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聚集誘導發光（AIE）現象在多種研究領域都有著廣泛的應用前景。在過去的十年中，許多AIE分子探針和AIE納米顆粒探針被開發應用於生物傳感、成像和治療診斷領域中。相較於傳統的螢光探針，AIE分子具有出色的光學性能性。新加坡國立大學劉斌教授（點擊查看介紹）研究團隊近期發表在Angewandte Chemie International Edition 的一篇題為「Aggregation-Induced Emission: Recent Advances in Materials and Biomedical Applications」的綜述文章總結了目前最新的AIE分子及探針在生物醫學領域的發展趨勢。該文章特別關注了AIE探針在螢光成像、光聲成像和成像引導的光動力/光熱療法的發展，並探討了AIE材料在未來生物醫學領域中的挑戰與機遇。
在生物醫學領域，螢光材料的使用使生物活動可視化成為可能。然而，由於聚集淬滅（ACQ）問題，傳統螢光材料的光學性能包括靈敏度、穩定性和有效性方面都受到嚴重的影響，從而導致了螢光信號的信噪比較低以及易於光漂白等問題。近年來，AIE材料的發現為解決以上問題帶來了新的希望。
與傳統ACQ螢光分子相反，AIE分子在單分子狀態下發光受到抑制，卻在聚集狀態下有效發光。AIE分子通常具有轉子結構，該結構會使能量通過非輻射躍遷衰減，同時又利用限制分子內運動等方式，進一步提高分子聚集狀態下的發光強度及穩定性，另外，AIE分子的非平面結構還可以進一步避免分子間π-π堆積的相互作用，進而提高分子的發光性能。基於以上的優點，AIE分子已成為生物成像領域理想的選擇之一。此外，AIE分子還可以通過化學結構設計，表現出優異的光敏性和光熱轉換效率，進一步拓寬了它們在光動力療法、光熱療法和光聲成像中的潛在應用。
圖1. AIE分子探針的設計策略
AIE探針設計中要考慮的主要因素是如何賦予它們良好的水溶性，以確保探針在生理介質中有良好的分散性以及較低的背景信號。在接觸待分析物後，分子實現響應性聚集從而開啟螢光信號（圖1）。同時，與AIE分子探針的螢光響應開啟策略相反，AIE螢光分子還會以聚集體的形式，通過限制分子內運動而誘導產生高強度螢光。現今，各課題組已經開發出多種策略來將AIE螢光分子封裝到納米粒子中（圖2），並將其應用於細胞成像和血管成像、疾病感測、藥物體內分布監控以及成像指導手術中。基於不同AIE分子的光學特性，這些納米顆粒也可用於血管的單光子或多光子成像以及相應的多種疾病模型的精細診斷。經過不斷的條件優化，現今的AIE納米材料已經具有良好的生物相容性和螢光亮度。
圖2. AIE納米探針的設計策略
以細胞成像為例，以上提到的AIE探針設計為細胞器示蹤提供了多種高效精確的成像工具。AIE探針已經開發了多種基於不同細胞器示蹤的探針工具，如細胞膜、線粒體、溶酶體、內質網以及細胞核等（圖3）。在一項很有代表性的工作中，科研人員開發了一種結合了內質網靶向多肽和AIE螢光分子的探針，其具有非常水溶性以及極低的背景螢光，一旦與特異的細胞結合，探針機會由於分子運動受限而產生紅色螢光。
圖3. （a）不同細胞器靶向的AIE螢光分子。（b）不同細胞器的AIE分子標記。（c）線粒體以及溶酶體靶向螢光分子。（d）線粒體以及溶酶體的細胞成像。
另外，AIE納米材料也廣泛的應用於細胞以及腫瘤的體內成像領域。最近的研究熱點集中於長波長發射的納米粒子用於轉移腫瘤示蹤、成像引導手術以及雙光子疾病示蹤等方向。如圖4所示，AIE納米粒子在連接有葉酸以及RGD靶向基團後，可以有效地穿透血腦腫瘤屏障，進而實現了腦膠質瘤的精確示蹤。甚至通過高清晰螢光顯微鏡，腦血管損傷程度也可以用AIE納米材料間接地進行評價。
圖4. （a. b）應用於腦血管成像AIE分子TQ-BPN結構。（c）TQ-BPN分子的螢光發射光譜。（d）腦血管的第二近紅外成像。
在這篇綜述中，作者總結了AIE分子探針和AIE NP探針設計策略。然後，作者重點概述總結了AIE探針在各種生物醫學應用開發的最新進展，包括疾病診斷、癌症治療學和細菌感染的光動力治療。另外，作者也簡短的回顧了擁有高信噪比、更深的穿透深度以及更好的靶向特異性的早期設計的AIE探針。最後，作者探討了AIE探針發展的未來前景，尤其針對AIE探針在生物診療上的最新進展進行分析，揭示當前AIE材料在臨床轉化平台上面的應用前景。
Aggregation-Induced Emission: Recent Advances in Materials and Biomedical Applications
Xiaolei Cai, Bin Liu
Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202000845
導師介紹
劉斌，新加坡國立大學教授，化學與生物分子工程系主任，新加坡工程院院士，亞太材料科學院院士，英國皇家化學會會士，ACS Materials Letters, Advanced Materials and Advanced Functional Materials 等多個雜誌執行主編、副主編及編委。劉斌教授於南京大學和新加坡國立大學分別獲得碩士與博士學位，隨後於加州大學聖芭芭拉分校從事博士後研究。劉斌教授自2005年起任教於新加坡國立大學，2010年獲聘副教授，2014年被授予院長講席教授, 2017年被授予教務長講席教授，同年擔任化學與生物分子工程系主任。
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