乏氧光学影像探针的设计与应用

李 成，周森森，蒋锡群

（南京大学化学化工学院高分子科学与工程系,江苏省纳米技术重点实验室，南京 210023）

氧气在生命活动中具有重要意义，为需氧生物提供了重要的能量来源.哺乳动物具有氧感应机制，可通过增加呼吸、血流和生存反应来帮助他们快速适应氧含量变化.氧气供应不足、组织中氧含量低是乏氧的典型特征.乏氧会导致好氧生物的细胞功能障碍，严重的会导致细胞死亡［1，2］.乏氧往往与炎症、脑卒中、心肌梗塞、组织创伤和肿瘤密切相关.组织氧浓度是评估机体健康的重要依据，实现对组织氧浓度的准确检测有助于多种疾病的诊断、预防和监测.

生物医学传感器可以在病理条件下检测活体内化学、物理和生物学信息的变化.乏氧作为一种生物学标志物，也可以被特殊的生物传感器检测到.传统的乏氧检测需要在病灶部位有创地插入电极进行检测，虽然这种方法可以直接测量局部氧浓度，但病灶部位的异质性、电极的灵敏度以及电极插入的创伤性限制了这种方法的广泛使用［3，4］.其它的乏氧成像方法如核磁共振成像在临床乏氧检测上显示了应用潜力，但检测方法的特异性和灵敏性仍然面临较大的限制，且患者要暴露于电离辐射中［5］.因此，无创、低成本、高特异性、实时检测和可视化等乏氧检测需求推动了无创光学乏氧成像的发展.

光学成像在空间分辨率、灵敏性和成本方面的巨大优势使其成为炎症、癌症、脑部疾病和手术导航的重要影像诊断工具［6］.分子染料被广泛用作光学成像的探针或造影剂，目前已有4种光学探针被批准进入临床，另有数十种光学成像探针正在进行不同阶段的临床试验［7］.乏氧作为一种疾病特异性的生物标志物，近年来受到了广泛的关注，乏氧光学探针及其光学成像在肿瘤的早期诊断［8］、炎症的实时监测［9］、组织再生响应［10］和手术导航［7］等方面展现了突出的应用潜力和广泛的应用前景.

关于乏氧探针的相关综述已有报道［11，12］，但都主要介绍乏氧荧光探针的设计及其在肿瘤诊疗中的应用.本文介绍了数种乏氧响应的光学探针，包括乏氧荧光探针、乏氧磷光探针和多重响应的乏氧磷光探针，并探讨了乏氧荧光探针和乏氧磷光探针的优缺点，分别展示了不同乏氧光学探针在肿瘤检测、炎症监测、伤口氧含量监测、疾病治疗监测和食品包装检测等方面的应用，最后探讨了乏氧光学成像的应用前景.

1 乏氧光学探针

1.1 乏氧荧光探针

荧光探针通常具有极高的灵敏度和分辨率，可以显示多个组织和亚细胞器的结构，同时其也可以实现刺激响应性激活，并提高在特定区域的信噪比［13，14］.乏氧微环境下较低的氧浓度可引发黄素腺嘌呤二核苷酸（FADH2）和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）等多种还原性物质的积累.这些物质会导致组织的氧浓度降低，从而产生过量的活性氧（ROS）.因此，乏氧微环境具有增强的氧化还原水平.通常，乏氧的程度与还原性物质（如硝基还原酶和偶氮还原酶）的局部浓度密切相关［15，16］.在对乏氧组织进行成像时，可利用硝基芳烃、醌基或偶氮苯衍生物在乏氧微环境中响应断裂或还原的特性来设计乏氧响应的荧光探针［图1（A）］.

Fig.1 Design of the fluorescence probes under hypoxia condition

1.1.1 基于硝基的乏氧荧光探针 硝基还原酶是可催化硝基化合物还原的一类酶的总称.这些酶是以尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸或尼克酰胺二核苷酸（NADPH/NADH）为氢供体的黄素蛋白，硝基还原酶在硝基化合物介导的细胞毒性中发挥着重要作用［17］.在乏氧条件下，包括硝基还原酶在内的多种还原酶被细胞过量表达以应对细胞内的氧化应激［18］.因此，硝基可作为乏氧响应的激活基团用于构建乏氧光学探针.

