综述：用于影像引导介入治疗的有机余辉纳米粒子的合理设计与开发

《Small Methods》：Rational Design and Development of Organic Afterglow Nanoparticles for Image-Guided Interventions

　　**摘要**

传统的荧光成像受到组织自荧光、有限的穿透深度、光漂白以及需要持续激发的限制。余辉成像通过产生持久的发光来解决这些限制，这种发光在激发后可以持续较长时间，从而实现无背景、高灵敏度的成像，并提高信号与背景的比率。本综述总结了用于生物医学成像和治疗的有机余辉纳米粒子（ANPs）的合理设计、合成、处理和标准化表征方法。文章探讨了关键的余辉机制，包括化学诱导的电子交换发光（CIEEL）、活性氧物种介导的能量转移和陷阱辅助的复合过程，并分析了分子结构、聚合物组成和纳米粒子配方如何影响发光波长、强度、持久性和可降解性。同时讨论了小分子、共轭聚合物和基于聚合反应的余辉系统的最新发展，以及纳米沉淀和自组装等可扩展的制备方法。还概述了对于可重复性和临床应用至关重要的标准化物理化学和光学表征指标。本文重点介绍了ANPs在图像引导手术、淋巴结定位、心血管疾病检测、光热和光动力治疗以及超声波和X射线激活的余辉应用中的潜力。

**1 引言**

明智的决策是医学和医疗保健的基石，它决定了护理的质量并直接影响患者的治疗效果。能够可视化和理解生理过程（无论是健康的还是异常的）对于准确的诊断、预后和治疗选择至关重要[1]。光学成像作为一种有效方法，提供了极高的灵敏度、分辨率和实时反馈，且相比磁共振成像（MRI）、计算机断层扫描（CT）和正电子发射断层扫描（PET）等传统成像技术，基础设施成本更低[2-6]。尽管荧光成像在手术中很受欢迎，但目前的荧光试剂受到组织自荧光、组织穿透深度浅（1-2厘米）、生理环境中的荧光淬灭、光稳定性差以及从血液中快速清除等问题的困扰[7-9]。化学发光和生物发光通过化学或酶促反应产生光，实现了无需激发的信号生成，但由于底物可用性、复杂的合成程序和有限的可扩展性，在临床应用中面临挑战[2, 10]。余辉成像结合了基于激发的能量收集和无需激发的信号发射，从而实现了高灵敏度的持久发光、疾病特异性靶向和增强的光稳定性。余辉成像试剂在激发源停止后几分钟到几小时内仍能产生持续的发光[11, 12]。这些余辉试剂充当光学能量储存系统，暂时将吸收的激发能捕获在亚稳态中，并在激发源去除后以延迟的光子发射形式逐渐释放出来。通过这种方式，余辉基底就像光学电池一样，储存并随后在重复激活循环中释放激发能。凭借这些有利的光学反应特性，余辉试剂可以进一步优化，以实现更高的信号与背景比率、更高的灵敏度、更深的穿透深度和更长的发光时间[13]。根据能量储存机制，余辉成像试剂大致分为无机材料或有机材料。无机余辉成像试剂通常由过渡金属、稀土金属或某些主族金属离子嵌入晶体基质中构成，而持久发光则来源于陷抓住电子态并随时间释放出来的电荷载体[14, 15]。另一方面，有机余辉成像试剂通常由π-共轭的小分子或聚合物组装成纳米级结构，其中持久发光来源于通过活性中间体产生的化学诱导激发态，而非电子陷阱[16]。在这些系统中，敏化剂的光激发导致活性氧物种（例如单线态氧）的产生，这些活性氧物种随后与余辉基底反应，形成高能中间体，通过化学发光或化学诱导的电子交换发光（CIEEL）逐渐释放光子[17-19]。与依赖刚性晶格缺陷进行能量储存的无机系统不同，有机余辉依赖于分子设计策略来稳定中间体和调节能量转移过程[20]。由于无机余辉化合物的靶向能力有限以及重金属离子泄漏可能带来的细胞毒性，它们在生物医学应用中存在额外的障碍[21]。相比之下，有机余辉化合物具有多种优点，包括体内生物相容性、成功的生物标志物监测和有效的淋巴结定位[22]。尽管有机余辉材料可能表现出较低的内禀亮度和较短的发光寿命，但通过合理整合功能组件（包括能量引发剂、余辉基底、余辉 relay 单元以及结构优化以实现可激活的余辉发射，其光学性能可以得到提升[23]。精心设计的余辉试剂成分能够延长余辉持续时间、增强信号强度并在近红外（NIR）区域发光[19]。典型的余辉光反应级联包括三个主要步骤：（1）当光敏剂或余辉引发剂暴露在光下时，它们的电子被激发到高能单线态[24]；这些电子发生系统间跃迁（ISC）后，改变电子自旋配对，从而在返回基态时产生单线态氧（1O2）。这些引发剂分子通常是大型杂环 π-扩展化合物，因为它们具有吸收光能和同时容纳氧分子的天然能力。（2）1O2 分子容易与余辉基底反应，形成不稳定的化学发光中间体，该中间体可以释放热能或引起化学诱导的电子交换发光（CIEEL）。这种光谱重叠可以通过激活 NIR 发光 relay 单元进一步促进余辉发射的红移，当光敏剂的激发波长与可用光子能量匹配时[19]。（3）余辉 relay 单元通过 CIEEL 从不稳定中间体接收能量，并独立于同时激发引发逐渐的光子释放。其他形式的有机持久发光包括热诱导的延迟荧光和超长室温磷光，但它们的发光持续时间较短（见第2节），这限制了它们在体内的应用[25, 26]。在本综述中，我们提供了关于余辉纳米粒子（ANPs）合成的报告方法及其对物理化学和光学性质的影响，以及 ANPs 消除限制并进入临床应用的潜力（图1）。

