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近红外二区（1000–1700 nm）光声成像兼具深层组织穿透与高空间分辨率优势，在疾病早期诊断和精准医学领域备受关注。其中，“关闭-开启”（off–on）型可激活探针因能在特定生物标志物触发下产生信号放大，成为分子成像研究的热点方向。然而，现有体系在通用设计、分子尺寸紧凑性以及背景信号抑制方面仍面临瓶颈，限制了其在活体高保真成像中的实际应用。

柔性电子全国重点实验室卢晓梅教授（南京工业大学）与唐玉富教授（南京邮电大学）研究团队提出了一种通用的分子设计策略，成功构建系列超紧凑“零-开启”近红外二区光声探针，为活体高保真成像提供了全新工具。该体系显示了三大核心优势：其一，通用模块化设计，合成高效、适配灵活。 该系列探针以二甲基二氢吖啶为核心骨架，仅需三步即可完成合成。通过引入响应模块和吸收拓展模块，分别实现靶向激活与近红外二区光谱调控。模块化架构使功能解耦与快速迭代成为可能，赋予体系高度通用性和可拓展性。其二，极致分子紧凑性，兼顾深层穿透与快速清除。以代表性分子DPA3为例，其吸收波长与分子量比值高达2.8，显著优于主流近红外二区染料普遍低于1.5的水平。超紧凑结构使其如同“分子穿梭器”，能高效穿越血管屏障、快速扩散至深层病灶；同时促进体内快速清除，降低长期蓄积风险，保障优异生物安全性。其三，“零-开”响应策略，从源头消除背景干扰。 在无目标生物标志物时，探针保持非共轭结构，其1064 nm光声信号与纯水信号在统计学上无显著性差异（p > 0.05，定义为“零”态，表示当前仪器无法检测到探针的背景信号而不是绝对零信号）。一旦特定生物标志物触发，探针发生非共轭向共轭的原位结构转变，吸收红移超过700 nm，光声信号增强达89.8倍。这一机制使检测信号真正来源于生物标志物诱导的分子激活，而非探针非特异性蓄积。即便在肝脏等高摄取器官中，依然能实现高保真精准检测。在药物诱导的早期肝损伤小鼠模型中进行了严格的盲测验证。结果显示，基于“零开”探针的诊断准确率达到100%，成功识别出所有早期肝损伤个体。作为对照，使用传统高背景“关-开”探针的准确率仅为85%，其误判主要源于对肝脏内非特异性探针背景信号的错误解读。

该研究为近红外二区光声成像探针的通用设计提供了新范式，有望推动早期疾病精准诊断技术的临床转化进程。

【图1】紧凑型“零-开”近红外二区光声染料的模块化构筑及其响应成像机制。（a）以二甲基二氢吖啶为核心骨架，通过偶联生物标志物响应模块与吸收拓展模块，构建“关-开”可转换的近红外二区光声染料；（b）超紧凑结：染料极高的吸收波长-分子量比；（c）生物标志物触发非共轭-共轭结构转变，吸收峰红移超过700 nm，1064 nm处光声信号由“零”背景跃升至“开启”状态。

【图2】DPA(1–3)的合成路线、紧凑性评价与光物理性质。(a) DPA(1–3)的合成路线：(I) DMSO、KOH，40 °C，12 h；(II) Pd₂(dba)₃、NaOtBu、XPhos、1,4-二氧六环，100 °C，24 h；(III) Pd(PPh₃)₄、K₂CO₃、甲苯，105 °C，24 h。(b–d) DPA1 (b)、DPA2 (c)与DPA3 (d)（10 μM）与0、20、60 μM HClO反应后的HPLC色谱图。(e, f) DPA1-3 (e)与DPA(1-3)Cl (f)的归一化紫外-可见吸收光谱。(g) DPA(1-3)Cl在1064 nm及各自最大吸收波长处的摩尔消光系数（ε）。(h) 以“最大吸收波长/分子量”为标准的紧凑性分析：DPA(1-3)Cl与常用近红外探针对比。(i) DPA(1-3)与不同分析物反应前后的吸收红移，并与常用近红外探针对比。

