本文要點：近紅外二區(qū)（NIR-II）熒光成像憑借深層組織穿透力與高空間分辨率的優(yōu)勢，正成為活體生物分子監(jiān)測的重要技術。然而，開發(fā)具有高發(fā)光效率的NIR-II熒光團仍面臨挑戰(zhàn)。本研究通過結合密度泛函理論與熱振動關聯(lián)函數法的計算策略，系統(tǒng)探究萘基取代策略提升NIR-II熒光團量子效率（FQE）的內在機制�；�于苯并雙噻二唑（BBTD）受體分子骨架，通過在α/β位取代苯環(huán)構建了兩種新型萘基衍生物。光物理特性表明：萘基引入既擴大能隙又引發(fā)熒光發(fā)射藍移。值得注意的是，絕熱激發(fā)能升高與振動耦合減弱共同導致的非輻射弛豫抑制，是萘基化合物發(fā)光效率提升的主因。其中C1-βNaphth在保持高效NIR-II發(fā)射的前提下實現4.2倍FQE提升，成為潛在的高性能NIR-II發(fā)色團。該發(fā)現為優(yōu)化NIR-II染料發(fā)光特性確立了理性設計策略，將推動生物成像用高效熒光探針的開發(fā)。

本研究提出創(chuàng)新策略：通過整合CH1055（重命名C1）的分子骨架與萘基多環(huán)芳烴單元，實現NIR-II發(fā)射與發(fā)光效率的協(xié)同優(yōu)化。研究表明，以萘基取代C1中苯環(huán)可擴大HOMO-LUMO能隙并降低熒光團的電荷轉移特性，導致光吸收與光發(fā)射光譜同步藍移。同時，含萘發(fā)色團的熒光量子產率超母體化合物4倍以上，主要歸因于絕熱激發(fā)能升高以及非絕熱耦合與電子-振動耦合減弱。值得注意的是，β-取代萘基熒光團兼具高效NIR-II發(fā)射與提升的熒光效率，預示其成為高性能NIR-II熒光團的潛力。這些發(fā)現凸顯萘基取代策略對優(yōu)化分子熒光團發(fā)光性能的有效性，為生物成像用新型高效NIR-II發(fā)色團的設計合成提供了理論依據。

圖1.（a）設計策略和（b）所研究熒光團的具有平面度參數的分子結構

本研究熒光團的設計策略與分子結構如圖1所示。選擇代表性發(fā)色團C1作為母體分子，因其兼具長波長NIR-II發(fā)射特性及優(yōu)異的結構可修飾性。其分子內強缺電子性苯并雙噻二唑（BBTD）受體與富電子三苯胺供體的組合促進了分子內電荷轉移，導致發(fā)射光譜紅移至近紅外區(qū)域。為拓展π共軛體系，通過取代BBTD相鄰苯環(huán)引入萘基團：在萘環(huán)α/β位的取代分別生成C1-αNaphth與C1-βNaphth。相較于苯環(huán)，萘的雙核芳環(huán)結構賦予分子更高剛性及擴展電子共軛，可抑制激發(fā)態(tài)結構旋轉并減弱發(fā)射過程中的振動弛豫。

由于芳環(huán)間空間位阻與π-π相互作用，所有熒光團均呈現對稱性扭曲構象，具體表現為受體-供體片段間扭轉角變化：BBTD單元與芳基單元二面角從C1的39.84°增至C1-αNaphth的63.57°，而C1-βNaphth為41.22°。C1-αNaphth顯著扭曲的分子骨架對應1.57 Å的分子平面性參數（MPP），高于C1（1.21 Å）與C1-βNaphth（1.18 Å），表明α-取代萘基誘導更強烈的分子結構非共面性偏移。

圖2. 熒光團的前線分子軌道和分子靜電勢的分布

盡管這些熒光團的前沿分子軌道（最高占據軌道HOMO離域分布于分子骨架，最低未占軌道LUMO定域于受體單元，圖2）呈現相似空間分布特征，但C1-βNaphth的電子密度分布更趨近于C1。相比之下，C1-αNaphth發(fā)色團HOMO軌道在受體單元的電子分布減弱，靜電勢分析表明電子更顯著局域于BBTD片段，導致其HOMO-LUMO能級差增至3.87 eV。而C1與C1-βNaphth的能隙分別降至3.62 eV與3.64 eV，該特性有助于熒光發(fā)射紅移�？傮w而言，這些熒光團中前沿分子軌道的顯著電子分離將促進光物理過程電子躍遷期間的分子內電子密度重分布。