**2 有机余辉基底**

通过合成染料分子的电子跃迁，可以精细调节发光时间尺度；这些发光材料通常被分类为室温磷光（RTP；通过三重态发射持续几毫秒到几秒）、热激活的延迟荧光（TADF；通过三重态到单线态跃迁持续几微秒到几毫秒）或长持久发光（LPL；通过陷阱介导的复合持续几秒到几小时）[27]。对于 RTP 和 TADF，这些性质是染料分子结构固有的，已经有许多策略被报道用于调节这些现象——通常是通过与强自旋轨道耦合（SOC）的重金属配位来增强 ISC 速率。虽然有报道称无机-有机杂化物具有长寿命发光[27, 28]，但纯有机化合物受到弱 SOC 和 T1 的快速非辐射衰减（NRD）的限制，从而限制了通过这种机制的长寿命发光[29]。其他人尝试将具有已知 TADF 性质的扭曲染料分子引入聚合物结构；然而，这些策略在合成上较为困难，可能会对成像应用所需的重要光学性质（亮度、量子产率、最大发光波长、发射峰波长、ε）产生不利影响，并且不具备临床成像所需的长寿命发光[30-32]。

**2.1 持久发光的化学组合**

另一种方法是，通过光化学反应使染料分子具有长寿命发光，这种现象称为 LPL 或余辉，通常是通过多个分子组件的协同组装实现的，这里称为化学组合。受自然发生的酶驱动的生物发光的启发，化学发光是由高能、亚稳态过氧化物中间体（通常是 1,2-二氧杂环己烷）的放热分解驱动的，从而生成高效的单线态激发态。这种机制称为化学诱导的电子交换发光（CIEEL），它是余辉现象的基础；关于 CIEEL 的详细概述可以在其他文献中找到[33]。对于生物成像目的，CIEEL 反应被设计为在纳米粒子形态的化合物组合（ANPs；见第3节）之间发生[34]。这些系统通常包括三个部分：一个使用入射电磁辐射生成单线态氧或超氧阴离子的引发剂（图2），一个作为余辉基底的单线态氧反应分子，用于形成不稳定的化学发光中间体（1,2-二氧杂环己烷），以及一个作为余辉 relay 单元的染料分子，从中间体逐渐释放能量[24]。除了使用光敏剂（photoafterglow）外，还可以使用其他刺激物（如超声波（sonoafterglow）和 X 射线（radioafterglow）来启动组合（见第5.5节和第5.6节）[34]。需要注意的是，这些组合的三个组成部分可能是独立的分子单元，也可能位于同一个 π-扩展染料分子内；关于什么是 relay 单元、光敏剂或基底的术语在文献中有时会混淆。图2

