聚集誘導發光材料：生物醫學成像中的新視野

作為一種先進的手段，生物醫學成像技術能夠精確捕捉生物體內部的結構、功能及代謝信息。在醫學領域，這項技術發揮著至關重要的作用。例如，在疾病的診斷與監測方面，醫生們依賴生物醫學成像技術來識別腫瘤、心血管疾病以及神經系統疾病等。這些圖像不僅有助于醫生對病情進行準確判斷，還能監測疾病的發展態勢以及評估治療效果。此外，在藥物研發過程中，生物醫學成像技術也扮演著舉足輕重的角色。基于該技術，科學家們能夠直觀地觀察藥物在動物模型或人體內的分布、代謝及效果，從而極大加速新藥的開發速度并降低研發成本。值得一提的是，生物醫學成像技術為科學家們提供了深入研究疾病發生機制的窗口：能夠更深入地探索病理生理過程，為疾病的預防和治療提供堅實的理論支撐和實驗依據。這推動了醫學領域的進步，特別是對于個性化醫療——基于患者的個體差異和病情特點，制定出更加精準的治療方案，從而提高治療效果并提升患者的生存質量。

生物醫學成像通常通過各種成像設備來實現，如X射線、超聲波、磁共振成像（MRI）、計算機斷層掃描（CT）、正電子發射斷層掃描（PET）、單光子發射計算機斷層掃描（SPECT）、光學成像，等等。這其中，光學生物醫學成像，特別是基于熒光的生物醫學成像技術，憑借著非入侵式、高時空分辨率、實時成像、多模態成像等優勢，已經成為基礎研究、臨床診斷不可或缺的工具。

在光學生物成像領域，多代科學家曾倚重傳統熒光材料，包括有機熒光染料和無機熒光材料，對其研究目標進行觀測。然而，隨著對生命科學研究的深入，這些傳統材料在檢測靈敏度、亮度和光穩定性等方面顯現出一定的局限性。因此，為推動該領域技術的進步，亟需涌現一類新型熒光材料。在這一背景下，聚集誘導發光（aggregation-induced emission， AIE）材料應運而生，構成了一種全新的熒光材料體系。AIE是一種有別于傳統發光的熒光現象，因此AIE材料展現出有別于傳統熒光材料的特性，可顯著提升生物檢測和熒光成像的靈敏度、特異性和分辨率。可以說，AIE材料在生物醫學成像領域嶄露頭角，成為一匹技術上的“黑馬”。

在單分散狀態下，AIE材料表現出較低的熒光強度；然而，一旦發生聚集，其熒光強度顯著提升。這種“越聚集越亮”的特性是AIE材料與其他材料最顯著的差異之一。在此基礎上衍生出的其他特性，如免洗和高穩定性等，共同使AIE分子成為更適合生物醫學成像的熒光材料。生物醫學成像的對象主要是生物樣本，復雜的前處理過程會極大地影響成像的靈敏度與準確性。為了最大程度還原或保留生物樣品的信息，減少對其處理的步驟是一種簡單、經濟且高效的手段，AIE材料的免洗優勢正好符合這一需求。AIE材料只有在生物樣本上聚集時才會產生強烈的熒光信號，而在其他位置保持“黑暗”，因此具有較高的信噪比，無須在樣本前處理過程中進行多次洗滌，對生物樣本更加友好。另外，相較于傳統的熒光染料，AIE材料在工作時通常處于聚集態，能夠更好地抵擋激光照射引發的材料破壞，因此具有更好的光穩定性和更廣的成像濃度范圍，能夠在長時間的掃描成像中保持穩定的信號輸出，為動態過程的觀察提供了便利。

看透細胞的“超級眼睛”——AIE細胞成像探針

在生命科學領域，研究者常常需要深入單個細胞內部，觀察和研究細胞器的動態和功能。然而，細胞器的體積微小，且分布密集，這給研究者的觀察帶來了極大的挑戰。細胞器作為細胞內的基本功能單元，其形態和動態變化對于理解細胞生命活動至關重要。傳統的熒光顯微技術為細胞器成像提供了有力工具，但熒光物質的性能仍需進一步優化。AIE材料免洗、高穩定性、越聚集越亮的特點在細胞器成像領域有極為突出的優勢，研究者可以通過精密的分子調控，使得AIE材料能夠快速穿透細胞膜，進入細胞內部，而AIE材料上特定的靶向基團如三苯基膦、嗎啉及AIE分子獨特的結構則可以將材料牽引到特定的細胞器上，從而實現精準的定位和成像[1]。

