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为解决有机磷光材料多依赖紫外（UV）光激发，对生物体有危害且临床应用受限的问题，研究人员开展了白光激发有机室温磷光（RTP）用于生物成像的研究。结果表明，该材料成像效果好，能用于多种疾病成像诊断及手术导航，提升了其临床应用潜力。
在生物医学研究领域，光学成像技术凭借其非电离辐射、高时空分辨率和实时诊断等优势，在生物组织的可视化和检测中占据着越来越重要的地位。其中，磷光发射作为一种独特的光学现象，源于激子从三重激发态到基态的辐射跃迁，其发射寿命可达毫秒至秒级，这一特性有效克服了生物组织自发荧光导致的图像清晰度低的问题，为生物成像带来了新的希望。
早期，无机发光团，如含有重金属或稀土金属（像铬、铕、镝、镨等）的材料，常被用于肿瘤、血管成像以及体内细胞的靶向和追踪。然而，这些无机发光团存在着严重的缺陷。重金属离子潜在的泄漏风险，以及它们难以生物降解的特性，使得人们对其长期生物毒性的担忧始终无法消除。
有机磷光化合物则以其高生物相容性、低毒性和易于功能基团修饰等天然优势，逐渐成为生物组织诊断和治疗领域的研究热点。尽管有机材料不含重金属原子，但通过晶体工程、H - 聚集、聚合以及主客体掺杂等一系列策略，它们也能被赋予室温磷光特性，这极大地拓展了有机室温磷光材料的性能和种类。
不过，大部分有机室温磷光材料只能被短波长的紫外光激发，而紫外光会对生物组织造成相当大的损伤，这一限制严重阻碍了有机室温磷光材料在临床成像中的实际应用。虽然此前也有研究致力于开发新型有机磷光材料，比如 Wu 等人在水溶液中自组装有机纳米颗粒，Ma 等人和 Liu 等人通过超分子大环组装策略实现了水溶液中可见光或双光子激发的有机室温磷光，Li 等人成功构建了可被可见光激发的深红色余辉材料并用于体内成像，但这些研究仍存在不足。要么依赖严格的超分子组装且发光性能有待提高，要么仅用于简单的细胞成像，对于白光激发材料在生物组织成像、病变组织诊断和手术导航方面的应用缺乏系统深入的研究，同时也缺乏构建白光激发磷光材料清晰简单的设计理念。
为了突破这些困境，温州大学和南开大学的研究人员开展了一项具有开创性的研究。他们设计了六种以三嗪基团为受体的供体 - 受体（D - π - A）型化合物（TRZ - 1 至 TRZ - 6）作为客体分子，构建了掺杂体系。研究结果令人振奋，这些掺杂材料在白光激发下展现出明亮且持久的蓝色或橙红色余辉，在生物成像方面展现出巨大的优势。该研究成果发表在《Nature Communications》上，为有机磷光材料在临床成像中的应用开辟了新的道路。
研究人员在这项研究中运用了多种关键技术方法。在材料制备方面，通过 Buchwald - Hartwig 偶联反应合成了目标化合物，并采用直接称重法或间接稀释法制备了掺杂材料，还将 TRZ - 1/BPO 制备成纳米颗粒（NPs）和口服凝胶。在性能表征上，利用核磁共振光谱、高分辨率质谱、单晶 X 射线衍射和高效液相色谱等手段确认化合物的分子结构和纯度，运用密度泛函理论（DFT）和含时密度泛函理论（TD - DFT）计算深入探究白光激发磷光的机制。在生物成像实验中，构建了多种小鼠疾病模型，如动脉粥样硬化（AS）模型、肝癌模型、盲肠梗阻模型等，借助体内成像系统（IVIS）进行成像分析 。
合成及光物理性质研究
