聚集诱导发光（AIE）材料助力双光子荧光成像新发展
2025-06-03 来源:本站 点击次数:191在生物医学领域，成像技术一直是探索生命奥秘的前沿工具。随着科技的不断进步，成像技术已不再局限于宏观层面，而是深入到细胞和分子层面，为疾病诊断与治疗提供有力支持。双光子荧光成像，凭借其卓越的组织穿透能力、超高的分辨率以及对样品的低光损伤等优势，迅速成为生物医学成像研究的热点。而荧光材料作为成像技术的核心，其性能直接决定了成像效果。传统的有机荧光材料在高浓度下容易发生聚集荧光猝灭，且抗光漂白能力有限。幸运的是，聚集诱导发光（AIE）材料的出现，为双光子荧光成像带来了新的曙光。AIE材料以其独特的光物理性质，在高浓度或聚集状态下展现出明亮的荧光和优异的抗光漂白能力，为生物医学成像领域带来了重大突破。
研究背景与技术挑战
传统成像技术的局限性
生命活动的复杂性决定了生物体内存在多种离子、小生物分子、生物大分子等成分。这些成分在维持细胞正常生理功能、传递信号以及参与疾病进程等方面扮演关键角色。荧光成像技术通过特定的荧光材料与目标分子结合，实现对这些生物成分的可视化检测。然而，传统的单光子荧光成像技术在组织深层成像时存在诸多限制，如穿透深度浅、背景信号干扰强等。
双光子荧光成像技术应运而生，利用近红外光激发，能够在样品内部焦点位置产生荧光信号，从而实现深组织穿透和超高分辨率成像。尽管双光子成像具有诸多优势，但对荧光材料的要求也更为苛刻。一方面，双光子成像过程中使用的激光能量较强，传统的有机荧光材料在强光照射下容易发生光漂白现象，导致信号衰减，影响成像质量；另一方面，为了获得足够的信号强度，需要较高浓度的荧光材料，而高浓度下传统的有机荧光材料容易发生聚集，进而导致荧光猝灭。此外，传统的有机荧光材料在生物体内容易被代谢排出，难以实现长期动态追踪。
技术创新与应用
AIE材料的独特优势
AIE材料是一类具有独特光物理性质的新型荧光材料。其核心机制在于限制分子内运动（RIM）。在单分子状态下，AIE材料的分子内运动较为自由，导致荧光较弱；而在聚集态或固态时，分子内运动受到限制，激发态能量以荧光形式释放，从而展现出明亮的荧光。这一特性使得AIE材料在高浓度或聚集状态下依然能够保持强发光性能，并且具有优异的抗光漂白能力。在生物体内，AIE材料通常以纳米聚集体的形式存在，难以被生物体快速代谢排出，为长期动态追踪提供了可能。
AIE材料在荧光检测领域的应用前景广阔。通过设计基于AIE材料的探针，可以实现对多种生物分子和离子的高灵敏度、高选择性检测，此外，还有基于AIE材料的探针用于检测生物分子。这些探针在双光子激发下能够快速响应目标分子，并具有较低的检测限，为生物医学分析提供有力工具。
细胞成像应用
AIE材料在细胞成像领域同样表现出色，能够实现对多种细胞器的特异性成像。通过简单的化学修饰，AIE材料可以靶向细胞内的内质网、线粒体、溶酶体等细胞器，实现对这些细胞器的精确成像。例此外，AIE材料还被用于线粒体成像，通过带正电荷的AIE材料与线粒体的静电相互作用，实现了对线粒体的特异性染色，并在活细胞中实现了长期稳定的成像。
组织成像应用
AIE材料在组织成像方面的优势更为显著。它们能够快速、特异性地标记活细胞和活体组织中的脂滴，即使在超低浓度下也能实现这一目标。例如，Tang和Yu团队合成了一组基于AIE的荧光探针，这些探针在50纳米浓度下能够快速标记活细胞中的脂滴，这是目前报道的脂滴标记最低浓度。这些探针还被成功用于活体小鼠肝组织中脂滴的双光子成像，成像深度达到70微米。此外，AIE材料还被用于深组织成像，如在活体小鼠肝组织中，基于AIE的点在双光子激发下实现了超过200微米的深组织成像，而单光子成像的深度不足100微米。
活体血管成像应用