基于该原理，Okuda等［19］设计了一种近红外荧光探针GPU-167，该探针由作为荧光基团的花菁和乏氧响应基团的2个硝基咪唑组成.该探针在乏氧条件下的荧光强度显著强于常氧情况，但是由于荧光基团未被猝灭（非激活型），该探针的信噪比不高.为了探究硝基的化学位置对乏氧光学探针信噪比的影响，Li等［20］设计了5种具有不同硝基芳香基团结构的近红外荧光花菁染料，研究表明荧光基团和硝基的连接位置对硝基还原酶的催化活性具有重要影响，只有一个对硝基苯甲酸酯修饰的花菁探针（Cy7-1）可作为快速监测乏氧的近红外（NIR）光学探针，并具有较高的信噪比［图1（B）］.

尼罗蓝（NB）是一种具有NIR发射的水溶性噁嗪染料.Su等［21］将对硝基苄基作为硝基还原酶的识别部分引入到尼罗蓝的荧光团中（NB-NO2），通过分子内光诱导电子转移过程猝灭尼罗蓝的荧光.在乏氧条件下，NB-NO2中的硝基在NADH存在下被硝基还原酶还原为氨基并释放出游离荧光团NB，该探针的荧光强度随着硝基还原酶的浓度和还原时间的增加而增强，并可对不同乏氧条件下细胞中硝基还原酶的表达进行成像.

Shen等［22］将现有的半花青染料（Cy）中共轭结构的氧元素转换成硫元素，制备了一种近红外荧光和光声信号（PA）同时存在的双比率型探针AS-Cy，再将硝基还原酶响应的4-硝基苯与AS-Cy偶联，获得可对乏氧组织硝基还原酶响应的NIR/PA双比率型乏氧探针.由于NIRF/PA成像的互补优势和该双比率型探针的优良性能，AS-Cy-NO2可以在乏氧组织有效地同时激活NIR荧光信号和PA信号，从而定量观察体内乏氧水平.

1.1.2 基于醌基的乏氧荧光探针 醌基作为一种电子供体可以有效猝灭各种荧光分子的发射，而在乏氧条件下，醌可以转化为氢醌.氢醌作为电子受体并不能猝灭连接的荧光分子，因此醌基可以用来作为乏氧响应的化学基团［23］.

Tanabe等［24］基于该原理设计合成了一种由醌基和香豆素组成的乏氧响应荧光探针IQ-Cou.吲哚醌可以通过分子内电子转移猝灭机理和内滤效应抑制连接的香豆素的荧光，而在乏氧条件下，IQ-Cou通过单电子还原的方式释放香豆素荧光基团，产生强烈的荧光，这种单电子还原的过程可以被分子氧有效地抑制［图1（C）］.然而，IQ-Cou在水中的低溶解度和相对较短的激发和发射波长限制了其在细胞成像中的进一步应用.为了使探针适用于细胞成像，他们通过将亲水性的荧光基团Rhodol与吲哚醌结合来构建亲水性探针，在乏氧响应性吲哚醌的作用下，探针的荧光发射在常氧/乏氧条件下表现出良好的开/关切换特性［25］.

1.1.3 基于偶氮的乏氧荧光探针 偶氮还原酶家族是另外一种在乏氧细胞中高表达的还原酶家族，偶氮还原酶的催化反应涉及NADPH（Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate）作为电子供体并通过逐步电子转移将偶氮芳香烃还原为苯胺衍生物的可逆反应［26］.但在乏氧条件下，该可逆反应难以逆转，因此偶氮基团也可以用来设计乏氧响应的光学探针［27］.

