Stable, Bright, and Long-Fluorescence-Lifetime Dyes for Deep-Near-Infrared Bioimaging

化学 荧光 光漂白 近红外光谱 量子产额 光化学 三苯胺 光学 物理
作者
Jin Li,Yan Dong,Ruwei Wei,Guanyu Jiang,Cheng Yao,Meng Lv,Yuyang Wu,Sarah H. Gardner,Feng Zhang,Melissa Y. Lucero,Jian Huang,Hao Chen,Guang‐Bo Ge,Jefferson Chan,Jinquan Chen,Haitao Sun,Xiao Luo,Xuhong Qian,Youjun Yang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (31): 14351-14362 被引量:113
标识
DOI:10.1021/jacs.2c05826
摘要

Near-infrared (NIR) fluorophores absorbing maximally in the region beyond 800 nm, i.e., deep-NIR spectral region, are actively sought for biomedical applications. Ideal dyes are bright, nontoxic, photostable, biocompatible, and easily derivatized to introduce functionalities (e.g., for bioconjugation or aqueous solubility). The rational design of such fluorophores remains a major challenge. Silicon-substituted rhodamines have been successful for bioimaging applications in the red spectral region. The longer-wavelength silicon-substituted congeners for the deep-NIR spectral region are unknown to date. We successfully prepared four silicon-substituted bis-benzannulated rhodamine dyes (ESi5a–ESi5d), with an efficient five-step cascade on a gram-scale. Because of the extensive overlapping of their HOMO–LUMO orbitals, ESi5a–ESi5d are highly absorbing (λabs ≈ 865 nm and ε > 105 cm–1 M–1). By restraining both the rotational freedom via annulation and the vibrational freedom via silicon-imparted strain, the fluorochromic scaffold of ESi5 is highly rigid, resulting in an unusually long fluorescence lifetime (τ > 700 ps in CH2Cl2) and a high fluorescence quantum yield (ϕ = 0.14 in CH2Cl2). Their half-lives toward photobleaching are 2 orders of magnitude longer than the current standard (ICG in serum). They are stable in the presence of biorelevant concentration of nucleophiles or reactive oxygen species. They are minimally toxic and readily metabolized. Upon tail vein injection of ESi5a (as an example), the vasculature of a nude mouse was imaged with a high signal-to-background ratio. ESi5 dyes have broad potentials for bioimaging in the deep-NIR spectral region.
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