**2.2 下一代聚合物余辉基底**

由于许多余辉基底（如 Schaap 的试剂和 1,4-二氧杂环辛烷/oxathiins）在近红外（NIR；808纳米）光照射下不产生 1O2，因此必须在体内使用光敏剂来引发余辉，这增加了余辉组合的复杂性[19, 49, 51, 55]。此外，由于大多数余辉基底缺乏内在的 NIR 发光或高荧光量子产率，研究人员采用了能量转移策略，如化学发光共振能量转移（CRET）和 F?rster 共振能量转移（FRET）到共轭聚合物（CPs）——也称为半导体聚合物（SPs）[19, 51, 59, 63, 64]。因此，CPs 在余辉组合的制备中发挥了多种功能——通常同时充当余辉基底和 relay 单元[11, 19, 24]。在基于 CP 的系统中，基底、relay 和引发剂之间的区别是功能性的而非结构上的。有些例子中，光敏剂被统计地整合到 CP 的主链中[65, 66]，或者活性氧物种（ROS）由 CP 自身生成——在这些例子中，CP 同时承担了三个组件的角色[65, 67, 68]。关于控制 CP 的 NIR 发光性质[69] 和其在成像和治疗应用中的产氧能力的系统综述可以在其他文献中找到[70-72]。已经报道了两类具有双重功能和 relay 表现的 CP：基于乙烯基和噻吩的聚合物。这两类材料的机制都模仿了CIEEL机制[73]，其中环状过氧化物的分解会引发电子转移到发射体上，从而导致其发光——相同的CP骨架或附近的其它结构可以作为中继单元[24, 74]。据报道，基于CP的余辉组合表现出从10分钟到数小时不等的时间尺度（表1）。例如，MEH-PPV–SPN-NCBS5 exhibited一个半衰期为6分钟的相对短暂的余辉[11]，而PFPV–TTMN则显示出可以持续长达一个小时的更持久的余辉（表1a）。表1. 基于CP的余辉基底纳米颗粒（ANPs）的总结。CP–(ANP代码)a

| O2 激敏剂 |
| 发光最大值 (nm) |
| τ1/2 (分钟) |
| 参考文献 |

a) PPV-二氧环丁烷 |
| MEHPPV |
| 780 | [13] |
| 16 |
MEHPPV (SPN-NCBS5) |
| NCBS | 780 | [11] |
| PPV-TPP (SPN2.5) |
| TPP | 720 | [65] |
| PPV-TPP (ASPNC) |
| TPP | 680 | [66] |
| PPVP (SPPVN) |
| NCBS | 775 | [75] |
| PFPV (P-TNP) |
| TTMN | >60* | [76] |

b) 吡吩-二氧环丁烷 |
| PFODBT | CPPO | 690 | [78] |
| NIR-3 | — | ～800 | 0.86 | [67] |
| PFODBT-BSA (BSA@SP1) | — | 720 | 2 | [79] |
| DTBTz-FFl (A4) | — | 620 | >20* | [68] |