Huang等［28］将含氨基的半花菁染料（NR-NH2）与N，N-双（2-氯乙基）-对苯二胺（HMX1）通过偶氮键（azo）偶联，设计了一种可乏氧激活的近红外探针NR-azo.偶联有HMX1的花菁染料在激光照射下没有荧光发射信号，但是在乏氧条件下，偶氮键断裂释放出游离的花菁染料产生强烈的荧光，进而可以对乏氧组织进行特异性成像［图1（D）］.Liu等［29］利用超分子自组装的方法，通过硫酸根-β-环糊精（SCD）和偶氮苯衍生物的静电相互作用构建了一种乏氧响应纳米材料，接着将荧光染料罗丹明123负载在纳米颗粒中，由于硫酸根对罗丹明123的猝灭作用，可以实现该材料在乏氧条件下的荧光增强.He等［30］报道了一种基于原位概念的乏氧响应荧光探针，该探针由含氨基甲酸酯键的水溶性偶氮苯共聚物和阴离子水溶性聚集诱导发射荧光四苯基乙烯（TPE）组成.通过偶氮键的还原和低氧条件下的1，6-自消除级联反应，水溶性共聚物可以转化为质子化的含伯胺聚合物.根据聚集诱导的特性，阴离子TPE从分子分散状态转变为与阳离子聚合物自组装诱导的聚集状态，从而使荧光明显增强.

长期跟踪体内循环乏氧需要具有极低光细胞毒性的可逆近红外发光探针.迄今，几乎所有报道的有机荧光乏氧探针都是不可逆的，因此，Guo等［31］通过偶氮键将3，5-二三氟甲基苯与NIR发射的呫吨/花菁融合荧光团（HD）偶联，构建了一种对乏氧响应的可逆开启NIR荧光的探针（HDSF）.该可逆的荧光行为归因于吸电子三氟甲基对芳基偶氮还原中间体苯肼的稳定作用，从而阻止了随后的N—N键还原断裂.除了可以细胞内循环乏氧成像外，HDSF还能够通过共聚焦成像监测斑马鱼胚胎中药物诱导的缺氧-复氧循环.

基于偶氮、醌基和硝基等化学键设计的多种荧光成像机制均可用于乏氧光学探针的设计.这些探针可以以高分辨率对氧浓度进行实时成像.然而，乏氧荧光探针的设计依赖于间接生物标志物（如偶氮还原酶及硝基还原酶等）对其激活，而在乏氧组织中，各种酶的含量及空间分布并不均一，这将对这类探针的成像产生影响.

1.2 乏氧磷光探针

与大多数荧光探针不同，磷光探针由于与分子氧独特的联系，可以用于直接检测组织氧含量.在光激发下，激发的电子经历系间窜越到达激发的三重态.随着自旋禁阻跃迁的出现，电子返回其单重基态并发射光子，从而产生磷光.由于禁阻跃迁，磷光探针通常具有更长的衰变寿命.然而，在分子氧存在的情况下，会使探针的磷光发射发生猝灭，衰变寿命变短.因此，磷光发射强度与局部氧浓度成正比.利用Stern-Volmer进行校准，可以将磷光强度转换成氧分压（pO2）［12］.

1.2.1 基于磷光强度的金属配合物乏氧探针 基于磷光在常氧条件下猝灭并在乏氧环境下被激活的原理，磷光的强度可直接用于对乏氧进行检测.金属配合物如Ir（Ⅲ）配合物、Ru（Ⅱ）配合物和金属卟啉类配合物是几种常见的乏氧响应的磷光探针.

最初的磷光探针是基于简单的Pd卟啉设计的，但是其需要与大分子载体（白蛋白）预结合，以增强其水溶性并将其猝灭条件置于与生理氧浓度兼容的范围内［32］.为了进一步提高金属卟啉的水溶性，Vinogradov等［33］设计合成了两种树枝状大分子偶联的Pd卟啉G4和R4，新的探针在水中具有较高的溶解度.探针在生理条件下和一定温度（22～38℃）范围内显示出较高的稳定性和信号可重复性，并且成功应用于肿瘤血管内和间质的氧含量监测.

Ru（Ⅱ）配合物通常具有较强的荧光和较大的斯托克斯位移，但这些有机金属配合物进入细胞的能力较差且细胞毒性高［34］.为了解决这一问题，Tanabe等［35］将金属Ru（Ⅱ）配合物偶联在二氧化硅纳米粒子（MSN-Ru）上以降低Ru（Ⅱ）配合物的细胞毒性.由于纳米材料的特性，与分子Ru（Ⅱ）配合物相比，MSN-Ru显著降低了探针的光毒性，同时保持了对氧依赖的磷光强度，可用于组织乏氧成像.