研究人员根据既定方法成功合成了客体分子 TRZ - 1 至 TRZ - 6。这些分子具有 D - π - A 结构，以二苯胺衍生物基团为供体，三嗪基团为受体。其中，TRZ - 1、TRZ - 2 和 TRZ - 3 的供体与受体通过苯环相连，而 TRZ - 4、TRZ - 5 和 TRZ - 6 则通过更具共轭性的萘环相连，这使得后者的吸收和发射波长进一步增加。实验结果显示，TRZ - 1、TRZ - 2 和 TRZ - 3 的吸收波长范围在 320 - 440nm，磷光波长在 510 - 526nm；TRZ - 4、TRZ - 5 和 TRZ - 6 的吸收波长为 345 - 480nm，磷光波长为 590 - 638nm。而且，这些客体分子能被 350 - 480nm 的光激发，在白光激发下，TRZ - 1 至 TRZ - 3 呈现亮绿色余辉，持续 6 - 10s，TRZ - 4 至 TRZ - 6 呈现橙红色余辉，持续 3 - 4s，磷光寿命在 0.48 - 1.41s 之间。理论计算表明，分子轨道中最高占据分子轨道（HOMO）的电子云主要位于二苯胺衍生物基团，最低未占据分子轨道（LUMO）的电子云分布在三嗪基团，二者电子云明显分离，有效缩小了单线态与三线态之间的能量差（ΔEST），促进了磷光发射。
掺杂体系的 RTP 性质
以这六种化合物为客体，二苯甲酮（BPO）为宿主构建掺杂体系。研究发现，宿主 - 客体摩尔比为 1:500 时，掺杂材料的延迟发射强度最强。经 365nm 紫外光激发后，TRZ - 1/BPO、TRZ - 2/BPO 和 TRZ - 3/BPO 呈现出耀眼的青色余辉，延迟发射波长在 461 - 483nm；TRZ - 4/BPO、TRZ - 5/BPO 和 TRZ - 6/BPO 则显示出明亮的橙红色余辉，延迟发射波长为 603 - 640nm。掺杂体系的延迟发射量子产率（Q.Y.）在 13.35% - 75.28% 之间，延迟发射寿命在 176.8 - 401.1ms 之间。从 77K 升温到 297K，TRZ - 4/BPO、TRZ - 5/BPO 和 TRZ - 6/BPO 的发射强度随温度升高而降低，表现出磷光发射特性；而 TRZ - 1/BPO、TRZ - 2/BPO 和 TRZ - 3/BPO 在 500 - 650nm 的发射峰符合磷光现象，420 - 480nm 发射峰强度与温度正相关，表明其延迟发射包含热激活延迟荧光（TADF）成分。此外，六种掺杂材料在白光激发下均呈现出明显的余辉，激发光谱表明它们能被宽波长范围的光激发，即使激发波长延长至 460 - 500nm，仍有显著的延迟发射，且磷光寿命可达 81 - 239ms，这充分证明了客体分子成功赋予了掺杂体系优异的白光激发室温磷光活性。
TRZ - 1/BPO 纳米颗粒的基本性质
鉴于白光相较于紫外光具有更高的生物安全性，研究人员将性能优异的 TRZ - 1/BPO 制备成纳米颗粒和口服凝胶用于生物成像研究。TRZ - 1/BPO 纳米颗粒呈均匀球形，平均流体动力学直径约为 20nm，zeta 电位为 0mV，在 7 天内粒径和电位保持稳定。优化后的纳米颗粒最佳浓度为 5mg/mL，经疲劳测试，可重复激发 8 次且信号无明显衰减，室温储存 24h 后余辉信号强度不变。细胞水平实验显示其无明显毒性，小鼠的全血生化参数和主要器官组织学检查也未发现异常，体重也无明显变化。在全波长激发下，纳米颗粒状态的 TRZ - 1/BPO 与固态时的发射光谱相似，虽然发光性能有所下降，但仍具备满足生物成像需求的稳定性。
浓度 - 激发成像模式
由于白光对生物组织损伤风险低，TRZ - 1/BPO 纳米颗粒可用于浓度 - 激发成像模式。研究人员分别用白光（0.2W/cm2）和有限强度的紫外光（18mW/cm2）作为激发源进行对比实验。结果发现，白光激发下纳米颗粒发射的穿透深度为 4mm，而紫外光激发仅为 2mm。在小鼠实验中，将纳米颗粒注射到小鼠皮下、后爪（15min 后在腹股沟淋巴结聚集）和尾静脉（4h 后在肿瘤部位聚集），白光激发后，在相应部位均能检测到明显的余辉信号，皮下、淋巴结和肿瘤成像的信噪比（SBR）分别达到 128.5、69.1 和 51.2；而紫外光激发时，皮下仅能检测到微弱余辉信号，淋巴结部位无有效信号，肿瘤部位信号强度也远低于白光激发，这充分证明了白光激发的磷光材料在生物成像方面具有显著优势。
激发 - 浓度成像模式