圖3.（a）吸收光譜，（b）來自不同分子部分的躍遷偶極矩和（c）熒光團在石灰和青色中描繪的電子空穴分布

基于熒光團分子結構，表征其吸收與發(fā)射特性以探究萘基取代對光物理行為的影響。激發(fā)態(tài)下熒光團對入射光場的響應體現于吸收光譜——通過高斯展寬模擬化合物激發(fā)態(tài)參數獲得。如圖3a所示，所有熒光團在近紅外區(qū)均呈現強吸收，但萘基引入導致最大吸收波長藍移：α位萘基取代使吸收峰從C1的675 nm顯著藍移至C1-αNaphth的573 nm，而β位取代的C1-βNaphth相較C1-αNaphth紅移69 nm。衍生體中C1-βNaphth因擴展π共軛及分子平面性獲得最高摩爾吸光系數（3.08×10⁴ L·mol⁻¹·cm⁻¹），優(yōu)于C1（2.67×10⁴）和C1-αNaphth（1.62×10⁴）。此差異與基態(tài)（S0）至第一激發(fā)態(tài)（S1）躍遷偶極矩（TDM）密切相關，其值可分解為三個分子片段貢獻（圖3b）：所有化合物總TDM主要源于兩端對稱供體基團；萘基引入使BBTD單元TDM從C1的1.01德拜微增至C1-αNaphth的1.08德拜與C1-βNaphth的1.09德拜，但供體部分TDM貢獻差異顯著（C1:8.66德拜；C1-αNaphth:5.76德拜；C1-βNaphth:8.99德拜）。顯然，β位萘基取代在光吸收過程中誘導更顯著的電子分布位移。

電子-空穴分布證實該躍遷行為（圖3c）：激發(fā)態(tài)電子定域于受體，空穴沿分子骨架分布，BBTD核心呈現大范圍電子-空穴重疊（重疊參數Sr：C1為0.966原子單位；C1-αNaphth為0.646；C1-βNaphth為0.708）。含萘發(fā)色團電子-空穴重疊減弱與前述HOMO中受體π離域減弱一致。

表1. 發(fā)射能量（Eemi，單位為eV）、熒光波長（λemi，單位為nm）、相應的振子強度（δemi，單位為a.u.）以及所研究熒光團S1到S0躍遷的躍遷性質

圖4. （a）C1，（b）C1-α萘酚，（c）C1-β萘酚的S1到S0躍遷的自然躍遷軌道和電子-空穴熱圖。HLCT表示雜化的局部和電荷轉移，箭頭下方的值為局部激發(fā)比例

所研究化合物的熒光特性（包括發(fā)射能量、熒光波長及相應躍遷特征）匯總于表1。C1的計算熒光波長1117.59 nm與實驗值1055 nm合理吻合，差異可能源于模擬中未考慮分子間相互作用。值得注意的是，萘基引入C1分子骨架導致光發(fā)射顯著藍移：C1-αNaphth熒光波長957.45 nm，C1-βNaphth為1033.35 nm，該順序與熒光團HOMO-LUMO能隙大小一致。所有化合物發(fā)射峰均源于最高占據自然躍遷軌道（HONTO）與最低未占自然躍遷軌道（LUNTO）間的電子轉移（圖4）。此分子內電荷轉移過程兼具BBTD片段局域化躍遷及末端供體向受體核心的電子轉移，呈現雜化局域-電荷轉移（HLCT）特性。正如預期，新化合物C1-αNaphth與C1-βNaphth憑借窄能隙及強電子推-拉能力實現900 nm以上長波發(fā)射，其中C1-βNaphth的高效NIR-II發(fā)射凸顯其作為生物成像探針的潛力。

表2. 所研究熒光團的輻射衰變率（kr，in s−1）、非輻射衰變率（knr，in s−1）、熒光量子效率（FQE，in%）和絕熱激發(fā)能（Ead，in eV）

圖5. （a）低頻（LF）、中頻（MF）和高頻（HF）簡正模的非絕熱耦合，以及（b）C1、（c）C1-α萘和（d）C1-β萘的非絕熱耦合與振動頻率的關系

在驗證高效NIR-II發(fā)射的基礎上，進一步計算發(fā)光效率以評估熒光團作為候選材料的有效性。表2列出各發(fā)色團最低單重激發(fā)態(tài)衰變速率常數：母體C1的輻射衰變速率（kr=3.95×10⁷ s⁻¹）與非輻射衰變速率（knr=1.64×10¹⁰ s⁻¹）計算得熒光量子效率（FQE）為0.24%，與實驗值0.3%定量吻合。萘基取代后，C1-αNaphth與C1-βNaphth的kr分別增至4.82×10⁷ s⁻¹和5.52×10⁷ s⁻¹，knr則顯著降至0.30×10¹⁰ s⁻¹與0.54×10¹⁰ s⁻¹，使FQE提升至1.56%和1.01%，證實萘基取代策略的有效性。

輻射衰變速率主要由第一激發(fā)態(tài)垂直躍遷能（ΔEvert）和振子強度（δ）決定：C1-αNaphth的kr升高主要源于ΔEvert從0.11 eV增至1.29 eV（δ略降至0.61原子單位）；而C1-βNaphth的ΔEvert（1.20 eV）與δ（0.86原子單位）同步增加共同加速輻射弛豫。

