传统的光学成像，特别是荧光成像，难以避免在实时光激发下产生的生物组织自发荧光所带来的显著背景噪音，这往往意味着信号采集时的低灵敏度和低信号-噪音比。为解决这一成像问题，延迟光子发射成像策略得以开发并发展。延迟光子发射将能量激发与信号采集的时间窗口错开，只采集移除激发源后的延迟光信号，从而在信号采集过程中最大限度地减少背景噪音。这种成像策略依赖于分子探针在吸收激发能量后进入光子释放动力学缓慢的状态以实现延迟光子发射，阐明激光、X-射线、超声等各种能量源激发下的能量转化机理和具有延迟光子发射潜力的光物理或光化学机理对于这类分子探针的设计和发展尤为重要。
近日，南京大学化学化工学院甄叙、蒋锡群研究团队基于激光、X-射线、超声等多种能量源激发机理和受激后有机分子探针经历的不同光物理/光化学过程综述了延迟光子发射有机分子探针的最新进展，讨论了不同延迟发光机制的机理、分子设计策略以及体内成像应用，并对延迟光子发射有机分子探针的未来发展展开了讨论。延迟光子发射有机分子探针的延迟发射行为可以发生于分子探针受激后的各个光物理和光化学状态，在有机分子体系中可以分为三种机制：(1) 电荷分离和重组，利用电荷迁移与电荷扩散过程实现电荷分离，分离的电荷缓慢重组产生延迟，电荷重组为激发态复合物产生激子发射。
图1. 通过电荷分离和重组实现延迟光子发射的机理示意图(2) 三重态激子的产生、稳定和转换，利用能量态之间的交叉和势阱中额外的稳定能量来延长三线态激子寿命，从而获得长时程的延迟荧光或磷光发射。
图2. 利用三重态激子的产生、稳定和转换实现延迟光子发射的机理示意图(3) 化学阱的产生和分解，将激发能转化为化学能，产生亚稳态中间体以存储能量，引入稳定基团调控中间体裂解动力学产生延迟，化学裂解过程中缓慢产生的激发态物种实现光子发射。
图3. 利用化学阱的产生和分解实现延迟光子发射机理作者进一步归纳了利用上述三种机制设计的延迟发光的有机分子探针的策略，以及体内高信噪比成像的应用。2.X射线/超声能量激活助力深层穿透的延迟光发射成像光学成像的另一个挑战是光的组织穿透深度有限，这严重限制了激活分子探针时的能量输入效率，导致延迟光子发射的穿透深度降低。相比之下，X射线和超声波作为深层组织能量源，促进高能光子或机械波转化为激子的势能或中间体的化学能，这种成像策略已被证明在生物成像中具有良好的可行性。(1) X射线由波长极短的高能光子组成，可以穿透原子间隔。因此，X射线本质上能够有效地将能量传递到组织深处的目标区域，增强延迟发射的能量储存。为了利用X射线激活，对X射线吸收和能量转换的理解对于指导延迟光子发射探针的分子设计至关重要。值得注意的是，X射线的能量通常太高，价层电子无法吸收。虽然康普顿散射可以产生一小部分高能电子，但只有位于深势阱中的内部电子可以通过光电效应被X射线激发并随后电离逃逸。这个激活过程产生电子-空穴对，并通过俄歇衰变或分子间库仑衰变级联引发二次电子。这些二次电子随后经历电荷分离、电荷扩散和电荷重组过程以激活分子探针。
(2) 与光或X射线激活下直接产生激子或分离电荷不同，超声的能量转换很大程度上依赖于传输介质。这种能量转化在水介质中可以表现为声致发光，这是一种声场中气泡空化过程中产生等离子体引发的发光现象。在不同声压下，由声场诱导的微气泡经历周期性膨胀，随后剧烈坍缩。一旦坍缩的气泡达到超音速，微区内的冲击波就会在气泡的核心处汇聚，导致快速压缩。这种压缩将气体加热到高温，形成等离子体进行光子发射。虽然这种声致发光亮度低、持续时间短，在直接成像应用中受到很大限制，但空化过程能够激发附近的声敏剂产生活性氧物种，将超声波的机械能以化学能的形式储存起来。超声波的另一种能量转换策略是与机械力响应材料相互作用，以诱导活性氧物质的产生，通常采用声介导的压电刺激。高频超声可以在压电材料中诱导极化，产生内源电场，将电子和空穴分离，从而将超声波的机械能转化为势能。分离的电荷聚集在材料表面，并在水溶液中与周围物质发生氧化和还原反应，产生活性氧物种。这个转换过程有效地将机械能转化为化学能。
基于X射线和超声激活分子探针的能量转化机理，作者进一步归纳了X射线和超声激活的延迟发光分子探针的设计策略，并介绍了利用这两种深层能量源所激活延迟光子发射的体内成像应用。
该论文以“Light/X-ray/ultrasound activated delayed photon emission of organic molecular probes for optical imaging: mechanisms, design strategies, and biomedical applications”为题发表在Chemical Society Reviews期刊上，并入选2024 Emerging Investigators专辑。南京大学化学化工学院博士生瞿锐为本文第一作者，甄叙研究员、蒋锡群教授为本文共同通讯作者。本研究工作得到国家重点研发计划，国家自然科学基金，中央高校基本科研基金等项目资助。
原文链接：
https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2024/CS/D4CS00599F
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