综述：化学发光与聚集诱导近红外发射的融合：开启先进荧光成像的奇妙世界

《Coordination Chemistry Reviews》：As chemiluminescence meets with aggregation-induced near-infrared emission: opening a wonderland for advanced fluorescence imaging

本综述系统阐述了化学发光（CL）与聚集诱导发射发光基团（AIEgens）在近红外（NIR）成像领域的创新融合。文章重点介绍了基于不同底物（如二氧杂环丁烷、过氧草酸盐、鲁米诺衍生物）的AIE增强型NIR-CL系统设计原理、发光机制及其在生物成像与诊疗一体化（Theranostics）中的前沿应用。该策略巧妙结合了CL无需实时激发（避免组织自发荧光、光散射）和AIEgens高亮度、大斯托克斯位移、聚集发光等优势，显著提升了活体成像的灵敏度、信背比（SBR）和组织穿透深度，为精准医学提供了强大工具。

　　

化学发光与聚集诱导近红外发射的融合：开启先进荧光成像的奇妙世界

引言

光学成像技术的飞速发展为生命科学研究带来了革命性的变革。其中，化学发光（CL）成像作为一种不依赖外部激发光源的技术，通过化学反应过程中的化学激发产生发光，从而避免了组织自发荧光、光散射和光漂白等问题，具有灵敏度高、信背比（SBR）优异、组织穿透能力强和背景干扰极小等独特优势，成为分子生物学、肿瘤学和生物医学研究中的重要工具。

然而，传统的化学发光底物，如鲁米诺、过氧草酸盐和1,2-二氧杂环丁烷，其发射光谱通常位于可见光区，受组织散射和自发荧光的影响，限制了其在生物应用中的效果。将化学发光光谱红移至近红外区（NIR，650–1700 nm），特别是近红外一区（NIR-I, 650–900 nm）和近红外二区（NIR-II, 900–1700 nm），可以显著提高活体病变可视化的灵敏度、SBR和组织穿透深度。

当前的研究策略主要集中在两个方面：一是放大化学发光的亮度，二是系统性地红移发射波长。传统方法通常将高效、长波长荧光团与化学发光骨架共价连接，或通过共组装体系利用化学发光共振能量转移（CRET）或荧光共振能量转移（FRET）来优化亮度。但这些体系面临一个固有难题：需要在保证足够荧光团负载量的同时，避免因π-π堆积导致的荧光猝灭（Aggregation-Caused Quenching, ACQ）。这种平衡往往导致染料浓度受限，从而造成发光强度减弱和成像对比度不佳。

聚集诱导发射发光基团（AIEgens）的出现为解决这一难题提供了全新思路。与传统的平面荧光分子在聚集状态下发生ACQ不同，AIEgens在分子分散状态下发光微弱，但在聚集状态下，由于其分子内运动受到限制，辐射衰变通道被促进，非辐射能量损失被抑制，从而表现出显著增强的发光。AIEgens允许高浓度负载而不发生发光猝灭，并能提供高发光效率、优异的光稳定性和大的斯托克斯位移，使其成为生物成像的理想选择。近年来，具有精确可调光学性质的近红外AIEgens的开发取得了突破性进展，为构建近红外化学发光系统开辟了新途径。

将近红外AIEgens与化学发光系统整合，形成了一种突破性的策略，能够协同增强发光亮度并将发射光谱红移至生物组织友好的近红外窗口。目前主要有两种设计思路：一是共组装纳米平台，通过掺入近红外AIEgens实现从可见光到近红外的光谱移动，并利用AIEgens的特性突破传统染料发光效率的浓度限制；二是共价单分子系统，将近红外AIEgens直接共价连接到化学发光骨架上，形成一体化的近红外化学发光剂。这些AIEgen集成平台充分利用了化学发光和近红外AIEgens的互补优势，在无需外部激发的条件下实现聚集状态下的发射增强，从而获得低自发荧光干扰、高SBR、深组织穿透和最小光毒性，通过同时实现亮度放大和发射红移，解决了生物成像中长期存在的挑战。

AIEgen-鲁米诺基近红外化学发光

鲁米诺（5-氨基-2,3-二氢-1,4-酞嗪二酮）是一种经典的化学发光底物。在碱性条件下，存在氧化剂（如ClO^–或H₂O₂）时，鲁米诺被氧化生成激发态中间体3-氨基邻苯二甲酸根离子，该离子退激时产生蓝色化学发光。基于鲁米诺的探针具有灵敏度高、选择性好、水溶性佳和化学发光效率高等优点。