为了进一步提高乏氧磷光探针的分辨率和灵敏度，本课题组［8］提出了一种两步放大肿瘤微环境信号的新概念和新技术，合成了能够对肿瘤微环境中酸化和乏氧连续响应的新型大分子磷光探针，该新型成像探针可同时测量pH和pO2两个参数［图2（A）］.与传统单一响应的探针相比，该探针显著提高了肿瘤检测的特异性、灵敏度和成像信噪比，充分压制了目标的背景信号.在该探针中，Ir（Ⅲ）复合物和聚乙二醇（PEG）链通过酸敏感亚胺键连接，亚胺键在酸性条件下水解，使探针的发射峰从610 nm偏移到705 nm.被酸激活的探针在乏氧的环境下发射信号被进一步放大，其磷光强度与组织氧含量成反比.

Wong等［36］报道了具有J聚集诱导的NIR-II磷光的5，15-双（2，6-双（十二烷氧基）苯基）-卟啉铂（II）（PpyPt）.并将其制备成水溶性纳米颗粒（PpyPt NPs），该纳米颗粒具有微秒级的NIR-II磷光寿命和良好的水中氧敏感性，同时具有近红外二区的发射光.

1.2.2 有机磷光乏氧探针 近年来，有机室温磷光探针受到越来越多人的关注.有机分子由于自旋的多重性，可以从单重激发态发出荧光或从三重激发态发出磷光［37］.有机室温磷光材料（RTP）具有成本低、易于制备、可裁剪性和加工性好等优点，这些都利于开发大面积、柔性、高分辨率显示器和功能性光学器件［38］.很多研究报道了环境敏感型有机室温磷光材料系统，能感知氧气、水分、pH值、温度、机械力和光激发.与寿命短的荧光材料相比，寿命在微秒到毫秒甚至到秒之间的有机室温磷光材料是生物成像的良好候选材料.长寿命的有机室温磷光材料可以降低生物自身荧光和背景干扰的影响［39］.此外，有机磷光材料不含有毒重金属，具有优良的生物相容性及更大的临床应用潜力.然而，室温磷光光团通常在晶体中表现出有效的磷光，但在非晶态聚集体中只有微弱的发射；而且它们较大的初始晶体尺寸不利于生物应用［40，41］.同时，一些有机磷光系统不能与氧气充分接触，造成其氧不敏感［42］，这些都限制了有机磷光材料在生物医学中的应用.为了解决这一限制，科学家们发展了多种策略，实现了有机磷光材料在乏氧生物成像领域的突破.Zhang等［43］报道了一种由碘化物取代的二氟硼二苯甲酰甲烷聚乳酸［BF2dbm（I）PLA］固态探针，该探针是一种单组分、双发射的荧光/磷光比率型探针［图2（B）］，在该荧光/磷光发射体系中，荧光强度与磷光强度之比与氧浓度成反比，这样一种比率型探针为量化肿瘤乏氧提供了新方法.Villa等［44］报道了一种聚集诱导磷光的方法，该方法通过将官能化的过硫化苯发色团共价封装到二氧化硅纳米粒子中产生磷光.纳米粒子在环境温度下显示出明亮的磷光，并在水中具有高胶体稳定性，纳米粒子的磷光可以被生理范围内的分子氧很好地猝灭，从而具有在生物体内对氧含量进行成像的潜力.He等［45］将纯有机单色团共价偶联在二氧化硅纳米粒子（SiNPs）中，在水溶液中就能发出荧光和明亮的磷光，多孔SiNPs中有机发色团的氧不敏感荧光可以作为参比荧光，氧依赖的磷光作为氧浓度指示剂，进而实现在活细胞中基于单发色团的超灵敏比率型乏氧成像.Kim等［46］通过简单的一锅自组装法，将氧敏感有机磷光体Br6A封装在一个刚性的、透氧的聚溴苯乙烯中，接着该聚合物被包裹在一层磷脂壳中.制备的杂化NPs具有长寿命的明亮室温磷光，且该探针对氧含量具有高的灵敏度和良好的体外长期稳定性.尽管多种用于生物氧成像的室温有机磷光材料已经被开发出来，但是其发射波长较短，在活体组织中的散射较多，穿透深度低，不利于活体组织的氧含量监测，因此，还亟待开发近红外或者远红外波段（＞650 nm）的可用于生理环境的纯有机磷光分子.