a) 表示杂环的缩写；Poly[2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene] (MEHPPV)，硅2,3-naphthalocyanine bis(trihexylsilyloxide) (NCBS)，tetraphenylporphyrin (TPP)，poly[(9,9-di(2-ethylhexyl)-9H-fluorene-2,7-vinylene)-co-(1-methoxy-4-(2-ethylhexyloxy)-2,5-phenylenevinylene)] (PFPV)，2-((5-(4-(diphenylamino)phenyl)thiophen-2-yl)methylene)malononitrile (TTMN)，poly[2,7-(9,9′-dioctylfluorene)-alt-4,7-bis(thiophen-2-yl)benzo-2,1,3-thiadiazole] (PFODBT)，bis-(2,4,5-trichloro-6-(pentyloxycar-bonyl)phenyl) oxalate (CPPO)，bovine serum albumin (BSA)，dithiophene-substituted benzotriazole (DTBTz)，furan-fused fluorene (FFl)。
b) τ1/2表示余辉成像探针的半衰期，除非标有*，表示余辉成像探针的总寿命。将表1中的两类进行比较可以发现明显的性能差异。PPV-二氧环丁烷系统通常表现出更长的余辉持续时间（4.8–>60分钟），相对于吡吩-二氧环丁烷系统（0.86–>20分钟）。值得注意的是，几种吡吩-二氧环丁烷系统，包括NIR-3、PFODBT-BSA和DTBTz-FFl (A4)，不需要外部氧敏剂，从而简化了探针的设计。在基于吡吩的系统中，DTBTz-FFl (A4) 是一个最近的高性能例子，通过系统的分子工程对CP骨架进行改进，实现了持续超过20分钟的余辉，并且其发光强度大约是MEH-PPV基纳米颗粒的130倍。A4纳米颗粒还因其能够在超过20次重新激发循环中保持信号保真度而受到关注，这突显了分子设计策略在这一类材料中所取得的进展[68]。从机制上讲，基于CP的余辉剂需要余辉基底随时间的衰减。例如，PPV衍生物通过π2–π2环加成被氧化，形成不稳定的PPV-二氧环丁烷中间体，该中间体自发降解为PPV-醛同时产生光子[11]。由于PPV衍生物没有NIR区域的发射，因此必须在CPN中加入另一个组分，通常是NIR染料，以实现FRET或CRET所需的光谱重叠。这种机制的三个后果是：(1) PPV衍生物必须提供电子以形成余辉所需的中间体；(2) 成像剂的长期亮度受到从CP传递电子效率的限制；(3) 制造在NIR-I/NIR-II区域有深发射的余辉组合具有挑战性，因为光敏剂必须在光学上与PPV重叠以实现FRET。供体-受体（D-A）CP也被用于余辉成像剂，其中CP作为余辉基底和中继单元。在这些例子中，NIR发射是D-A CP的固有特性；[69] 如PFODBT这样的含有吡吩单元的聚合物可以被1O2氧化，形成吡吩-二氧环丁烷中间体，该中间体通过O-O键断裂释放能量（-67.7 kcal mol?1），足以激发剩余CP的发光[78]。由于含有吡吩的D-A CP可以设计在NIR-I/NIR-II区域发射[69]，因此氧化后的CP的发射可以直接实现NIR区域的成像。通过添加反应性小分子如bis-(2,4,5-trichloro-6-(pentyloxycarbonyl)phenyl) oxalate (CPPO)可以增加余辉强度，这种分子可以形成自己的二氧环丁酮中间体以生成更多的1O2并激发附近的PFODBT——这两种反应都能增强PFODBT的余辉。或者，也可以通过设计能够生成更多1O2的D-A CP来增加余辉强度，同时包含更多的反应性吡吩结构单元[67]。基于这个概念，Li等人最近报告了一种呋喃-氟蒽-二噻吩供体-受体聚合物（A4，图3b），其中D-A CP骨架经过系统工程设计，同时增强了单线态氧的生成并提供高反应性的吡吩单元作为余辉基底[68]。通过仔细调整受体强度和吡吩含量，最大化了ROS的生成、ROS的捕获和荧光量子产率，获得了比MEH-PPV强约130倍、在低激发功率（12 mW/cm2）下比PFODBT强约169倍的超亮余辉。不含吡吩单元的对照聚合物几乎没有余辉，这直接证实了共轭骨架作为化学能量储存基底的作用。图3在图视图中打开

有机余辉基底的主要进展历史时间线。(a) 早期基于离散小分子和大环的有机余辉基底，展示了从化学触发的二氧环丁烷到光诱导的、自维持的余辉系统的演变。最初的构想来源于荧光素类似物和Schaap的adamantylidene二氧环丁烷，随后是单线态氧响应的乙烯醚基底，如1,4-二氧杂环庚炔（DO）和oxathiin（SO）。更近期的研究证明，本质上可氧化的π系统，包括氯苯/卟啉（例如pyropheophorbide A）、多环芳烃（rubrene）和模块化小分子骨架如硼二吡咯甲烯（BDI）和亚甲蓝衍生物，可以通过光氧化诱导的过氧化物或二氧环丁烷的形成作为自维持的分子余辉基底。(b) 余辉化学扩展到有机共轭聚合物，其中光氧化诱导的化学缺陷分布在延长的π骨架上。基于MEH-PPV衍生物和PFODBT的供体-受体吡吩共聚物的开创性工作确立了共轭聚合物作为近红外成像的天然余辉基质。后续的研究展示了骨架工程、共聚物设计和杂芳香族嵌入（例如PF-MEHPPV、NIR-3）以改善亮度和功能性。最近，骨架工程化的供体-受体聚合物（例如A4）表明，共轭聚合物可以被有意设计为余辉基底，而不仅仅是被动的光捕获矩阵。负责化学激发的反应性不饱和位点和氧化中间体以红色突出显示。重要的是要注意，并不是吡吩的含量必然会提高这些材料的余辉，因为：(1) 吡吩必须对氧化具有反应性；(2) CP必须具有在所需波长下发射的带隙；(3) 吡吩不得有害地干扰成像剂的量子产率；(4) CP必须能够高效地产生单线态氧。在CP中随机嵌入吡吩可能不满足所有这些标准——有些含有吡吩结构单元的材料并没有表现出高效的余辉[78]。相比之下，我们证明了在纳米颗粒中加入牛血清白蛋白（BSA）可以增强1O2的生成，从而增强余辉强度，而无需改变CP的化学结构[79]。虽然使用D-A CP作为中继单元避免了设计依赖FRET/CRET的组合的必要性，但荧光团随时间的系统衰减限制了成像剂在初次照射后的使用时间。尽管成像剂在使用过程中会降解，但在操作后有可能被清除——这对于生物纳米技术来说是理想的行为[75, 79, 80]。这种行为与本质上不可降解的无机持久荧光剂形成对比。尽管有这些优势，基于CP的余辉系统仍然本质上是消耗性的，因为骨架的氧化限制了重复使用，因此正在努力平衡亮度、持久性和可控降解。