在細胞器成像研究中，盡管羅丹明、熒光素等傳統熒光材料仍被廣泛使用，但基于AIE性質開發的探針往往具有寬成像濃度范圍、高抗漂白能力以及免洗等優勢，更適合用于細胞器的長期動態追蹤。例如，線粒體作為細胞中的“能量工廠”，其結構與功能的完整性對維持細胞正常生理活動至關重要。眾多疾病，特別是神經系統疾病和代謝性疾病，均與線粒體功能的異常緊密相關。借助AIE線粒體靶向熒光探針，研究者能夠清晰地揭示其微觀結構和形態變化，并進一步分析線粒體的形態動力學[2]、膜電位波動[3]等關鍵特征，做到疾病的早期診斷。除此之外，AIE線粒體靶向熒光探針在藥物篩選和治療監測方面也展現出巨大潛力。通過觀察線粒體的狀態變化，研究人員可以評估藥物對細胞能量代謝和線粒體功能的影響，從而篩選出具有潛在治療效果的藥物。溶酶體作為細胞的“廢物處理中心”，負責細胞內廢棄物和老化細胞器的分解與消化，利用AIE溶酶體探針可以使其結構在細胞內得以清晰呈現。通過結合不同顏色的AIE熒光染料，研究人員可以同時標記線粒體和溶酶體，并利用熒光顯微鏡觀察它們之間的融合過程[4]。

值得注意的是，隨著醫學的發展進步，細胞器熒光探針的應用已不僅限于人體活細胞的成像，研究人員正不斷為其賦予新的用途，使其與傳統醫學影像技術形成互補，并在疾病的診斷和治療中發揮不可或缺的作用。例如，有研究表明，核酸染料可以用于血細胞分析用染色液的開發，細胞線粒體熒光探針也可以用于精子線粒體染色。

病原體的“驗鈔機”——AIE微生物成像探針

微生物遍布于我們的環境，其中許多微生物在人體內形成微生態系統的一部分。在這個微生態系統中，一些微生物可看作是人體的“共生伴侶”，例如正常生理狀態下存在的微生物菌群。這些微生物在協助人體消化食物和合成所需營養物質方面發揮著重要作用。然而，也存在一些可被視為“寄生異客”的微生物，如病毒和致病菌，它們在侵襲人體后可能引發多種疾病。為了維護人體健康，必須持續監測微生物的存在和狀態，以及時察覺并應對潛在問題。為實現這一目標，需要一種能夠高效“審視”微小微生物的高分辨顯微技術，而AIE技術就是其中之一。

在臨床診斷、藥物開發、食品加工和環境科學等多個領域，快速檢測細菌具有重要的實用價值。相較于傳統的細菌檢測和鑒定方法，如標準平板計數法、PCR和高分辨率顯微鏡，基于熒光的方法提供了一種更為簡便的途徑，實現了直接的實時細菌檢測和鑒定。而實現這種技術的關鍵在于開發具有高靈敏度和特異性的熒光染料。多項研究表明[6]，使用帶正電的AIE熒光染料可以輕松實現對細菌的熒光檢測。然而，熒光染料上過多的正電荷可能引起細菌狀態的嚴重改變，同時，基于靜電吸附的熒光標記會對所有微生物進行染色，無法做到特異性，因此，基于另外一種原理的AIE材料——含有TPE核心的硼酸類化合物（TPE-2BA），被開發出來用于死活細菌的鑒別[7]。另外，除了單種細菌的檢測外，多個AIE材料還可以組合到一起形成陣列，一次性對多種細菌進行檢測[8]。

隨著人們對個體健康和環境安全越來越關注，AIE材料在輔助醫學診斷領域的應用正經歷著迅猛的發展。在這一領域，AIE材料大顯身手。基于AIE材料研發的革蘭氏熒光染色液，能夠通過熒光信號的差異迅速區分革蘭氏陽性菌和陰性菌。相較于傳統的革蘭氏染色法的四步法，AIE革蘭氏熒光染色液充分利用AIE材料的優勢，僅需一步便可獲得更為清晰的圖像。在此基礎上研發的微生物雙重熒光染色液，可對包含細胞、細菌、真菌等多種成分的復雜樣品進行熒光多色成像，并通過顏色和形態對不同組分進行快速區分。另外，AIE材料還可以與噬菌體進行有機結合，實現對大腸桿菌、結核桿菌、沙門菌、銅綠假單胞菌等的精準識別。

