前言
菁类染料的诞生可追溯到1856年，Williams等人报道了蓝色染料粉末的合成方法。随着时间推移，大量的菁类染料逐渐被合成和发现。相对于其他的荧光染料如香豆素、氟硼二吡咯、罗丹明等，菁类染料最明显的特征是其同时拥有大的摩尔消光系数。因此，该类染料被广泛用做荧光传感器，对离体、活体组织细胞染色。
根据染料的组成形式不同，菁类染料可分为三类：
1、对称菁染料
传统菁染料结构及其合成路线，通过将季铵盐与对应的中间体缩合得到奇数个甲川链相连的菁染料。对于对称菁染料，两侧杂环上的氮原子化学等价，正电荷平均分散在共轭甲川链上。根据共轭甲川链上的碳原子数，对称菁染料可分为一甲川、三甲川、五甲川和七甲川菁染料。
菁类染料的吸收和发射光谱可随着共轭长度的变化而变化：发色团的共轭骨架每延伸一个亚乙烯基，分子光谱红移约100nm。与紫外线和可见光相比，近红外光具有较少的光损伤和荧光背景，因此Cy5和Cy7这两种染料是相对更具优势的活体应用染料平台。
由于光激发过程中复杂的电子重组导致的高跃迁偶极子，对称菁类染料拥有有机荧光团中最大的摩尔消光系数，在良溶剂中高达200000M−1cm−1]。而共轭甲川链中烯键的构象异构变化，通常会导致该类染料的激发态寿命缩短及发光量子产率的降低。
2、半菁染料
半菁类染料是菁类染料的另一个主要组成成分，主要作为染料敏化太阳能电池中的光敏剂和复杂生物体系中的分子标签而广泛应用。该体系同样拥有良好的生物相容性和低生物毒性。作为经典的有机荧光染料，半菁染料具有Donor-π-Acceptor（D-π-A）体系。
含有带正电荷的氮杂环部分作为电子受体，末端羟基、烷氧基或氨基基团作为电子供体，二者通过共轭体系相连。由于具有较强的电子供体到受体的激发态分子内电荷转移（ICT）过程，半菁染料拥有大的斯托克斯位移。由于半菁染料保留了部分菁染料的结构，这类染料通常也具有较大的摩尔消光系数和较长的吸收波长。
3、方酸菁染料
方酸菁染料是1965年Treibs和Jacob等人发现的一类共振稳定的两性离子内盐染料，拥有方形酸环作为中心。这些方酸菁染料通常由富电子的芳烃或杂环化合物和缺电子的方酸缩合而成，其中，富电子结构可以是N,N-二烷基苯胺、苯酚、苯并噻唑和吡咯。
方酸菁染料独特的D-A-D结构使其拥有尖锐的吸收和发射光谱。除此之外，高的消光系数、荧光产量，长的激发/发射波长，以及出色的光稳定性使得这类染料已应用于多种光子材料，包括非线性光学、光伏、生物标记和光动力疗法。
肿瘤微环境响应型菁类光敏染料
相较于正常细胞，肿瘤细胞在迅速增殖分化的过程中对葡萄糖、多胺等营养供给物质有更多的需求，同时伴随着多种蛋白质的过度表达。此外，细胞外周偏酸的pH值和乏氧的氛围也是肿瘤微环境的标志特点。
根据肿瘤微环境的特性，研究者们开发了一系列以菁类染料为母体的响应型光敏染料用于肿瘤的选择性治疗。目前，构建菁类响应型光敏染料的常用策略是通过抑制半菁光敏染料分子内的ICT效应，实现抑制光敏染料的荧光和ISC。
简而言之，首先通过化学修饰，使半菁染料的ISC效率提升，制备得到半菁光敏染料。随后通过肿瘤微环境可响应型的基团对半菁光敏染料中的供电子基团（酚羟基、亚胺基、氨基等）进行修饰、封端，抑制其供电子性能，使分子内的ICT效应受到抑制，猝灭光敏染料的激发态，进而使得ROS和荧光的产生受到抑制。
2019年，彭孝军课题组报道了一例乏氧激活型近红外菁类光敏染料。在该染料中，首先利用碘原子修饰提升了“湖大”半菁染料的ISC效率，随后利用硝基还原酶响应的4-硝基溴化苄对染料母体酚羟基封端，构建出近红外硝基还原酶激活型光敏染料。
体外乏氧实验表明，该染料对微乏氧癌细胞有显著的光毒性，而对常氧细胞无明显光动力*伤杀**作用。活体荷瘤小鼠模型证明，该光敏染料能够被内源性硝基还原酶激活，并对活体肿瘤显示出高效的PDT*伤杀**效果。
类似地，基于该母体的氨肽酶、生物硫醇激活型近红外半菁光敏染料相继被发表，在对肿瘤选择性响应、*伤杀**方面取得了优异的应用结果2021年，彭孝军课题组利用L-谷氨酸对碘化半菁染料的氨基端进行缩合，打断了母体分子内的ICT，从而猝灭了其激发态及光敏性。
当光敏染料Cy-GGT与肿瘤过表达的γ-谷氨酰转肽酶（γ-GGT）响应时，原有芳氨基封端的酰胺键水解，得到具有高1O2产生能力的近红外光染料Cy-NH2。细胞、活体评估表明，Cy-GGT能够选择性的识别γ-GGT过表达的肿瘤细胞、组织，并对其进行有效地光动力*伤杀**。
2017年，张晓兵课题组构建了一例过氧化氢激活的近红外PDT与化疗联合治疗体系。他们将溴代“湖大”半菁染料的酚羟基端与临床抗癌药物5’-DFUR通过硼酸酯链相连，硼酸酯链能够对过氧化氢响应并被水解。该分子药物递送体系能够靶向性的对目标癌细胞进行有效的近红外光敏化损伤以及高效的药物递送，同时对正常细胞显示出较低的损伤性。