2.3 将余辉基底加工成纳米颗粒制剂

有效的余辉基底通常具有疏水性，因此在使用前需要首先将它们加工成稳定、可溶于水的形式。已经开发了多种合成方法，每种方法在对大小、功能性和可扩展性的控制程度上有所不同。这些方法对于生产适用于生物医学应用的ANPs至关重要，确保了高性能和稳定性。以下部分概述了用于将余辉基底合成和加工成水稳定ANPs的常见策略。

2.4 合成方法

余辉纳米颗粒（ANPs）通常是通过将有机余辉基底整合到纳米级的宿主基质中来制备的，这些基质能够实现水溶性、胶体稳定性和可控的光学性能。在合成过程中，将具有余辉活性的小分子或共轭聚合物作为掺杂剂或结构成分纳入聚合物、基于蛋白质的或两亲性纳米颗粒骨架中。合成方法的选择显著影响纳米颗粒的大小、形态、负载效率和氧的可及性，所有这些都会直接影响余辉强度、持久性和循环行为。已经开发了一系列制造策略，包括纳米沉淀、自组装、基于聚合的方法以及蛋白质辅助的封装，以将疏水性余辉基底加工成生物相容的纳米颗粒制剂。这些方法提供了不同程度的颗粒均匀性、可扩展性和功能整合的控制，并为以下部分讨论的方法奠定了基础[11, 81, 82]。这些材料通常设计用于通过固化或基质封装来抑制非辐射衰减路径，稳定三重态激子，并提高ISC效率[83, 84]。在过去的十年中，使用固态方法合成持久发光纳米颗粒（传统的无机余辉纳米颗粒）是常见的做法，但这种方法对产品的大小和形状控制有限[85]。这些方法需要较长的反应时间和较高的退火温度，导致生成的荧光剂体积庞大且形状不规则，不适用于生物医学应用。为了进一步提高水溶性和生物相容性，特别是当使用二氧化硅或聚合物涂层时，通常需要在合成后进行表面功能化[86, 87]。最近，在调节光学行为方面的进展，包括核壳结构和能量转移技术，专注于增强余辉发射的强度和持续时间[88]。为了精细调节亮度和持久时间，优化载流子动力学和陷阱深度至关重要。这些属性受到掺杂剂浓度、晶体结构以及合成过程中的热处理条件的强烈影响[89]。已经开发了许多合成技术来实现这一点，包括有机-无机杂化、掺杂剂-基质创建、共结晶、超分子组装、聚合技术以及使用经典有机合成的分子设计。每种技术都为调整光物理特性、发射寿命和环境稳定性提供了独特的优势。

