Rongrong Huang,# Qinglong Qiao,# Deborah Seah, Tianruo Shen, Xia Wu, Fabio de Moliner, Chao Wang, Nannan Ding, Weijie Chi, Huaming Sun, Marc Vendrell,* Zhaochao Xu,* Yu Fang,* and Xiaogang Liu*. J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 5258-5268. DOI: 10.1021/jacs.4c16087

有机荧光染料在生命科学和生物医学研究中具有广泛应用，例如疾病诊断、蛋白质定量和细胞动态研究。然而，传统荧光染料通常存在分子尺寸大、发射波长短等问题，限制了其在深层组织成像和高分辨率显微技术中的应用。开发兼具小分子尺寸和近红外发射特性的荧光染料一直是科学界的重大挑战。

图1. 用于开发红色/近红外荧光染料及单苯环荧光染料的示意图。

本工作通过量化计算和结构-性质关系分析，建立了一种迭代设计方法，实现了对单苯环基近红外荧光染料的精准结构设计。该方法通过逐步引入电子给体（D）和电子受体（A），优化推拉电子效应和空间位阻，从而确定取代基位置、取代基数目和取代基类型，最终设计出分子量极低但发射波长较长的荧光染料。例如，SR-1的分子量仅为192 g/mol，发射波长为724 nm；SR-3的发射波长更是达到759 nm。

图2. 小而红荧光染料的迭代精准设计。

这些新型荧光染料展现出独特的环境敏感性：在水溶液中几乎不发光，而在脂质环境中表现出高荧光强度。这一特性使其能够实现免洗活细胞成像，简化了实验流程并可获得较高信噪比。此外，染料的光稳定性和选择性使其适用于超分辨成像，能够长时间追踪脂滴动态。研究团队进一步将染料与D-丙氨酸结合，开发出荧光非天然氨基酸ASR-5，成功用于细菌细胞壁生物合成的标记。这一成果为细菌研究和抗生素开发提供了新工具。此外，染料的小分子尺寸使其能够穿透分子筛等微小空腔，为材料科学和三维成像提供了新可能。

图3. 本工作中所报道的SR荧光分子用于活细胞中酯滴的动态成像。

这项研究突破了荧光染料领域长期存在的“小分子尺寸与长发射波长难以兼容”这一技术瓶颈，通过精准分子工程策略，为高分辨率生物成像技术开辟了创新路径。随着性能优化与应用场景的拓展，此类超紧凑近红外荧光染料有望成为生命科学研究和临床精准诊断的关键工具。尽管在摩尔吸光系数提升与功能化修饰方面仍需突破，但其提出的迭代设计范式展现了强大的普适性——通过量化计算指导的分子精准设计，为功能导向型荧光染料的理性设计提供了全新范式。

第一作者：新加坡科技设计大学与陕西师范大学联合培养博士后黄蓉蓉、中科院大连化学物理研究所副研究员乔庆龙

通讯作者：新加坡科技设计大学刘晓刚教授、陕西师范大学房喻院士、中科院大连化学物理研究所徐兆超教授、英国爱丁堡大学Marc Vendrell教授

全文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.4c16087