【图3】DPA(1–3)及其HClO激活产物的密度泛函理论（DFT）计算。(a) DPA1-3与DPA(1-3)Cl的基态（S₀）优化几何构型。(b) 采用PBE0/6-31+G(d)在几何优化结构下计算的DPA(1-3)与DPA(1-3)Cl的LUMO与HOMO轨道分布。

【图4】DPA3的体外光学表征。(a) DPA3（10 μM）在60% PBS（pH = 7.4）与乙醇混合溶液中加入不同浓度HClO后的吸收光谱。(b) DPA3在0与40 μM HClO作用下1064 nm处吸收的定量对比（以PBS为参照）。(c) DPA3在1064 nm处的吸收强度随HClO浓度的变化及线性拟合。(d) HClO存在下DPA3在1064 nm处的时间依赖性吸收。(e) DPA3（10 μM）对HClO（40 μM）及其他生物相关物质（100 μM）的吸收响应选择性。(f) 1064 nm光声成像示意图及结果：DPA3分别经0与60 μM HClO激活，以PBS为对照。(g) (f)中近红外二区光声强度的定量分析。(h) 不同HClO浓度（0–60 μM）下DPA3的近红外二区光声图像（15 μM，硅胶管中，1064 nm激发）。(i) (h)中对应的光声信号强度定量及检测曲线（0–60 μM线性拟合）。(j) 不同pH值对DPA3在1064 nm处光声强度的影响。(k) DPA3（10 μM）对HClO（40 μM）及其他生物相关物质（100 μM）的光声响应选择性。(l) (k)中近红外二区光声强度的定量分析。

【图5】基于DPA3的小鼠肝损伤实时近红外二区光声成像。(a) 实验方案：腹腔注射APAP（肝损伤药物，300或600 mg kg^-1）与NAC（HClO清除剂），尾静脉注射DPA3（1 mg mL^-1，总体积200 μL，10% DMSO助溶PBS为载体）进行实时近红外二区光声成像。(b) 小鼠肝损伤的近红外二区光声图像。(c) (b)中注射DPA3后小鼠肝脏光声信号随时间的定量变化。(d) PBS组、0/300/600 mg kg^-1 APAP + DPA3组、NAC + 600 mg kg^-1 APAP + DPA3组的90 min与0 min光声强度之比（PA_90min/PA_0min）。(e) 肝脏组织H&E染色（上）及髓过氧化物酶（MPO）免疫组化分析（下），显示中性粒细胞浸润（比例尺：50 μm，虚线区域为损伤区域）。对照组：健康小鼠肝脏组织；肝损伤组：腹腔注射APAP（300、600 mg kg^-1）24小时；修复组：腹腔注射APAP（600 mg kg^-1）与NAC 24小时。

【图6】肝损伤动物筛查的盲法研究。(a) “关-开”探针（30% DPA3）组与“零-开”探针（DPA3）组的设计策略，示意图展示两类探针在活体成像中的不同表现，突出零背景设计带来的更高可靠性。(b) 健康小鼠（n = 5）静脉注射“关-开”探针（30% DPA3 + HClO）后60分钟肝脏PA_60min/PA_0min水平及诊断阈值。(c) 健康小鼠（n = 5）静脉注射“零-开”探针（DPA3，1 mg mL^-1）后60分钟肝脏PA_60min/PA_0min水平及诊断阈值。(d) 各组小鼠筛查流程示意图。(e) 盲法实验中“零-开”（DPA3）组与“关-开”（30% DPA3）组小鼠的近红外二区光声成像结果。(f, g) 分别基于“零-开”组 (f) 与“关-开”组 (g) 进行筛查，对每组二十只小鼠静脉给药后按PA_60min/PA_0min值进行分组。(h) 盲法研究中两组小鼠肝脏组织的H&E染色（比例尺：50 μm，虚线区域为损伤区域）。

期刊介绍

Angewandte Chemie是全球化学领域最具影响力的顶级期刊之一，由Wiley出版，创刊于1887年，最新影响因子为16.9。