研究人员也对 TRZ - 1/BPO 纳米颗粒在激发 - 浓度成像模式下的生物成像效果进行了验证。实验发现，当紫外光强度为62mW/cm2时，纳米颗粒信号强度接近最大值。在穿透实验中，激发后 10s，余辉强度可穿透 10mm 厚的鸡胸肉，但 300s 后只能穿透 2mm，600s 时有效信号几乎检测不到，表明激发后的纳米颗粒只能在较短时间内用于生物成像。在活体小鼠实验中，原位皮下注射成像时，激发后的纳米颗粒可产生 4min 的余辉信号，SBR 达到 112.7，但在淋巴结成像和皮下肿瘤成像实验中，由于纳米颗粒在到达目标位置前余辉已完全衰减，无法实现成像。综合来看，浓度 - 激发模式在生物成像中更为有效。
动脉粥样硬化（AS）斑块成像
利用磷光材料的光学特性对病理组织进行成像，是一种极具前景的临床诊断技术。动脉粥样硬化作为一种持续性动脉疾病，严重威胁健康。研究人员将 TRZ - 1/BPO 纳米颗粒的浓度 - 激发成像模式应用于 AS 模型。纳米颗粒可通过增强的通透性和滞留效应被动靶向到 AS 斑块。实验结果显示，尾静脉注射纳米颗粒 4h 后，经白光照射，小鼠 AS 斑块可通过皮肤产生持续 30s 的余辉信号，SBR 高达 46.1；而 365nm 紫外光激发时无有效信号。对小鼠主动脉进行离体成像，进一步证实了纳米颗粒在 AS 斑块部位的富集。与只能被紫外光激发的有机磷光材料 BT/PPO 相比，TRZ - 1/BPO 虽然磷光发射波长仅为 480nm，但由于能被白光激发，其生物成像性能相当甚至更优，且避免了紫外光对生物环境的破坏。
肿瘤手术导航成像
白光具有更强的组织穿透能力和生物安全性，更适合用于开放检查。在肝癌成像中，富含血液的肝脏、脾脏和心脏组织中的铁离子会使纳米颗粒的磷光信号快速衰减，这有助于有效区分肿瘤与正常肝组织。TRZ - 1/BPO 纳米颗粒在不同组织匀浆、血液和 PBS 中的余辉信号强度不同，在含有Fe3+和Fe2+的溶液中，其最大余辉强度显著淬灭。在体内实验中，给小鼠尾静脉注射纳米颗粒 4h 后进行肿瘤切除手术，肿瘤部位的余辉信号清晰可见，肿瘤与肝脏的成像 SBR 达到 64.8。组织切片和 H&E 染色证实了纳米颗粒对肝癌定位的准确性。在无导航手术和有磷光成像引导手术的对比中，引导手术能更彻底地切除肿瘤，再次证明了磷光纳米探针的时间分辨率可实现肝癌的超高 SBR 成像，支持其在余辉引导手术导航中的应用。
盲肠疾病诊断
研究人员将 TRZ - 1/BPO 制备成在水中具有良好分散性的口服凝胶 O - TRZ - 1/BPO - gel。该凝胶在 405nm 激发下呈现明亮的光致发光，室温储存 30 天后余辉信号强度不变。其光强度对酸碱不敏感，可用于肠道成像。激发后，其余辉持续时间长达 320s，但在激发停止后 40s 内迅速衰减，因此最佳测试时间为激发后 40s 内。在小鼠盲肠成像实验中，白光激发产生的余辉信号比紫外光激发强 6.2 倍，最大成像 SBR 达到 99.2。给正常小鼠灌胃后，在其盲肠可观察到清晰的余辉信号；而在盲肠梗阻小鼠模型中，灌胃后 2 - 48h，盲肠内未检测到可被白光激发的余辉材料积累，验证了该材料检测小鼠盲肠疾病的准确性。
研究人员成功设计了具有白光激发磷光特性的化合物，构建了掺杂体系，系统地对比了浓度 - 激发和激发 - 浓度两种成像模式，证实了白光激发磷光材料在生物成像中的优势。该材料不仅提高了成像的清晰度和准确性，还实现了实时、无创诊断。在动脉粥样硬化斑块、肠道疾病成像诊断以及肝癌手术导航中的应用，展示了其在复杂生物结构可视化方面的高对比度成像能力，有望显著提高手术精度、降低手术风险。这一研究成果进一步推动了有机磷光材料的临床应用，为生物医学成像技术的发展注入了新的活力。然而，目前该研究仍处于基础研究阶段，仅适用于特定模型的动物肿瘤 / 病变组织成像，动物肿瘤手术导航也仅适用于早期肿瘤。未来，研究人员将加大对白光激活磷光材料在复杂人类肿瘤 / 病变诊断和治疗方面的研究力度，期待为临床医疗带来更多突破。