微生物檢測和鑒定是多個領域的一個重要課題，涉及人體健康、環境安全、食品質量等方面。不僅僅是檢驗，隨著人們對“多合一”材料需求的提升，AIE材料在微生物領域的應用還有很大的發展空間，如AIE熒光材料也能實現藥敏檢測、抗菌殺菌等多項功能，還可用于研究微生物的生理和代謝過程，如監測微生物的生長、分化、交流、感染等，從而揭示微生物的機制和規律，為微生物學和生命科學提供新的視角和方法。

腫瘤手術的“GPS”——AIE近紅外成像探針

腫瘤的成像在癌癥研究和臨床實踐中具有深遠的意義，它貫穿了患者治療的整個流程。早期，通過對腫瘤細胞和組織的高分辨成像，可以及早發現病變，從而采取更早期、更有效的治療手段，提高治療成功率，降低病死率。治療方案定制期間，通過深入了解腫瘤的類型、分級和分子特征，醫生可以制定更為精準的治療方案，選擇最適合患者的治療藥物，減少不必要的治療副作用。治療階段，醫生可以通過觀察腫瘤的大小、形態和代謝等變化，及時調整治療方案，確保患者得到最佳的治療。如果涉及手術治療，那么腫瘤的成像可用于導航和定位，幫助醫生更準確地切除腫瘤組織，最大限度地保留健康組織，降低手術風險。 治療后，成像還對治療效果的評估和患者預后起到關鍵作用，幫助醫生為患者規劃長期的治療和隨訪計劃。因此，腫瘤的成像可以說為癌癥的研究、診斷和治療提供了不可或缺的技術手段，而只有熒光成像技術能夠做到實時成像，為手術導航和治療監測提供及時信息。

腫瘤熒光成像的成功依賴于兩個核心要素：一是熒光材料能夠精確地定位到腫瘤組織；二是這些材料產生的熒光信號足夠強烈，可以穿透深層組織。相較于目前廣泛應用的近紅外一區小分子熒光劑吲哚菁綠（ICG），近紅外二區的AIE材料不僅展現出更深的組織穿透能力，其獨特的“越聚集越亮”特性更使得AIE材料更適合納米化，它不僅優化了成像效果，還結合了高滲透長滯留效應（EPR 效應），實現了對腫瘤的精準靶向，此外，研發人員通過靈活調整包裹劑的種類和納米粒子尺寸，實現了血液滯留時間的調控。

納米工程的優勢不僅體現在納米制劑的制備上，更在于其多組分特性以及進一步加工后所能獲得的額外功能。以膀胱癌研究為例，AIE材料與化療藥物順鉑的結合形成了一種創新的多組分抗癌材料。這種材料不僅能被膀胱癌細胞高效吸收，而且在還原酶的作用下能夠釋放鉑（Ⅱ），從而確保化療的有效性。此外，結合近紅外熒光成像引導的光增強癌癥化療（PECC）技術，可以顯著提高膀胱癌對順鉑化療的敏感性，同時減少副作用[10]。除此之外，通過對納米制劑進行表面修飾，可以賦予其新的特性。例如對納米粒子進行蛋白修飾，在利用EPR效應實現腫瘤富集的同時，進一步通過表面蛋白修飾，如添加腫瘤特異性的靶向蛋白，顯著提升了納米粒子的腫瘤靶向性。

AIE近紅外成像材料更大的應用價值在術中監測。對于外科醫生而言，外科手術往往如同是在黑暗環境中進行的精細修復工作，任何疏忽都可能造成不可逆的損傷，這通常需要主刀醫生具備豐富的臨床經驗。AIE分子探針能夠在術中實時標記癌細胞，通過熒光信號的引導，醫生能夠迅速且清晰地識別出病灶部位與正常組織的界限[11]。這種技術為外科手術提供了“地圖”般的指引，顯著減少了盲目操作的風險。此外，熒光影像技術還能對手術過程進行實時成像，幫助醫生精準判斷需要進一步加強處理的區域，從而避免了患者的不必要多次創傷。可以說，AIE近紅外成像材料的引入，大幅降低了手術對醫生經驗的要求，不僅提高了外科手術的精準度和速度，還極大地增強了手術的安全性，為現代醫學的發展帶來了革命性的進步。