将AIEgens与鲁米诺系统结合，主要通过能量转移过程实现发射红移。例如，研究者构建了包含鲁米诺衍生物和近红外AIEgens的纳米颗粒。在H₂O₂存在下，鲁米诺单元发生化学发光反应，其产生的化学发光能量通过高效的CRET或FRET过程传递给邻近的AIEgens，从而激发AIEgens发出近红外光。由于AIEgens在纳米颗粒的聚集状态下发光增强，且能量转移效率高，使得整个体系的近红外化学发光信号得到显著放大。这类系统已被成功应用于检测肿瘤微环境中过表达的H₂O₂，实现了高对比度的肿瘤成像。

AIEgen-过氧草酸盐基近红外化学发光

过氧草酸盐类化学发光是另一类重要的体系，其反应通常涉及过氧草酸盐衍生物与H₂O₂反应生成高能中间体，该中间体再将能量转移给荧光团，使其激发发光。

在该体系中引入AIEgens同样展现出巨大潜力。通过设计含有过氧草酸盐基团和AIEgen的共价分子或纳米组装体，当遇到H₂O₂时，发生化学发光反应，产生的能量直接传递给分子内或组装体内的AIEgen单元，使其发射近红外光。AIEgens的聚集诱导发光特性使得体系在含水生物介质中（即聚集状态）能保持高效发光，克服了传统荧光团易ACQ的问题。这类探针在炎症、动脉粥样硬化等与H₂O₂水平升高相关的疾病模型中显示出优异的成像性能。

AIEgen-二氧杂环丁烷基近红外化学发光

1,2-二氧杂环丁烷类化合物是一类重要的化学发光底物，其在特定触发条件下（如酶解）发生断键反应，生成激发态的羰基化合物并发光。

通过将触发基团（如酶底物）与二氧杂环丁烷骨架以及近红外AIEgen进行巧妙的分子设计，可以构建出“智能”响应的近红外化学发光探针。当探针被特定生物靶点（如酶）激活后，二氧杂环丁烷结构发生分解产生化学发光，并通过分子内能量转移激发AIEgen发射近红外光。由于AIEgen在探针激活后可能发生聚集或环境变化，其发光进一步增强。这种设计实现了对特定生物标志物（如酶、pH）的高特异性、高灵敏度检测与成像，在疾病早期诊断方面具有广阔前景。

AIEgen-丙二腈类及其他化学发光系统

除了上述主流体系，一些其他类型的化学发光系统也与AIEgens相结合。例如，基于丙二腈衍生物的化学发光反应也被探索用于构建近红外发射平台。其设计原理类似，都是利用化学发光反应产生的能量来激发与之耦合的近红外AIEgens。

总结与展望

化学发光（CL）作为一种无需外部激发的光学现象，在生物医学成像中具有无与伦比的优势，包括可忽略的背景自发荧光、极高的灵敏度、优异的信噪比（SNR）、最小的光毒性和增强的组织穿透性。与紫外-可见光区的化学发光相比，近红外化学发光因其能提高深部组织的成像对比度而更适合活体成像。AIEgens的出现通过克服困扰传统荧光团的ACQ效应，革命性地推动了这一领域的发展。

尽管AIEgen增强的近红外化学发光系统取得了显著进展，但仍面临一些挑战和未来的发展方向：

1. 1.
   波长拓展：目前大多数系统的发射波长仍在NIR-I窗口，亟需开发发射波长进入NIR-II窗口（900–1700 nm）的新型AIEgen-CL系统，以期获得更深的组织穿透和更高的空间分辨率。
2. 2.
   效率提升：进一步提高化学发光的量子效率和能量转移效率是提升成像信号强度的关键。
3. 3.
   持续时间：延长化学发光的持续时间，有助于实现长时间、动态的生理过程监测。
4. 4.
   多重响应：开发能同时对多种生物标志物产生响应的高特异性、多色近红外化学发光探针，对于复杂疾病的精准诊断至关重要。
5. 5.
   生物安全性：深入评估这些新型探针的生物相容性、代谢途径和长期毒性，是推动其走向临床转化的前提。

通过持续优化AIEgens的光物理性质、创新化学发光体系的设计、以及深化对能量转移机制的理解，AIEgen增强的近红外化学发光技术有望在生命科学研究和临床精准医疗中发挥越来越重要的作用，为探索生命奥秘和攻克疾病提供更强大的成像工具。