Fig.2 Design of the hypoxia phosphorescence probes

1.2.3 基于磷光的比例型乏氧探针 与单发射的磷光探针相比，比例型氧敏感探针可以通过计算信号峰和参比峰之间的强度比来实现氧分压的定量测量.该方法避免了探针浓度对信号强度的影响，为氧含量的定量监测提供了可靠的方法，以弥补非比率型磷光探针的不足.比率型探针的设计需要双发射体系，一般由对氧敏感的磷光信号和对氧不敏感的荧光信号组成，这样的探针可以通过组合两种不同的发光基团或通过单激发双发射的发光基团来实现.

Yoshihara等［47］报道了一种双组分比率型乏氧探针，其中香豆素C343（氧不敏感的荧光基团）与铱配合物（IrBTP）（氧敏感的磷光基团）通过一个多肽（四个脯氨酸基团）进行偶联.所得探针（C343-Pro4-BTP）可以在405 nm激光激发下产生蓝色荧光和红色磷光.该研究表明磷光/荧光的比值与氧分压之间存在线性关系.然而，过渡金属配合物探针在水溶液中较差的溶解性限制了它们在生物组织中的应用.为了解决这一问题，本课题组［48］开发了水溶性高分子聚乙烯吡咯烷酮偶联的铱配合物（Ir-PVP）乏氧磷光探针，作为内标分子的近红外染料NIR797与PVP链末端基团偶联得到氧敏感的比率型探针Ir-PVP-NIR797.动物实验表明，虽然探针分子在肝脏和肿瘤中都有富集，但是只在肿瘤中显示出明显的乏氧信号.Lippert等［49］将哌嗪连接到丙烯酸改性的螺金刚烷1，2-二氧杂环丁烷上，再将其与Ir（Ⅲ）配合的2-（苯并［b］噻吩-2-基）吡啶偶联，构建了第一个用作化学发光的近红外乏氧敏感比率型探针，并在体外和小鼠体内验证了该探针的乏氧敏感性.双组分体系的比率型乏氧探针易受两种不同染料之间光稳定性、光漂白性和组织穿透能力差异的影响，进而影响双发光基团比率型探针的可靠性［50］.为了弥补这一缺陷，单组分双发射的小分子探针这一设想被提出，但如何保持激发三重态和单重态之间的微妙平衡以实现两个激发态之间的辐射衰减一直具有挑战性.Liu等［51］报道了一种C/N环金属化的Pt（Ⅱ）（acac）配合物的单组分双发射的小分子探针.该配合物利用芳基噻吩部分来降低和减弱系间窜越效应以实现双重发射.当氧分压降至0.1 bar（1 bar=1×105Pa）时该探针的磷光寿命提高到3.29μs，而荧光寿命保持不变，证实了该单组分双发射的比率型小分子探针的氧敏感性.

近年来，非芳香结构的具有荧光发射功能的聚合物引起了越来越多的关注，并且对这种反常现象背后的机理也进行了探索.Tang等［52］发现，羰基的链内和链间n→π*相互作用在低聚马来酸酐（OMAhs）的聚集态发光过程中起着至关重要的作用.基于该原理，Zhu等［53］设计合成了一种由亲水骨架聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）（氧不敏感）和铂（Ⅱ）四苯基卟啉（Pt-TPP）（氧敏感的磷光探针）构建的比率型纳米磷光探针（Pt-TPP-PVP430）.基于PVP侧基在纳米粒子中的聚集发光效应，该纳米探针在595 nm激光照射下，在660 nm和760 nm具有双重发射.在660 nm处的发射是由PVP聚合物骨架产生的氧不敏感荧光发射峰，而760 nm处的发射峰是由Pt-TPP产生的氧敏感的磷光发射峰.该比率型纳米探针可以在活体细胞和肿瘤组织中实现高信噪比的比率型乏氧成像，为单激发双发射比率型磷光探针的设计提供了一种新的方法.

乏氧磷光探针为氧浓度的直接检测提供了工具，而比率型乏氧磷光探针进一步实现了对氧浓度的定量检测.但是现有的乏氧磷光探针在深层组织的成像方面仍然面临挑战.

