明亮之道：近红外荧光染料的演进与突破

近红外（Near-Infrared，NIR）荧光成像技术，特别是以其更高的组织穿透深度、更低的背景自发荧光和光散射为特征的近红外二区（NIR-II，1000-1700 nm）成像，已逐步颠覆并重塑了现代生物医学成像与诊疗的范式。这一技术的核心驱动力，便是近红外荧光染料的设计、合成与性能优化。

近红外荧光染料的探索历程，是一部典型的围绕核心光学参数——如荧光量子产率、摩尔消光系数、斯托克斯位移及光稳定性——进行分子工程与结构修饰，以克服能隙定律带来的内在瓶颈，并最终满足临床深层、高分辨率成像需求的科学演进史。

近红外荧光染料的历史起源可追溯至十九世纪中期。1856年，Williams首次报道了被称为“喹啉蓝”（Cyanine Blue，即喹啉菁）的化合物，这开启了花菁（Cyanine）染料的研究先河。早期这类染料在摄影感光等领域显示出了独特的光敏性。然而，其真正在生命科学领域大放异彩，则始于1956年吲哚菁绿（Indocyanine Green，ICG）的开发与临床应用获批。

ICG是一种水溶性、低毒的近红外一区（NIR-I，700-900 nm）花菁染料，其最大吸收/发射峰分别约为780 nm/820 nm，凭借高摩尔消光系数与相对无毒性，它成为美国食品药品监督管理局（FDA）唯一批准用于临床（如血管造影、肝功能评估、手术导航）的有机近红外荧光探针，至今仍在使用。但ICG存在不可规避的缺点：荧光自淬灭、易于被肝脏快速清除导致成像时间窗口短、光稳定性差。这些缺陷，连同其可修饰性有限导致的种类局限问题，共同构成了开发新型、高性能近红外染料，尤其是向更长波长的NIR-II窗口拓展的原始驱动力。

从化学结构与光物理性质演进的角度看，近红外荧光染料的开发遵循着清晰的设计逻辑与分子工程学策略。其核心目标是在实现红移、增大组织穿透能力的同时，尽可能地维持或提升染料的荧光亮度。亮度定量地由摩尔消光系数（ε）与荧光量子产率（Φ）的乘积决定，而红移过程必然伴随分子带隙（HOMO-LUMO能隙）的减小（能隙定律）。较小的能隙使得激发态能量更易通过非辐射跃迁（如振动弛豫、内转换、系间窜越）耗散，导致Φ急剧下降，加上长共轭疏水骨架易与微环境发生非特异性相互作用，共同构成近红外染料开发的亮度困境。

为突破此困境，研究者在主流的几类近红外荧光骨架中，已发展出精细且多元化的设计策略。以应用最悠久的花菁染料为例，其经典结构为两个含氮杂环（如吲哚、苯并吲哚）通过一个由奇数个次亚乙烯基（ --CH=CH-）构成的多甲川共轭链（聚甲川链）相互连接，通常带一个正电荷，此架构使其具备极高的摩尔消光系数（可超过10⁵ M^-¹ cm^-¹）和波长易于通过增减共轭双键数调控的特点。为提升性能，已开展的分子工程学修饰集中于三个主要位点：

（1）对杂环端基进行修饰，如苯并吲哚的引入以延伸共轭；

（2）对多甲川链的中位碳（即次甲基）进行环化或引入功能基团，通过在连接体中引入环己烯、氯/溴/甲基等取代的环己烯、乃至带有N，N-二甲基的改性环（S1, S2, S3, S4, S5, S6），以研究其对光谱性能，特别是吸收/发射红移（λem可达850 nm以上）和量子产率的影响，分子IR-5L3在优化后比ICG产生显著红移，而优化溶剂（乙醇，与ICG的DMSO/水不同）和条件后所得的IR gains在生物介质中能保持更好的光稳定性和水溶性，通过引入磺酸基、羧基等来增强水溶性和防聚集，有效减轻了因染料分子的π-π堆积引起的荧光猝灭（ACQ）效应。

（3）对吲哚环上N原子侧链的烷基进行改造，引入不同链长、亲水性基团（-SO₃H，-COOH）等，以调节溶解性、生物相容性及靶向性。大体积的侧链（如叔丁基、金刚烷）能通过空间位阻抑制分子内旋转，从而有效减少TICT（扭曲的分子内电荷转移）这一常见的非辐射弛豫途径，成为提升花菁类染料Φ的关键手段之一。此外，花菁染料的J-聚集体（分子以滑移形式紧密堆积）现象，虽在传统上会导致猝灭，但若可控制备，其吸收和发射可发生显著红移，同时具有更高的光稳定性和亲水性，例如Sun团队开发的FD-1080形成的J-聚集体在生理条件下稳定，吸收/发射波长超过1300 nm，在NIR-II成像中展现了高信噪比。

