SBR更高，而在传统NIR-II窗口中由于一条血管被埋在背景中，只显示出三条细小的毛细管（图4d-f）。结果表明NIR-IIb成像在背景衰减方面是无与伦比。
精确术中胆道成像可以有效地减少胆管损伤及相关并发症的发生率，提出一种无电离辐射、高分辨率的准确的荧光胆道成像是至关重要的。在胆总管内注射IDSe-IC2F NPs进行NIR-IIb荧光胆道造影，如图4g-i所示，可以清晰显示出胆囊管、肝总管、胆囊、胆总管。定量分析胆总管的直径（图4j-l），证明了与传统NIR-II和NIR-IIa相比，NIR-IIb荧光成像的空间分辨率最高。
逆行注射IDSe-IC2F NPs后，对小鼠膀胱进行了近红外-IIb无创深穿透荧光成像。两幅NIR-IIb图像中标记的膀胱的大小和形状在开腹前后都匹配得很好（图4m-o），展现了IDSe-IC2F NPs良好的生物成像功能。
总结：作者采用了Se取代和F加成的策略，开发了一个新的具有NIR-IIb发射的SOMs库，实现了超过1500 nm的体内高分辨率微结构成像。利用IDSe-IC2F NPs明亮的NIR-IIb发射，成功地显示了发射波长超过1500 nm的活体小鼠的精确微结构（包括后肢血管、胆道和膀胱），并且具有高空间分辨率和SBR。这项工作开发了一个优秀的NIR-II半导体荧光团库，并为开发用于NIR-IIb成像的新材料提供了有用的见解。
参考文献
Yuan, Y.et al. Molecular Programming of NIR-IIb-Emissive Semiconducting SmallMolecules for In Vivo High-Contrast Bioimaging Beyond 1500 nm. Adv Mater, e2201263,doi:10.1002/adma.202201263 (2022).