2 乏氧探针的应用

生命活动中氧含量的变化往往与疾病的发生、发展联系紧密，所以利用乏氧光学探针实时监测组织和生命体中氧含量的变化可以为不同疾病的诊疗提供准确、实时且稳定的信息.本章总结了部分乏氧光学探针的应用方向，包括肿瘤检测、炎症监测、皮肤氧含量监测、疾病治疗响应的实时监测以及食品质量监测.

2.1 肿瘤检测

乏氧是实体肿瘤的标志之一，对肿瘤的治疗、诊断和预后具有重要意义［54］.肿瘤乏氧是由于血管系统受损和癌细胞对氧的快速消耗导致氧气输送不足造成的.根据其时空特征，乏氧分为慢性乏氧和急性乏氧.慢性乏氧是由于细胞密度增加和细胞与微血管之间的距离增加导致氧气扩散受限和长时间（＞24 h）的低氧压力形成的；而急性乏氧是由不规则细胞阻塞引起的异常血管关闭，进而导致暂时的局部血液重新分布（几分钟到几小时），这种现象有可能是可逆转的［55］.在乏氧条件下，肿瘤细胞上调乏氧诱导因子（HIF）并启动下游生物化学反应，包括细胞内还原酶过度表达以及随后的化学成分（如乳酸）的增加［56］.乏氧被证明与侵袭性的癌细胞表型有关，从而导致肿瘤对化学疗法、放射疗法和光动力学疗法的抗性［57～59］.因此，乏氧也成为监测肿瘤进展和治疗反应的理想生物标志物［60，61］.

基于铱配合物乏氧响应的性质，本课题组［48］开发出了一种对缺氧肿瘤微环境具有高度特异性的近红外光学成像探针IrPVP，能够检测活体内几千个癌细胞的存在.这种对氧敏感、近红外发光、水溶性的磷光大分子探针不仅能够报告包括体内转移性肿瘤在内的各种癌症模型的乏氧微环境［图3（A）］，还能够在肿瘤形成前基于癌细胞增殖过程中增加的耗氧量检测到少量的活的癌细胞.为了进一步提高该探针的灵敏度，本课题组创制了一种对酸化和乏氧连续响应的大分子光学探针［8］.和传统的开关探针设计原则不同，该探针以病灶生物环境变化引起的探针信号波长的移动来实现探针信号的放大.通过对波长移动/磷光强度增强的连续响应，可以有效地实现对肿瘤微环境信号的两步放大.小鼠肿瘤模型的测试结果显示，这种两步连续响应的大分子光学探针在肿瘤成像中表现出了高于常规一步响应的光学探针一个数量级以上的信噪比.在小鼠肿瘤肝脏转移模型中，该探针能够高灵敏地检测到小于1 mm大小的微小肿瘤转移灶［图3（B）］.

Fig.3 Metastatic tumor detection with hypoxia probe

2.2 炎症监测

炎症是由细菌感染、阿尔茨海默病、帕金森病、中风和癌症等有害刺激引起的机体的一种防御反应.在炎症过程中，组织血管受损，而病原体和浸润的免疫细胞会消耗更多的氧气［62，63］.同时，与健康的组织相比，炎症组织显示出更高的代谢率并伴有乏氧［64］，而组织修复过程中充足的氧含量是细胞增殖和蛋白质合成的先决条件.因此，评估炎症组织中的氧含量对于监测炎症至关重要.从湿疹和痤疮等常见疾病到银屑病、蜂窝组织炎和慢性糖尿病溃疡等主要疾病，皮肤炎症的发生范围很广.皮肤炎症反应通常涉及刺激炎性细胞因子和趋化因子的产生，然后介导一系列细胞过程.皮肤炎症的标志包括红斑（发红）、血管舒张、肥大细胞活化以及免疫细胞（如中性粒细胞和巨噬细胞）浸润到受影响的组织中［65］.