另一类备受关注的NIR-I乃至NIR-II有机染料是D-A-D（给体-受体-给体）型。这类染料的能隙小，且通过设计易于调控，而近红外D-A-D染料的一个显著优势是大斯托克斯位移的设计更为可控。大斯托克斯位移可有效减少激发光与发射光的自吸收，降低串扰，显著提升信噪比。在D-A-D体系中，大位移通常由强ICT效应驱动，或通过ESIPT、FRET/TBET等机制实现。

代表性骨架如苯并双噻二唑（BBTD）作为强吸电子受体，与适当的给体（如三苯胺、2-氨基-9,9-二烷基芴、四苯乙烯等）共轭连接，能实现深层NIR-II发射。盛家荣在其综述中详细说明，以H1 (CF1065)为例，通过将给体从三苯胺换为2-氨基-9,9-二烷基芴，使发射比其前体Q4红移140 nm，而用Se原子替代S得到的FM1210，最大发射可达1210 nm，背景更低，更适合高速NIR-II成像。为了应对BBTD本身在碱性和还原性微环境下的不稳定性，以噻吩醌-噻二唑（TQT）为受体构建的TPA-TQT或FT-TQT，相比于传统以BBT为受体的CH-4T/FT-BBT，在碱性条件下的稳定性得到显著提高，荧光量子产率可提升2倍以上，且能实现高分辨的脑血管系统成像。

在医学与生物学应用中，近红外荧光染料的设计已远远超出单纯被动成像分子的范畴，演变为集诊断、靶向、治疗、动态监测于一体的智能探针或诊疗一体化制剂。

其应用可归纳为几个方面：

靶向生物成像：在细胞器水平，利用染料带正电或含亲脂基团的特点实现特定细胞器（如线粒体、溶酶体、脂滴、细胞膜）的定位与可视化。花菁染料IR825-Cl能被用于线粒体成像并实现光热疗；通过在花菁染料上连接季铵盐、咪唑或三苯基膦等阳离子基团，是实现线粒体靶向的经典方法。

活性物质检测：探针通过引入特定的识别或响应基团，实现对生物体内微环境（如pH、黏度）或活性分子（如金属离子Cu²⁺，Hg²⁺，UO₂²⁺；活性氧/活性氮H₂O₂，HClO，ONOO^-；生物硫醇Cys，GSH）的高选择性、实时监测。

Erdemir团队开发的含硫代碳酸基花菁探针能实现对Hg²⁺的高选择性、快速（40秒）检测并靶向线粒体；Hanmeng组的七甲川花菁探针用于荧光猝灭法检测Cu²⁺，发射波长达718 nm，可用于癌症细胞内成像；Zhang等的IR-780衍生物探针可用于铀酰离子的检测，检测限达93 nM；用于同时检测HClO与H₂S的双响应探针，以及冀等开发的一系列基于香豆素衍生物的LDs靶向性Cys/H₂O₂/羟基自由基探针，均展示了近红外染料作为传感器单元的巨大潜力。

诊疗一体化（Theranostics）：这是近红外染料最具前沿性的方向。例如，Shi和Tan等人报道的三氟甲基七甲川花菁探针，既可以作为线粒体靶向的声敏剂用于声动力疗法（SDT），又可作为光热治疗剂（PTA）用于光热疗法（PTT），实现协同无创肿瘤治疗；Jin等将萘酰亚胺引入花菁骨架得到NIR-II发射染料ML880，并将其与化疗药物共负载于活性氧响应型纳米载体中，实现了PDT/PTT/化疗三模态联合治疗，显著抑制了肿瘤生长。

近红外荧光染料的发展已从最初偶然发现的“喹啉蓝”，经过百余年特别是近二十年的发展，演变为一个高度理性化、集成系统分子工程学、计算化学（如DFT/TD-DFT模拟）、多学科交叉的精准设计领域。从解决临床现有染料（如ICG）的固有缺陷，到向NIR-II乃至更长的短波红外（SWIR）窗口突破，从被动成像到主动响应与智能诊疗，其背后是化学家、物理学家与生物医学家对荧光染料吸收/发射波长、荧光量子产率、摩尔消光系数、斯托克斯位移、光稳定性、水溶性、生物相容性等多维度性能参数进行系统性权衡与优化的不懈努力。未来，开发兼具长波长、高亮度、强稳定性、良好水溶性与生物安全性的近红外荧光染料，并拓展其在高时空分辨率动态成像、多色复用、超分辨成像以及精准靶向治疗中的应用，仍是该领域的核心挑战与充满希望的航向。