活體光學(xué)成像技術(shù)能夠洞察復(fù)雜的生理與病理過(guò)程，是生物醫(yī)學(xué)研究的核心利器。然而，由于缺乏有效的分子傳感探針，在1500 nm以上這一兼具深穿透與低背景優(yōu)勢(shì)的“黃金窗口”，長(zhǎng)期以來(lái)的應(yīng)用潛力被嚴(yán)重限制。針對(duì)這一關(guān)鍵瓶頸，本研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了一種“電子對(duì)稱性調(diào)控發(fā)射”（Electronic-Symmetry-Tuned Emission, ESTE）機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了1500 nm以上的基于單分子配合物的比率型活體動(dòng)態(tài)化學(xué)傳感。
研究團(tuán)隊(duì)首先合成了單官能團(tuán)化的鉺(III)-酞菁配合物，并發(fā)現(xiàn)外圍取代基的電子效應(yīng)會(huì)打破分子原本的對(duì)稱性結(jié)構(gòu)。這種分子層面的“對(duì)稱性破壞”并未削弱鉺離子的1530 nm近紅外發(fā)光，而是精準(zhǔn)重塑了配體的軌道分布，從而靈活調(diào)控了配合物的激發(fā)光譜。由于酞菁配體通過(guò)高效的三線態(tài)能量轉(zhuǎn)移（天線效應(yīng)）敏化中心鉺離子，因此在保持明亮1530 nm發(fā)光的同時(shí)，激發(fā)波長(zhǎng)展現(xiàn)出高度的可調(diào)性（從680 nm到705 nm）。這一創(chuàng)新設(shè)計(jì)使得研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了雙激發(fā)比率型信號(hào)模式，通過(guò)監(jiān)測(cè)兩個(gè)激發(fā)波長(zhǎng)下1530 nm發(fā)射強(qiáng)度的比值，即可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立于探針濃度的高精度定量檢測(cè)，為活體動(dòng)態(tài)成像提供了核心工具。
圖1 . (a) 雙激發(fā)動(dòng)態(tài)成像裝置示意圖。
(b) 使用EP2微膠粒的胃部成像方案示意圖。圖示為小鼠胃的解剖結(jié)構(gòu)。
（c）動(dòng)態(tài)強(qiáng)度（F705Ex）)以及小鼠胃部的比率成像（F690Ex/F705Ex）。
（d）喂食后小鼠胃部的橫斷面pH分布。
（e）幽門運(yùn)輸動(dòng)力學(xué)。
利用該策略，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了pH響應(yīng)探針（EP2）并封裝至膠束中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)小鼠胃部動(dòng)態(tài)生理過(guò)程的實(shí)時(shí)成像。針對(duì)胃部復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)（前胃、腺胃、幽門），傳統(tǒng)光強(qiáng)成像受限于探針?lè)植疾痪?，難以準(zhǔn)確定量。而比率型NIR-II-L熒光成像成功揭示了進(jìn)食小鼠胃內(nèi)明顯的pH空間梯度，幽門區(qū)域酸性顯著高于前胃。
相比傳統(tǒng)需要長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天的侵入性檢測(cè)，這種非侵入性的實(shí)時(shí)成像方案極大提高了對(duì)消化道生理規(guī)律的解析能力。探針能夠在注射后10秒內(nèi)對(duì)局部Cu(II)濃度變化產(chǎn)生快速熒光響應(yīng)，并在約150秒內(nèi)清晰呈現(xiàn)出Cu(II)在腹腔內(nèi)呈扇狀擴(kuò)散的動(dòng)態(tài)過(guò)程。
得益于1530 nm極低的組織背景干擾，研究團(tuán)隊(duì)清晰地分辨了小鼠腸道的復(fù)雜解剖輪廓，并成功記錄到腸道的蠕動(dòng)規(guī)律（頻率為0.46 Hz）。這不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)金屬離子的動(dòng)態(tài)追蹤，更為非侵入性地評(píng)估腸蠕動(dòng)等生理力學(xué)功能提供了嶄新的可視化手段。
本研究所提出的“電子對(duì)稱性調(diào)控”策略，無(wú)需依賴復(fù)雜的納米組裝或高功率激發(fā)，僅通過(guò)分子層面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)便可實(shí)現(xiàn)激發(fā)譜的精準(zhǔn)調(diào)控，為深組織傳感提供了普適性的探針設(shè)計(jì)思路。這一基于單分子配合物的新型傳感平臺(tái)，有望在腫瘤微環(huán)境分析、神經(jīng)遞質(zhì)監(jiān)測(cè)、以及藥代動(dòng)力學(xué)評(píng)估等前沿領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為未來(lái)高分辨率、非侵入性活體分子診斷開(kāi)辟了新道路。
圖2. (a) EP5的Cu(II)-響應(yīng)機(jī)制。
(b) EP5和EP5-Cu的歸一化激發(fā)光譜。
(c) 在690 nm和700 nm激發(fā)下，依賴Cu(II)的歸一化發(fā)射光譜。EP5：5 μM。
(d) 對(duì)Cu(II)（0-2 μM）的線性激發(fā)比值響應(yīng)。
(e) 上圖：使用EP5微膠粒進(jìn)行Cu(II)傳感協(xié)議的示意圖；下圖：小鼠腹腔內(nèi)Cu(II)擴(kuò)散的動(dòng)態(tài)比值成像。
(f) ROI1和ROI2處Cu(II)的動(dòng)力學(xué)。
(g) 腸道運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)。
參考文獻(xiàn)：
B. Wu, L. Zhang, K. Yan, M. Mei, W. Wu, Z. He, S. Wang, F. Zhang, Electronic-symmetry-tuned emission beyond 1500 nm in erbium(III)-phthalocyanine complexes for high-resolution in vivo biosensing. J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 44185–44190. https://doi.org/10.1021/jacs.5c13688
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