苏州大学李盛亮团队IM综述：NIR-II三光子荧光成像有机探针：分子设计、应用和前景

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论文信息

摘要

三光子荧光(3PF)成像是一种新兴的非线性光学成像技术，具有穿透深度深、空间分辨率好、背景低、信噪比高等优点。近年来，3PF成像已被证明是一种无创可视化深层组织的有效成像技术。在本综述中，苏州大学李盛亮团队对3PF成像的基本原理和3PF生物成像的优点进行了介绍，并根据相关光学指标对有机3PF探针的分子设计进行了总结。此外，还详细列出了不同的3PF成像应用场景。最后，展望了有机探针用于3PF成像的主要挑战、探针开发的意义及前景，以促进有机3PF探针的未来应用和临床转化。

主要内容

背景介绍

多光子荧光成像是一种新型的非线性成像技术，通常使用近红外(NIR)激光器作为激发光源。在近红外二区(NIR-II, 1000-1700 nm)光激发下，可以将组织对光的散射量和组织的自身荧光减少到最小，从而得到令人满意的成像结果。3PF由三光子吸收(3PA)过程和3PF发射过程组成，3PA的非线性特性决定了3PF成像具更深的穿透深度、良好的空间分辨率、低背景和高信噪比的成像优势。通过测量光学指标可以比较不同材料的3PF能力。光学参数包括荧光探针的激发波长、三光子吸收截面(3PACS)和量子产率(QY)。通过分子工程技术，可以设计出具有长激发波长、大3PACS和高QY的高效荧光探针。

有机探针由于高生物可降解性和生物安全性而获得广泛关注。因此，各种有机探针，如有机小分子、有机金属配合物和共轭聚合物，已被广泛探索用于生物医学领域的3PF成像。经过几十年的研究和发现，许多有机3PF探针已成功应用于神经胶质细胞成像、脑血管成像、脂肪肝成像、动脉粥样硬化斑块成像、斑马鱼成像、核酸靶向成像、Zn(II)离子传感等领域。

在这篇综述中，我们旨在总结有机3PF探针以及有机探针在体外和体内深层组织3PF生物成像方面的最新进展(图1)。我们首先概述了3PF成像的原理。此外，还介绍了3PF生物成像的优点。讨论了3PF探针的光学指标和相应的分子设计。此外，我们通过总结分子的构效关系以及有机3PF探针用于各种成像应用的最新进展来描述现有的有机3PF探针。最后，提出了有机3PF探针当前面临的挑战和未来展望，以促进3PF成像的未来发展和临床转化。

图1 三光子荧光有机探针示意图。

3PF成像的基本介绍

3PF成像过程可分为3PA过程和3PF发射过程，其中3PA是典型的非线性光学过程（图2）。基于3PA的特性，3PF穿透深度深、空间分辨率优异、背景低和信噪比高。3PF脑血管成像技术的最新进展表明，有机3PF探针标记后的穿透深度约为2000 μm(图3)。

图2 1PF和3PF成像原理。

图3 报道的有机3PF探针用于不同深度的脑血管成像。

基于光学参数的分子设计

我们通过三个重要的光学指标确定3PF能力，即激发波长，3PACS和QY。为了获得更好的成像性能，研究人员致力于开发具有红移激发波长、大3PACS和高QY的新型荧光探针。我们基于这些光学指标讨论了有机3PF探针的分子设计策略。

有机3PF探针的应用

研究和总结现有有机3PF探针的结构特性对于推动未来有机3PF探针的发展具有重要意义。根据不同的结构特点，我们将最近开发的有机染料分为三类，如图4所示，并描述了这些有机3PF探针的最新应用，包括神经胶质细胞成像、脑血管成像、脂肪肝成像、动脉粥样硬化斑块成像、斑马鱼成像、核酸靶向成像和Zn(II)离子传感。

图4 有机3PF探针的化学结构。

总结和展望

近年来有机3PF探针确实取得了很大的进展，这一进展促进了3PF成像的发展和应用。我们对有机3PF探针的现状和未来展望进行了总结（图5）。目前，仍有许多问题和挑战迫切需要通过跨学科的方法来促进3PF的发展，包括化学、材料、纳米技术、生物工程和生物医学的整合。

图5 有机3PF探针的现状和未来展望。

期刊简介

Interdisciplinary Materials（交叉学科材料）是由Wiley出版集团与武汉理工大学联合创办的开放获取式高水平学术期刊。主编为张清杰院士和傅正义院士。30位国际杰出学者和45位两院院士作为期刊的编辑委员会委员。Interdisciplinary Materials 是国际上聚焦材料与其它学科交叉前沿发起出版的首本“交叉学科材料”领域高水平期刊，旨在发表材料学科与物理、化学、数学、力学、生物、能源、环境、信息等学科交叉研究的最新成果。

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