2.5 小分子的整合

经典的有机化学方法对小分子有机余辉基底提供了精确的结构控制，这些基底通常作为活性掺杂剂纳入ANP制剂中。为了提高这些复合系统中的荧光寿命和余辉持久性，通常采用分子功能化策略，如重原子掺入以增强自旋-轨道耦合，扩展π系统以促进ISC，以及供体-受体调节以促进电荷转移过程。最近在小分子设计方面的进展使得当这些分子嵌入刚性基质中时，能够改善有机室温荧光（RTP）和化学激发效率[90, 91]。特别是两组分设计策略，其中发光小分子掺杂剂分散在惰性或半导体有机基质中，允许在纳米颗粒级别精确控制三重态动力学、氧扩散和非辐射衰减路径[92]。这样的掺杂剂-基质架构使得可以独立优化分子光物理和纳米颗粒加工，为高性能余辉纳米颗粒提供了多功能途径，适合生物成像。冠烯和氘代冠烯是有效的小分子掺杂剂的例子，它们表现出强烈的ISC倾向和固有的低荧光衰减率[93]。氘代进一步降低了非辐射衰减率，延长了发射寿命并增加了量子产率[92]。将这些掺杂剂嵌入刚性聚合物基质中，如基于poly(4-methoxybenzophenone)的系统中，有效地限制了分子内的运动并最小化了氧的淬灭。这种分子-基质协同作用在常温条件下产生了明亮、持久的余辉，并已在大面积薄膜、成型发光物体和水分散体中得到了应用，用于生物成像。这种小分子工程突显了分子精确合成方法在实现高量子产率和延长余辉持续时间方面的潜力——这是实用RTP和余辉应用的两个关键参数。