本课题组［9］近期开发出了一种乏氧响应的小分子探针Ir-btp和水溶性高分子探针IrPVP，水溶性的IrPVP可以实现小鼠体内的炎症成像，并且在脂多糖（LPS）诱导的小鼠模型中区分健康区域和炎症区域.同时，我们还将Ir-btp掺杂在聚氨酯薄膜中创制了一种智能绷带，用于伤口的炎症乏氧成像，在小鼠伤口模型中该薄膜可以有效识别小鼠创口的炎症程度（图4）.同样地，Evans等［66］将Pd卟啉乏氧探针与液体绷带混合，制备出一种可以涂覆的液体乏氧绷带.在注射炎症剂后，该绷带可以追踪7周内损伤部位耗氧量的增加、平稳和减少，并识别在皮肤表面以下不同深度注射引起的炎症.这些探针的设计为动态监测炎症的进程和愈合提供了一种长期的观察方式.

Fig.4 Polyurethane film composited with phosphorescent probe Ir-btp can real-time monitor wound inflammation in mice[9]

Fig.5 Optical wireless wearable prototype for transcutaneous oxygen monitoring[68]

2.3 皮肤氧含量监测

组织氧含量的准确测量对于烧伤、肢体损伤和外科手术的诊断应用具有决定性意义［67］，而用来测量氧含量的医疗设备需要复杂的电子、光学和/或化学技术，这些技术通常会导致设备无法移动且价格昂贵.Evans等［68］报道了一种用于皮肤氧含量监测的无线可穿戴设备的原型，该原型使用金属卟啉作为氧含量监测探针，并将其嵌入高度透气的氧传感膜中（图5）.该设备通过检测磷光的寿命和强度来测量皮肤表面的组织氧含量，即使在温度和湿度变化的条件下也能提供稳定可靠的测量数据.在猪缺血模型中，该可穿戴设备在肢体灌注减少时对生理范围内的组织氧含量变化高度敏感.

皮瓣在整形手术中很常见，用于在创伤或癌症等情况下重建大的组织缺陷.然而，大多数用于监测术后皮瓣缺血的组织血氧计都是复杂且笨重的有线设备，这阻碍了对手术后皮瓣的直接观察，鉴于此，Evans等［69］进一步地将内标分子荧光素和Pd卟啉混合在液体绷带中，将其涂覆在皮瓣手术后病人的皮瓣处，接着用透明敷料进行隔离.用绷带测量的组织氧含量变化与血氧计测量的血氧饱和度吻合，证明了该乏氧绷带的可靠性与准确性.该液体绷带仅需用传统的数码单反相机拍照即可对皮肤组织的氧含量变化进行实时监测，且可持续监测10 d以上，该技术为开发在其它组织实现简单快捷氧含量监测的技术奠定了基础.

2.4 治疗响应监测

疾病的发生、发展往往与组织氧含量的变化息息相关，当使用治疗性药物对疾病进行治疗后，实时观察治疗效果对临床诊断和治疗具有重要意义.利用氧敏感光学探针实时监测疾病组织氧含量的变化为动态监测疾病发展过程提供了一种高效、便捷的方法.

鉴于此，本课题组［70］设计合成了一种修饰有Ir-PVP和洛沙坦的五氧化二钒纳米粒子（IrP-L@V2O5）用于增强肿瘤分级光动力治疗［图6（A）］.利用Ir-PVP的乏氧响应特性，我们对光动力治疗过程中肿瘤部位的氧含量进行实时监测.研究表明，在光动力治疗过程中，血管会被损伤进而减少肿瘤组织氧含量，降低多次光动力治疗的疗效；而IrP-L@V2O5可以舒张血管并增加肿瘤血管密度，从而增大肿瘤氧含量，提高分级光动力治疗的疗效.肿瘤微环境中低氧肿瘤细胞的存在是对放疗产生耐药性的主要原因之一.与治疗乏氧肿瘤相比，在氧合良好的条件下，电离辐射的作用可以大大增加.Liu等［71］设计了一种可同时用于放疗和光热治疗的MnSe@Bi2Se3无机纳米材料，该纳米粒子对小鼠肿瘤模型的治疗具有很强的协同作用.他们利用乏氧磷光探针Ir-PVP动态监测治疗过程中肿瘤氧含量的变化［图6（B）］，发现由于PTT期间轻度高温促进血液流入肿瘤导致氧含量显着增加，放疗的功效增强.