光动力、光热联合治疗型菁类光敏染料
根据能带理论，分子发生无辐射弛豫的几率是随着在近红外区吸收波长的延长而增加的。分子由S1至S0态的无辐射弛豫能够伴随热量的产生，整个过程不需要氧气参与。Cy7染料的激发波长通常在750nm以上。
且在近红外区摩尔消光系数较大，因此以Cy7染料为母体，构建能够产生1O2和热量的光敏染料，实现对肿瘤进行PDT、光热治疗（PTT）的结合治疗是克服PDT对实体肿瘤治疗效果有限的重要方法。
吲哚菁绿（ICG）是一例FDA批准的活体近红外荧光成像Cy7衍生物。近些年，研究者发现ICG具有大的摩尔消光系数，并能在近红外光激发下有效地产生1O2和热量，因此大量基于ICG的PDT、PTT结合治疗体系相继被报道。
2016年，史*梦春**等人通过对肿瘤自靶向型阳离子Cy7类染料光物理性质的筛选，发现Cy7类似物7相较于ICG拥有更强的光动力和光热效果，并可利用近红外光驱动所产生的1O2和热量协同地对肿瘤细胞进行破坏。
2019年，孙勇等利用碘原子修饰的Cy7染料，构建了一例近红外光激发的PDT、PTT结合治疗型光敏染料CyI。与ICG类似物相比，CyI中碘原子的引入极大地增强了染料的ISC效率，1O2量子产率显著提升。
除此之外，CyI在近红外区有大的摩尔消光系数，使其光热转换性能同样突出。在HepG2的荷瘤裸鼠模型中，CyI介导的PDT、PTT联合治疗实现了对实体肿瘤生长的高效抑制。2021年，彭孝军等构建了一系列近红外二区发射的菁类光敏染料。他们通过对T1态能量计算、光热转换性能和发光强度等方面的评估，将BH1024分子用于最终的应用测试中。
BH1024具有近红外二区的吸收波长，高于0.98eV的T1态能量以及大的摩尔消光系数，在1024nm光照下能够产生1O2、进行光热转换并有近红外二区荧光发射，实现对实体肿瘤的高效协同PDT、PTT治疗。
2022年，钱旭红课题组通过克脑文盖尔缩合反应将萘酰亚胺修饰的吲哚杂环与七甲川缩合剂相连，制备了最大吸收波长位于880nm的Cy7染料类似物。萘酰亚胺结构的引入增强了电子的离域，使得该光敏染料比传统Cy7最大吸收波长红移近100nm。
在880nm激光照射下，该光敏染料能够同时产生1O2和热量，并在最终的实体肿瘤模型中搭配药物化疗，实现了对实体肿瘤的PDT、PTT、化疗的结合治疗，显著地抑制了肿瘤的生长。
反斯托克斯位移型菁类光敏染料
除了在长波长近红外区拥有大的摩尔消光系数，菁类光敏染料的另一个应用优势是对深层组织下肿瘤的光疗[106-108]。由于菁类染料具备小的斯托克斯位移和较为明亮的发光，使其能够应用于热带吸收（hotbandabsorption，HBA）上转换激发中。
简而言之，就是利用长于自身最大吸收波长的光激发处于S0态高振动能级的分子使其到达S1态后，经过Kasha规则辐射荧光。在此激发过程中，激发波长长于发射波长，具有明显的反斯托克斯位移，是一类上转换发光过程。
彭孝军课题组对上转换光敏染料展开了一些系统、全面的探究，于2019年报道了一例基于“长沙”半菁染料的上转换光敏分子FUCP-1，通过对“长沙”半菁染料吲哚环的碘原子取代，增加了光敏染料的ISC效率。
上转换光（808nm，0.8W/cm2）激发下增加的T1态布居使得FUCP-1对鼠源乳腺癌细胞（4T1）产生高效的光毒性。在活体荷瘤小鼠模型中，光敏分子FUCP-1能够对深层组织（5mm）下的实体肿瘤产生高效的光抑制。
2020年，彭孝军课题组将TEMPO自由基修饰在半菁染料吲哚季铵盐链上，探究了ICT变化的半菁染料供电子端供电性对染料ISC的影响，发现TEMPO自由基对半菁染料的ISC效应增加强度与半菁染料母体中的ICT强度呈正相关。
供电子端为N,N-二乙胺基的光敏染料拥有高达0.323的1O2量子产率，在近红外光（700nm）照射下能够诱导癌细胞凋亡。在最终的活体肿瘤模型中，制备的光敏染料显示出高效的活体肿瘤光抑制效果。
结论
除了利用REISC机制外，2021年彭孝军课题组还利用了激子耦合提升ISC效率，构建了不同链长度的Cy5二聚体光敏染料。结果表明，通过构建Cy5染料形成H聚集体，使得染料S1态发生劈裂，由此降低了染料单重态与三重态的能隙差ΔEST，从而提升了ISC效率。
相较于Cy5单体，所合成的Cy5二聚体光敏染料1O2量子产率有着显著提升，并能够靶向肿瘤细胞线粒体，对活体实体肿瘤表现出高效地抑制效果。
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