2.6 纳米沉淀

纳米沉淀过程涉及在高剪切条件下（如超声处理）将含有溶解发光材料的有机溶剂注入水中或其他可混溶的非溶剂中。这种快速的溶剂极性变化导致发光材料形成纳米颗粒。该过程允许通过材料浓度、注入速率和超声处理强度等参数精确控制纳米颗粒的大小和形态。表面活性剂或稳定剂是纳米沉淀方法的重要组成部分，增强了胶体稳定性并防止了聚集。其简单性、可扩展性和一致的产生具有狭窄尺寸分布的纳米颗粒的能力使其非常适合工业和生物医学应用[94]。有一系列基于氯苯的余辉剂具有异常长的荧光寿命，实现了超敏感的体内肿瘤成像（图3a）。与之前的多组分系统不同，这些小分子氯合物既可以作为1O2引发剂，也可以作为余辉发射体，产生持续时间长达1.5小时的近红外余辉。Chen等人[47]报告了通过纳米沉淀法从各种氯衍生物中合成Ch-NPs（氯纳米颗粒），以比较它们的余辉发光特性并揭示其背后的机制（图4a,b）。为此，他们迅速将含有Ce4（0.15 mg/mL）和PEG-b-PPG-b-PEG（40 mg/mL）的THF混合溶液（1 mL）注入9 mL蒸馏去离子水中（Milli-Q水），同时连续进行超声波处理。然后通过轻微的N2流逐渐去除THF。使用Millipore 30 K离心过滤装置，将NPs-Ce4溶液浓缩约20倍。随后，将浓缩的NPs-Ce4溶液用1RsPBS缓冲液稀释十倍，并在4°C的黑暗环境中保存。同样的方法也用于生成其他Ch-NPs，包括NPs-Ppa、NPs-Cp6和NPs-Ce6 [47]。根据Mie理论的解释，光从生物组织中的散射与激发和发射波长成反比。众所周知，像水和脂质这样在生物体中普遍存在的分子可以分别在可见光范围内吸收和散射光子，但是像NADH和FAD这样的内源性荧光团由于其荧光光谱的重叠，构成了更大的威胁[126, 127]。这使得近红外（NIR）范围成为生物组织成像的“光学窗口”，因为在这个范围内可以实现高分辨率、高灵敏度和高效率的成像。通过调整共轭聚合物主链的供体-受体工程和选择能够发出NIR光的传递单元，可以提高组织穿透能力并减少散射[69]（图4h,i）。此外，ANPs（荧光纳米颗粒）表现出显著的光稳定性，在多次激发循环后仍能保持发射强度，而不会出现明显的光漂白现象，这是它们相对于传统荧光染料和蛋白质的一个重要优势[128]。除了可调的发射波长和高光稳定性之外，ANPs还因其可修饰的表面化学性质而受到关注，这种性质允许用靶向配体或生物相容性涂层对其进行功能化。这一特性，加上它们独特的发光行为，使它们特别适用于深层组织成像、药物输送追踪和影像引导治疗[129]。ANPs被精心设计为能产生活性氧（ROS），尤其是单线态氧（1O2），后者具有毒性，对癌症治疗非常有用，同时它们还能在余辉成像中持续发光。从ANP的激发态到生物组织中的分子氧（3O2）的能量转移是1O2形成的基础过程。通常，会在ANPs的表面或内部添加光敏化学物质或可激活的捕获剂来促进这一过程[19]。外部激发，如紫外线-可见光或X射线，会使ANPs的电子跃迁到激发态。部分吸收的能量通过三重态跃迁（ISC）传递到光敏剂的三重态，然后通过三重态-三重态能量转移（TTET）直接传递给三重态氧（3O2），从而产生单线态氧，引发余辉效应[11, 19]。这种机制使得无需持续光照即可启动光动力疗法，减少了组织加热和光损伤。一些ANPs本身就具有光敏性质，而其他ANPs则需要与外源性敏化剂结合使用。例如，Wen等人报告了一种聚乙烯甘油醇化（PEGylated）的4,4-二氟-4-硼-3a,4a-二氮杂-茚（BODIPY）光敏剂（BIP），它具有内在高效的一型光动力活性[130]。双PEG修饰的BIP（mPEG550）的自组装产生了可在光照下产生大量O2•?的纳米颗粒（BIPNs）。这种活性氧不仅通过破坏氧化还原平衡和线粒体功能来发挥肿瘤杀伤作用，还能激活BIPNs的固有余辉发射，用于肿瘤成像。光敏性和自发光能力的结合使得ANPs在深层组织成像、药物输送追踪和影像引导治疗等领域具有特殊吸引力[129]。除了可调的发射波长和高光稳定性外，ANPs还具有可修饰的表面化学性质，这使得它们能够与靶向配体或生物相容性涂层结合使用。这些特性加上它们独特的发光行为，使得它们特别适合用于深层组织成像、药物输送追踪和影像引导治疗[129]。ANPs被设计为能够产生ROS，尤其是单线态氧（1O2），后者具有毒性，对癌症治疗非常有用，并且在余辉成像中持续发光。ANP从激发态向生物组织中的分子氧（3O2）的能量转移是1O2形成的基础过程。通常，会在ANPs的表面或内部添加光敏化学物质或可激活的捕获剂来促进这一过程[19]。外部激发，如紫外线-可见光或X射线，会使ANPs的电子跃迁到激发态。部分吸收的能量通过三重态跃迁（ISC）传递到光敏剂的三重态，然后通过三重态-三重态能量转移（TTET）直接传递给三重态氧（3O2），产生单线态氧，从而引发余辉效应[11, 19]。这种机制使得无需持续光照即可启动光动力疗法，减少了组织加热和光损伤。一些ANPs本身具有光敏性质，而其他ANPs则需要与外源性敏化剂结合使用。例如，Wen等人报告了一种聚乙烯甘油醇化（PEGylated）的4,4-二氟-4-硼-3a,4a-二氮杂-茚（BODIPY）光敏剂（BIP），它具有内在高效的一型光动力活性[130]。双PEG修饰的BIP（mPEG550）的自组装产生了可在光照下产生大量O2•?的纳米颗粒（BIPNs）。这种活性氧不仅通过破坏氧化还原平衡和线粒体功能来发挥肿瘤杀伤作用，还能激活BIPNs的固有余辉发射，用于肿瘤成像。光敏性和自发光能力的结合使得ANPs在深层组织成像、药物输送追踪和影像引导治疗等领域具有特殊吸引力[129]。除了可调的发射波长和高光稳定性外，ANPs还具有可修饰的表面化学性质，这使得它们能够与靶向配体或生物相容性涂层结合使用。这些特性加上它们独特的发光行为，使得它们特别适合用于深层组织成像、药物输送追踪和影像引导治疗[129]。ANPs被设计为能够产生ROS，尤其是单线态氧（1O2），后者具有毒性，对癌症治疗非常有用，并且在余辉成像中持续发光。从ANP的激发态到生物组织中的分子氧（3O2）的能量转移是1O2形成的基础过程。通常，会在ANPs的表面或内部添加光敏化学物质或可激活的捕获剂来促进这一过程[19]。外部激发，如紫外线-可见光或X射线，会使ANPs的电子跃迁到激发态。部分吸收的能量通过三重态跃迁（ISC）传递到光敏剂的三重态，然后通过三重态-三重态能量转移（TTET）直接传递给三重态氧（3O2），产生单线态氧，从而引发余辉效应[11, 19]。这种机制使得无需持续光照即可启动光动力疗法，减少了组织加热和光损伤。一些ANPs本身就具有光敏性质，而其他ANPs则需要与外源性敏化剂结合使用。例如，Wen等人报告了一种聚乙烯甘油醇化（PEGylated）的4,4-二氟-4-硼-3a,4a-二氮杂-茚（BODIPY）光敏剂（BIP），它具有内在高效的一型光动力活性[130]。双PEG修饰的BIP（mPEG550）的自组装产生了可在光照下产生大量O2•?的纳米颗粒（BIPNs）。这种活性氧不仅通过破坏氧化还原平衡和线粒体功能来发挥肿瘤杀伤作用，还能激活BIPNs的固有余辉发射，用于肿瘤成像。光敏性和自发光能力的结合使得ANPs在深层组织成像、药物输送追踪和影像引导治疗等领域具有特殊吸引力[129]。除了可调的发射波长和高光稳定性外，ANPs还具有可修饰的表面化学性质，这使得它们能够与靶向配体或生物相容性涂层结合使用。这些特性加上它们独特的发光行为，使得它们特别适合用于深层组织成像、药物输送追踪和影像引导治疗[129]。图5：在PowerPoint中的图示浏览器中打开