非輻射衰變受絕熱激發(fā)能（Ead）主導：含萘熒光團的Ead值（C1-αNaphth:1.67 eV; C1-βNaphth:1.50 eV）較C1（1.40 eV）顯著提升，有效抑制激發(fā)態(tài)非輻射弛豫。圖5顯示各振動簡正模對非絕熱電子耦合的貢獻（按頻率分三區(qū)）：高頻區(qū)（HF,ω>1000 cm⁻¹）耦合強度主導非輻射衰變，其值在C1（67.35 cm⁻¹）、C1-αNaphth（34.94 cm⁻¹）和C1-βNaphth（57.20 cm⁻¹）依次降低。C1中1543.75 cm⁻¹振動模（BBTD單元C-C伸縮/TPA部分C-H彎曲）具有最大耦合強度（15.50 cm⁻¹），而萘基衍生物中該振動被顯著抑制，其最強耦合分別轉移至1571.43 cm⁻¹（6.46 cm⁻¹）和1559.59 cm⁻¹（11.30 cm⁻¹）。因此，BBTD鄰位苯環(huán)萘基取代有效降低了分子非絕熱電子耦合強度，從而抑制發(fā)光過程的非輻射衰變。

圖6.（a）C1和C1-β萘的電子振動耦合與振動頻率的關系，（b）具有代表性的振動模式。（c）鍵長、鍵角和二面角對電子振動耦合有貢獻

盡管C1-αNaphth展現出最優(yōu)熒光量子效率（FQE），但其低于1000 nm的發(fā)射波長限制了NIR-II熒光成像應用。相比之下，C1-βNaphth兼具高發(fā)光效率與高效NIR-II發(fā)射，是更理想的NIR-II熒光團候選者。為深入探究熒光團構效關系，圖6對比了C1與C1-βNaphth的電子-振動耦合特性：具有強耦合強度的振動模式是激發(fā)態(tài)能量耗散的主要非輻射衰變通道。通過電子-振動耦合的內坐標分解（圖6c），發(fā)現鍵伸縮振動貢獻度遠超鍵角彎曲與二面角扭轉，表明原子間伸縮振動是激發(fā)能耗散主路徑。

C1與C1-βNaphth的電子-振動耦合差異主要源于二面角組分變化，這與S1/S0態(tài)間幾何變化一致（表S6）：供體-受體間二面角差（Δθ1）在電子態(tài)間波動較小，而供體部分苯環(huán)間扭轉角差（Δθ2）在萘基引入后顯著減�。–1:7.63°；C1-αNaphth:2.83°；C1-βNaphth:2.62°）。C1-βNaphth中Δθ2的大幅降低導致其均方根位移（0.525 Å）小于C1（0.531 Å）。因此，β位萘基取代顯著抑制供體單元自由旋轉并減少結構形變，從而削弱熒光團振動耦合。此外，萘基存在使絕熱激發(fā)能升高，進一步抑制非輻射弛豫路徑。綜上，含萘熒光團C1-βNaphth通過降低非輻射衰變實現了發(fā)光效率提升（圖7）。

為建立分子結構與非輻射衰變的內在關聯(lián)，展示了所研究熒光團的平面性參數、電子-空穴重疊度與非輻射衰變速率的關聯(lián)性。電子-空穴重疊度與非輻射衰變速率呈顯著正相關，表明該基于電子躍遷的參數與化合物非輻射過程密切相關。然而，非輻射衰變速率常數隨分子平面性參數（MPP）呈非單調變化，這說明僅基于分子幾何結構的描述符不足以準確預測熒光團的非輻射弛豫行為。

本研究通過熱振動關聯(lián)函數法結合量子化學計算，系統(tǒng)探究D-A-D型近紅外二區(qū)（NIR-II）熒光團的光物理性質，提出萘基取代策略以提升發(fā)光效率。研究表明：萘基引入分子骨架可擴大HOMO-LUMO能隙，誘導吸收光譜藍移，并降低激發(fā)態(tài)電子-空穴重疊度；當萘基取代位從α位轉為β位時，因π共軛擴展與分子平面性提升，發(fā)射光譜紅移76 nm。尤為關鍵的是，α/β位萘基取代使熒光量子效率（FQE）分別提升至1.56%與1.01%，較母體C1實驗值（0.3%）實現6.5倍與4.2倍增強。相較于已報道的芳香取代D-A-D型NIR-II發(fā)色團，萘基間隔基的引入兼具合成簡便性、成本效益與可調控空間位阻優(yōu)勢，為精準調控熒光團電子/光學特性提供新思路。化合物C1-βNaphth憑借絕熱激發(fā)能升高、非絕熱電子耦合與電子-振動耦合減弱，同步實現高效NIR-II發(fā)射與發(fā)光效率提升，被預測為理想候選材料。這些發(fā)現凸顯萘基修飾策略在開發(fā)高效NIR-II生物成像探針中的普適性價值。當前工作聚焦萘基化合物的理論光物理評估，后續(xù)將深入開展實驗驗證與活體成像研究以推進實際應用。

參考文獻

Chen, Wenshuo, et al. "Naphthyl-substitution strategy for enhancing luminescence efficiency of NIR-II fluorophores in bioimaging." Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy (2025): 127175.

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