综述：用于体内和体外检测活性物质及生物分子的化学发光成像探针

《Talanta》：Chemiluminescence imaging probes for the detection of reactive species and biomolecules in vivo and in vitro

化学发光成像（CL）在生物分析和疾病诊断中广泛应用，通过检测化学反应产生的光信号实现高灵敏度检测。本文系统综述了CL成像的三大系统（鲁米诺、过氧草酸酯、1,2-二氧六环），CL增强剂的制备与优势（有机分子、纳米颗粒、量子点等），近红外红移策略提升灵敏度和穿透力，以及生物正交化学和CRISPR技术增强特异性。研究指出CL成像在氧化应激监测、H2O2检测、疾病治疗等领域潜力显著，但仍需解决低波长信号穿透浅和背景干扰问题。

　　化学发光（Chemiluminescence, CL）成像技术近年来受到了广泛关注，并在生物分析和疾病诊断等领域得到了广泛应用。该技术通过检测和分析生物分子、细胞及组织所发出的光信号的强度与分布，实现了对目标物质的高灵敏度检测。CL成像不仅在生物医学研究中具有重要的应用价值，还广泛用于氧化应激监测、活性氧检测、蛋白质分析以及体内和体外成像等多个方面。随着科学技术的不断进步，CL成像技术在实际应用中展现出越来越多的潜力，为生物医学研究提供了强有力的支持。

CL成像的核心优势在于其无需外部光源激发的特性。相比于荧光成像技术，CL成像避免了因光漂白和背景噪声而导致的信号损失，从而显著提高了成像的信噪比和灵敏度。这种技术特性使其在复杂生物环境中仍能保持较高的检测性能，能够用于多种关键分析物的检测，包括氢过氧化物（H?O?）、单线态氧（1O?）、超氧阴离子（·O??）、过氧亚硝基阴离子（ONOO?）、次氯酸（HClO）、硫化氢（H?S）等。这些分析物在生物体内的动态变化对于理解生理和病理过程至关重要，因此，CL成像技术在生物医学研究中的重要性日益凸显。

尽管CL成像技术具有诸多优势，但在实际应用中仍然面临一些挑战。其中，低灵敏度是CL成像技术的主要问题之一。传统有机小分子CL探针所发射的光波长主要集中在400-500 nm范围内，而这一波长范围的光子在生物组织中容易发生严重的散射和吸收，导致体内成像的穿透深度受到限制，同时增加了成像背景干扰。这种背景干扰不仅影响了成像的清晰度，还可能降低检测的准确性。因此，为了提升CL成像技术的性能，研究人员正在积极开发新型CL探针，以增强其灵敏度和特异性。

为了解决上述问题，科学家们采用了多种策略来优化CL系统。例如，通过分子设计和化学修饰，可以调整CL分子的激发态能量水平，从而实现发射波长的红移。红移意味着发射的光波长更长，能够更好地穿透生物组织，减少光子散射和吸收的影响，从而提高体内成像的深度和质量。此外，通过引入电子供体/受体基团，或者调控分子内能量转移路径，也可以进一步增强CL信号的强度和稳定性。这些策略的应用使得CL技术在生物医学领域的应用范围不断拓展，尤其是在体内成像方面，红移探针的出现为实现更精确、更高效的检测提供了新的可能。

在生物医学研究中，CL成像技术的另一个重要发展方向是提高其选择性。为了实现这一点，研究人员引入了两种强大的工具：生物正交化学和CRISPR技术。生物正交化学能够在生理条件下实现分子级别的精确转化，包括生物正交还原、解笼和脱保护等过程。这些方法能够帮助研究人员在复杂的生物环境中实现对特定分子的精准检测，减少非特异性信号的干扰。另一方面，CRISPR技术则具备识别和切割特定核酸序列的能力，具有极高的特异性。通过结合CRISPR技术，科学家们可以开发出具有高度特异性的基因编码CL探针，从而进一步提升CL成像技术在生物医学中的应用价值。

在CL成像技术的发展过程中，CL增强剂的设计和优化起到了关键作用。CL增强剂主要包括有机小分子、纳米颗粒（NPs）、碳纳米凝胶和量子点等。这些增强剂能够有效提高CL信号的强度，延长信号的持续时间，并改善信号的稳定性。其中，有机小分子增强剂通常通过调整分子结构或引入特定功能基团来实现对CL信号的增强。纳米颗粒则因其独特的光学性质和良好的生物相容性，被广泛应用于CL增强剂的设计中。碳纳米凝胶作为一种新型的增强材料，具有较高的比表面积和良好的导电性，能够有效促进CL反应的进行，提高信号的灵敏度。量子点则因其优异的光学性能和可调的发射波长，成为CL增强剂研究的热点之一。

随着CL成像技术的不断发展，其在生物医学领域的应用范围也在不断扩大。目前，研究人员已经开发出多种CL探针，用于检测不同的生物分子和化学物质。这些探针不仅在实验室研究中发挥了重要作用，还在临床诊断和治疗中展现出广阔的应用前景。例如，在氧化应激监测方面，CL成像技术能够实时检测体内活性氧的水平，为疾病的早期诊断和治疗提供重要依据。在疾病治疗中，CL成像技术也被用于监测药物的分布和代谢情况，评估治疗效果，并为个性化医疗提供支持。

此外，CL成像技术在体内和体外成像中的应用也取得了显著进展。在体内成像方面，研究人员通过优化CL系统和增强剂，实现了对生物组织的高灵敏度成像。这使得CL技术在肿瘤监测、炎症反应研究和神经系统疾病诊断等方面得到了广泛应用。而在体外成像中，CL技术则被用于细胞和组织的实时监测，为生物研究提供了重要的工具。例如，在细胞培养和组织工程研究中，CL成像技术能够帮助研究人员观察细胞的动态变化，评估细胞活性和功能状态。

尽管CL成像技术在生物医学领域展现出巨大的潜力，但在实际应用中仍然存在一些挑战。例如，CL信号的强度和稳定性在复杂生物环境中可能会受到影响，导致检测结果的不准确。此外，CL成像的穿透深度和分辨率仍然需要进一步提高，以满足更深层次的生物组织成像需求。为了克服这些限制，研究人员正在探索新的CL增强剂和探针设计策略，以提升CL成像的性能。例如，通过引入具有高发光效率的材料，或者优化CL反应的条件，可以进一步增强CL信号的强度和稳定性。

在未来的CL成像研究中，科学家们还将关注如何提高技术的特异性。生物正交化学和CRISPR技术的结合，使得CL成像能够实现对特定分子或细胞的精准检测。这种特异性不仅提高了检测的准确性，还为CL技术在疾病诊断和治疗中的应用提供了新的可能性。例如，在肿瘤诊断中，CL成像技术可以用于检测肿瘤微环境中的特定分子，为疾病的早期发现和精准治疗提供支持。而在神经系统疾病研究中，CL成像技术则能够用于监测神经元活动和神经信号传递，为神经科学研究提供新的工具。

综上所述，CL成像技术作为一种高灵敏度、非侵入性的检测手段，正在不断推动生物医学研究的发展。通过优化CL系统、设计新型CL增强剂以及提高技术的特异性，研究人员能够进一步提升CL成像的性能，使其在疾病诊断、生物分析和治疗监测等方面发挥更大的作用。随着科学技术的进步，CL成像技术有望在未来成为生物医学研究的重要工具，为人类健康事业做出更大的贡献。