麻省理工學院開發新穎紅色螢光染劑，能助偵測深層組織病變

在醫學影像技術中，使用螢光染劑（fluorescent dyes）標定人體內的組織或細胞，是很常見的方法。但長久以來，當科學家嘗試「紅光或近紅外」（red / near-infrared）的染劑時，往往遭遇穩定性差、亮度不足等困境。最近，麻省理工學院（MIT）的化學家，成功設計出一系列穩定的紅色螢光染劑，將有助於發展高靈敏度的生物影像技術。該研究已於近日發表在國際知名化學期刊《Nature Chemistry》。

這次研究的關鍵突破，是把一類先前被認為在化學上難以操作的含硼離子（borenium ions）整合到染劑分子中，使得這些染劑在空氣中也能保持穩定，並且能在紅光至近紅外區（red to near-IR）發光。傳統上，這些含硼離子若暴露在空氣中極易分解，須在隔絕空氣的手套箱中操作，非常不便，難以在臨床上應用。本次則透過巧妙的設計，使其抗氧化、抗光降解之能力顯著提升。不僅獲得更穩定的螢光染劑，也使其發光效率（quantum yield）有所提升。

為什麼紅光優於藍、綠光染劑？

現有螢光染劑偏向發出藍光或綠光，用於觀察體外培養的細胞效果不錯，但要穿透較厚組織、或在人體內成像時，就會受到限制。首先，生物組織可能產生藍、綠光而干擾了染劑訊號之偵測；另一方面，藍、綠色的光在組織中散射、吸收都較強，使其穿透深度受限。相對地，紅光、近紅外光在生物組織中的散射和吸收較低、背景干擾也少，更適合用於腫瘤、血管網絡等深層組織的偵測。

「離子耦合」與「CDC配體」：兼顧亮度與穩定性的雙重設計

MIT團隊的關鍵創新，是在分子設計上同時解決「亮度不足」與「不穩定」兩大難題。他們運用所謂的「離子耦合」（ion-pair assembly）策略，精確控制分子中帶正電的含硼離子與陰離子之間的吸引力，讓能量在分子內更有效地傳遞。這樣一來，電子被激發後產生的激子（exciton），其能量會往紅光與近紅外波段偏移，使染劑能發出更深、更清晰的紅光。此外，他們選用的「碳雙卡賽」（carbodicarbene，CDC）配體，能穩定住活性極高的硼離子，使分子不容易被空氣氧化或光照破壞，而大幅提升染劑的穩定性。

生物醫學與其他潛在應用

由於本次新合成的紅光染劑能在生物體內保持亮度與穩定性，因此可能成為觀察深層組織或腫瘤的理想工具。研究團隊正嘗試把染劑封裝進微小的高分子膠囊中，注入生物體內幫助追蹤細胞活動。由於這些染劑對溫度變化也十分敏感，未來或許可做為「分子溫度感測計」（molecular thermometers），用於監控藥物或疫苗是否在運送中過度受熱。此外，它們的光電特性也有潛力用於開發更省電的有機發光二極體（OLEDs）、高靈敏感測器或防偽材料。

總結而言，本次的突破，讓過去難以在臨床應用的含硼離子紅色螢光分子，有了在生物醫學影像與高階光電材料領域「發光發熱」的機會。雖然要在臨床實際應用，尚有如生物相容性、體內穩定性、安全性等挑戰，但仍值得期待。未來，若能實驗醫學上的應用，將可望讓醫師更清晰的「看見」人體內部的動態。