AIE材料在活体血管成像中的应用为研究肿瘤血管和脑血管等复杂血管系统提供了新的视角。肿瘤血管在肿瘤的生长和转移过程中起着关键作用，其结构和功能通常存在异常。利用AIE材料的双光子荧光成像技术，可以清晰地识别和监测肿瘤血管的结构、形态以及正常化过程。例如，基于化合物的近红外AIE点展现出高量子产率（19±1%）和超大的双光子吸收截面。在双光子近红外二区激发下，小鼠脑血管被清楚成像，成像深度达到924微米。同时，该材料成功实现了对肿瘤血管与正常血管的区分，并在双光子近红外二区激发下实现了对深层肿瘤血管网络的无创实时成像，成像深度达到670微米，信号背景比约为120。
成像实验与结果分析
荧光强度与信号稳定性
AIE材料在双光子激发下能够产生明亮且稳定的荧光信号，这得益于其独特的AIE特性和抗光漂白能力。在实验中，基于AIE材料的探针在长时间的激光照射下仍能保持较高的荧光强度，而传统的有机荧光材料则会出现明显的光漂白现象，信号强度逐渐减弱。这种稳定的信号输出为长时间的成像实验提供了可靠保障，使得研究人员能够更准确地观察生物过程的动态变化。
成像分辨率与深度
从成像分辨率和深度来看，AIE材料在高浓度或聚集状态下依然能够保持良好的发光性能，使得成像设备能够获取到更深层次组织的清晰图像。例如，在对小鼠脑血管的成像实验中，基于AIE材料的探针在双光子近红外二区激发下，实现了924微米的超深成像深度，而传统的单光子成像技术通常只能达到100微米左右的深度。这种深成像能力为研究大脑深部区域的血管结构和功能提供了前所未有的机会，有助于揭示神经退行性疾病等复杂疾病的病理机制。
在生物相容性和代谢行为方面，AIE材料展现出了显著的优势。实验结果表明，AIE材料在生物体内具有良好的稳定性和生物相容性，不会引起明显的免疫反应或其他不良生理效应。此外，由于AIE材料在生物体内难以被快速代谢排出，其能够在较长时间内保持成像效果，为动态追踪生物过程提供了可能。例如，在对肿瘤血管的长期监测实验中，基于AIE材料的探针能够在数天甚至数周内持续提供清晰的血管图像，有助于研究人员观察肿瘤血管在治疗过程中的动态变化。
多模态成像融合
AIE材料还具备与其他成像技术融合的潜力，实现多模态成像。例如，通过将AIE材料与磁共振成像（MRI）对比剂相结合，可以同时获得高分辨率的荧光图像和深层次的MRI图像，从而更全面地了解生物组织的结构和功能。这种多模态成像技术的融合为疾病的早期诊断和精准治疗提供了更强大的工具，能够满足临床实践中对成像技术的多样化需求。
总结与展望
AIE材料凭借其独特的光物理性质，在双光子荧光成像领域展现出巨大的应用潜力。从荧光检测到细胞成像、组织成像以及活体血管成像，AIE材料的应用范围不断扩大，为生物医学研究提供了丰富而精准的成像工具。然而，尽管取得了一系列突破性进展，AIE材料在双光子生物成像领域仍面临诸多挑战。未来，AIE材料的研究方向将更加多元化。一方面，科研人员需要进一步拓展AIE材料的检测范围，将其应用于DNA、蛋白质、酶等生物大分子以及手性分子的检测。这将为生物医学研究提供更全面的检测手段，有助于揭示更多生命活动的奥秘。另一方面，针对特定细胞器的AIE材料研发也将成为重点。通过与特定细胞器靶向肽的结合，实现对高尔基体、细胞核、核仁等重要细胞器的精准成像。同时，考虑到神经细胞中细胞器的特殊性，开发适用于神经细胞的细胞器靶向AIE材料将具有重要意义，有助于深入研究神经系统疾病的发生机制。
论文信息
声明：本文仅用作学术目的。
Lu Q, Wu CJ, Liu Z, Niu G, Yu X. Fluorescent AIE-Active Materials for Two-Photon Bioimaging Applications. Front Chem. 2020 Dec 14;8:617463.
DOI:10.3389/fchem.2020.617463.