**图像引导医疗干预中的余辉发光**
(a) 小鼠模型中淋巴结成像方法的示意图，展示了使用传统荧光技术和余辉成像技术获得的信号强度对比。经John Wiley and Sons许可重新使用。
(b) 余辉辅助乳腺保留手术（BCS）的示意图，用于清除残留肿瘤细胞。经Qu等人许可转载（改编）。版权归2023年美国化学学会所有。
(c) 使用肿瘤模拟模型中内化的荧光团（ANPs）进行体外图像引导手术模拟。经John Wiley and Sons许可重新使用。
(d) 在正常（N）和2周及4周C57BL/6 AS小鼠模型中，静脉注射mZGS-OPN后10小时的主要器官（左）和主动脉弓（右）的持续发光图像。
(e) 在不同C57BL/6 AS小鼠模型中，注射mZGS-OPN后1小时、2小时和4小时的持续发光图像。
(d-e) 经2024年美国化学学会许可转载。

**4.2 图像引导癌症手术**
余辉纳米颗粒在图像引导手术中所使用的成像技术中也具有显著优势。一个值得注意的例子是丁的实验室开发了一种包含聚集诱导发光（AIE）染料TPE-Ph-DCM的余辉成像剂。该成像剂还包括一种余辉底物（AEE-4）和两性聚合物DSPE-PEG [140]。AIE染料通过产生氧自由基显著增强了余辉发射的强度，这导致发射波长发生红移，从而减少了光散射和吸收，提高了成像质量。余辉特性与靶向配体的结合进一步提高了这些纳米颗粒检测和成像目标结构或异常的特异性和灵敏度。例如，张等人开发了ONOO激活的纳米颗粒，能够实时报告病变区域，展示了余辉纳米颗粒在实时手术环境中的实际应用 [141]。组合对比剂也成为生物医学成像的一个令人兴奋的方法，特别是在光学成像中，因为组织穿透有限可能会妨碍肿瘤的清晰显示。岳等人最近的一项研究提出了一种兼具余辉和MRI功能的双纳米探针，能够监测与辐射诱导毒性相关的生物标志物——脱嘌呤/脱嘧啶核酸内切酶1（APE1）的表达，从而早期预测放疗效果。通过将FeMnOX整合到核-卫星结构中，该纳米颗粒同时具备了余辉受体单元和MRI对比剂的功能，实现了对辐射诱导的活性氧（ROS）、DNA损伤以及APE1上调的实时监测 [142]。在乳腺癌干预的背景下，瑞等人开发了一种对肿瘤细胞具有高亲和力的余辉成像剂 [143]。这种成像剂不仅增强了肿瘤的可视化效果，还具备光热功能，使其除了用于成像外，还可以用于肿瘤消融。将余辉纳米颗粒整合到图像引导手术中可以提高可视化效果，减少背景信号的干扰，并提供更准确可靠的成像结果（见图5b）。我们最近研究了一种新型纳米颗粒的余辉特性，该颗粒表面涂覆了半导聚合物（PFODBT）和牛血清白蛋白（BSA）。与之前采用聚合物-脂质涂层的PFODBT纳米颗粒相比，BSA涂层的样品显示出了大约三倍的余辉发光强度。我们还发现，在增加的组织深度下，BSA涂层纳米颗粒的余辉信号优于荧光信号，尤其是在嵌入肿瘤模拟模型中时。