Fig.6 Real time monitoring the oxygen level during therapy

2.5 食品质量监测

近年来，由于人们对包装食品的质量、感官、卫生和安全性的关注日益增加，以及对食品保质期的要求越来越高，主动和智能包装技术的应用正受到越来越多的关注［72］.主动包装允许加入添加剂，例如气体清除剂、二氧化碳释放剂、乙醇释放剂、温度和湿度控制器、抗菌剂等，以提高包装食品的质量［73］.使用真空和气调包装系统（MAP）在无氧环境中储存易腐烂食品以保持其质量和延长保质期的情况正在兴起.在MAP系统中，食品被包装在包含特定比例的天然气（N2，CO2，O2）混合物的包装中，以延缓微生物的生长和其它降解过程.然而，由于包装材料的透气性、封闭食品的气体捕集能力、包装受损、气体冲洗效率低下及包装、处理或运输过程中的意外损坏等因素，MAP产品中的残留氧含量会增加［74］.因此，监测单个包装中的MAP成分，特别是氧浓度可以提供有关食品质量、包装材料完整性、包装机器和工艺效率、储存条件和处理的有价值信息.

Papkovsky等［75］将乏氧响应的磷光探针Pt卟啉包裹在在聚苯乙烯中，并将其涂覆在聚合物薄膜或者滤纸上，发现利用手持记录仪可以跟踪真空包装鸡肉和气调包装中鸡肉、牛肉和火腿样品中的氧含量变化，为食品质量监测提供了一种新的手段.然而，在真空和MAP包装样品中，当氧敏感探针被放置在产品顶部并与产品直接接触时，对于它们所接触的食品样品，可以定量获得可靠、稳定的光学信号和氧浓度的数值.但在真空包装的样品中，对于没有任何顶部空间的收缩包装，氧气在产品中的横向扩散大大减少，除非一些空气能够进入包装并使包装膨胀，否则，这种氧敏感的探针并不能提供关于食品各方位的氧含量变化和食品包装完整性的信息［76］.因此，在真空包装产品中更广泛地使用乏氧磷光探针作为质检的工具还有待研究.在初步的食品包装测试被证明成功后，研究人员开始使用乏氧磷光探针来监测和表征各种产品，评估它们的质量、保质期变化以及解决食品包装问题.干酪食品中大量的孔隙和氧气为霉菌的生长提供了条件，因此，食品包装过程中需要在干酪食品中添加CO2以排空氧气.O’Mahony等［77］将Pt卟啉乏氧探针置于干酪包装袋内，用于检测对氧气敏感的干酪在生产制作过程中的包装完整性和质量监测.该探针的使用揭示了食品包装过程中生产工艺的缺陷，并为食品包装工艺的优化提供监测手段.

3 总结与展望

光学成像不仅可以实现细胞和组织的无创高分辨率可视化，还可以通过检测光学探针与分析物的相互作用来对组织生理变化进行实时监测.与正电子发射型计算机断层成像（PET）和核磁共振成像（MRI）不同，光学成像具有更高的空间分辨率和检测灵敏性，不仅可以检测肿瘤乏氧，还可以使用刺激响应性探针动态监测其状态.由于肿瘤间和肿瘤内的异质性，肿瘤乏氧的程度可能有很大差异，这突出了在不同癌症类型中进行肿瘤乏氧研究的重要性.

组织氧含量的变化对伤口愈合起着至关重要的作用，然而临床使用的氧含量检测仪是单点测量，不能显示组织或皮肤二维平面上的氧分压变化，且只能检测非受伤部位.基于乏氧光学探针的检测可以显示创伤组织或皮肤二维平面上的氧分压变化情况且不会对组织造成损伤，是一种先进的氧含量检测技术.虽然现有的乏氧光学探针的检测位于组织的浅表部位，不利于深层组织的活体检测，但是随着探针设计水平的提高，其检测深度也在增加.同时，氧气在生命活动中的重要作用决定了氧含量检测光学探针在动态监测组织和细胞的功能及环境微生物等方面具有广泛的应用前景，如肿瘤的早期检测、肿瘤干细胞的发现以及血液循环肿瘤细胞的实时监测；脑部疾病如阿兹海默症、脑水肿以及脑卒中等脑部病变的检测与治疗过程的实时监测；伤口愈合状况的可视化监测；纤维化疾病的检测；环境中微生物含量及变化的监测等.因此，开发具有不同波长的乏氧光学探针用于不同疾病、微生物和环境的检测具有重要意义.