小分子“探測儀”——AIE小分子探針

小分子是指分子量較小的有機或無機化合物，如金屬離子、體內的活性分子等。這些小分子在生物體內起著重要的作用，如調節細胞的生長、分化和凋亡，參與代謝和信號傳導等。除了影響人體健康外，一些有危害的小分子如爆炸物、劇毒性物質，也對公共安全產生了很大威脅。對這些小分子的常規檢測方法——液相和氣相色譜法、質譜法，通常需要昂貴的儀器。而最近幾十年來，分析化學領域取得了巨大進展，不僅能夠使用先進的儀器進行高靈敏度的化學分析，還涌現了許多新型的小分子“探針”以實現低成本的檢測。其中，AIE材料形成的聚集態具有高靈敏度和選擇性，為便捷的現場檢測提供了新的可能性。

AIE材料可以檢測的小分子種類繁多[12]，針對生物體內的小分子，其檢測方式可以分為兩種：對血液、尿液等生物樣本，可以進行體外檢測；基于熒光的非侵入性特點，在細胞、組織、器官甚至整個生物體內進行體內檢測，這種原位的小分子檢測更具有生物學意義。AIE材料大多數可以進行第二類檢測，比如一些炎癥探針——H2O2探針，可以在細胞水平上對環境中的過氧化氫進行監測。而針對生物體外的小分子，則可以在溶液或者氣體環境中進行檢測（上述第一種方式），如檢測飲用水中包括重金屬在內的污染物等。此外，還可以將AIE材料制成檢測紙狀的材料用于檢測氣態的污染物，如腐敗食物散發的胺類物質等。

小分子檢測是分析化學領域的一個重要課題，涉及生物醫學、環境科學、公共安全等多個領域。小分子的檢測方法有很多，但是傳統的儀器分析方法往往需要高昂的成本、復雜的操作和長時間的等待。為了實現快速、靈敏、簡便和低成本的小分子檢測，近年來出現了許多基于熒光的小分子探針，其中AIE材料因具有高效的熒光發射、良好的生物相容性和多樣的功能化方式，成為一種非常有前景的小分子檢測平臺。雖然AIE材料在小分子檢測方面的應用已經取得了一些重要成果，但是仍然存在一些挑戰和問題，例如，提高探針的穩定性和特異性、降低探針的毒性和干擾、擴大探針的檢測范圍和靈敏度，以及實現探針的可視化和信號放大等。這些問題需要進一步的研究和探索，以期開發出更加高效和智能的AIE材料，為小分子檢測提供更多的可能。

未來展望

自2001年唐本忠教授及其研究團隊首次揭示AIE材料以來，這類材料憑借其異常的光學特性和廣泛的應用前景，在材料科學、生物醫學成像、光電子學等多個學科領域引發了濃厚的研究興趣。傳統染料在稀溶液中展現出較強的熒光，卻在聚集態時遭遇熒光猝滅，而AIE材料則在聚集形態下展現出顯著的熒光增強，這一獨特性質極大地增強了其在生物醫學成像領域的應用價值。在過去20多年的發展中，AIE材料逐漸被科學研究者所接受，并應用于基礎及臨床研究，并在細胞器成像、微生物檢測及抗菌材料開發、腫瘤細胞檢測及消融、小分子檢測等領域取得了一系列成果。

未來，AIE材料有望在醫學診斷、生物醫學研究和環境監測等領域發揮更為重要的作用。AIE材料的獨特熒光特性為生物醫學領域提供了創新的技術手段，支持精準醫療、疾病早期診斷和治療，同時在環境監測和生物分析等領域也有廣泛應用。然而，要充分發揮AIE的優勢，科學家們需要不斷探索與優化，包括精準控制AIE探針進入特定的細胞/組織區域，提高材料的生物相容性，設計更多特異性探針以監測更多生物過程，以及克服多靶標成像的技術難題，等等。這些挑戰的解決不僅需要材料學科的努力，更是需要與其他學科如生物學、醫學、化學、物理科學等的交叉和融合，以實現更高效、更安全的生物醫學應用。

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關鍵詞：聚集誘導發光 細胞成像 微生物成像 近紅外成像小分子探針 ■