近年来，光声以一种新兴的成像方式而受到广泛关注。其在深层组织成像中表现出较低的光散射以及较高的时空分辨率。随着光声成像的兴起，研究者们对光声造影剂的需求也日益增大。优良的成像结果往往离不开理想的光声造影剂，在众多类型的光声造影剂中，半导体聚合物纳米颗粒（SPN）引起了广泛的关注，并在光声成像和肿瘤的光热疗法中展现出巨大的潜力。因此，研究光声分子的构效关系，并以此指导设计更高效的非辐射跃迁型光声试剂是一个具有挑战性且亟待解决的问题。

  为了解决这个问题，南方科技大学李凯课题组、香港城市大学王立代课题组和高雄科技大学倪侦翔课题组合作研究设计并开发了一种新型的半导体聚合物分子BDT-TQE，通过光声成像实现对小鼠肿瘤生长的监测。在BDT-TQ体系中，BDT作为电子供体，TQ 作为电子受体，通过用烷氧基苯基、烷基噻吩基、酯基等官能团的取代，制备了一系列BDT-TQ分子。如图一所示，随着取代基吸电子能力的增强，分子的LUMO能级逐步降低，使得此类半导体聚合物的吸收波段从近红外一区（NIR-I）红移至近红外二区（NIR-II）光学区域。其中，酯取代的半导体聚合物分子（BDT-TQE）具有较强的扭曲分子内电荷转移（TICT）效应，致使其在受到光照激发后，表现出极弱的荧光与较高的非辐射衰减。这意味着，以BDT-TQE作为NIR-II光声试剂，可以增大活体成像的信噪比，优化于深层组织的成像效果，在光声成像领域具有重要的应用前景。

图一、半导体聚合物光声试剂BDT-TQP，BDT-TQT和BDT-TQE的结构。

  BDT-TQE优异的光声性能引起了该研究团队的兴趣，驱使研究人员进一步探究该分子结构的特点，为高性能的光声分子设计提供更多的理论依据。通过理论计算深入分析后，研究团队发现，BDT-TQE聚合物的简化单元（s-BDT-TQE）具有较高的重组能及较低的绝热能，在激发态下，能够产生更有效的光致非辐射衰变（PNRD）效应。因此，当引入电子匮乏的酯取代TQ受体（TQE）于半导体聚合物中，有利于光激发时的TICT和PNRD特性。凭借出色的PNRD功能，以BDT-TQE为核心的纳米颗粒表现出了出色的光热转换效率与光声性能。因此，通过将实验与理论计算相结合，研究团队提出了一种新的方法，即通过对聚合物链中TICT效应的调节来增强其PNRD特性，进而大大促进其光热转换效率和光声性能。

图二、半导体聚合物的简化供体-受体（D-A）单元的非辐射性质的理论分析。a）s-BDT-TQP，b）s-BDT-TQT和c）s-BDT-TQE在S₀和S₁状态下，HOMO（蓝色）和LUMO（粉红色）的电子密度之差。d–f）为S₀（灰色）和S₁（红色）电子状态计算的DFT最小能量几何形状，以及g–i）表示所计算的重组能量（Er）与正常模式波数d，g）s-BDT- TQP，e，h）s-BDT-TQT和f，i）s-BDT-TQE, j）TD-DFT在B3LYP / 6-31G *级别的D–A单元的理论计算总结。

  基于BDT-TQE纳米颗粒在体外光声成像的优异表现，以及其具有的可抵抗内源性发色团干扰的优点，研究团队将其用于追踪肿瘤的生长。通过光声/超声（PA / US）双模态体内成像，BDT-TQE-Tat纳米颗粒可以成功实现对4T1皮下肿瘤和HepG2肝原位肿瘤生长的长期监测。与未标记的图像相比，SPNs标记的原位皮下和肝肿瘤的NIR-II 光声信号分别可以提高26.44倍和22.35倍。其中，移植20天后仍可清楚地观察到毫米级的肝肿瘤宽度和深度区域。因此，该研究揭示了利用TICT增强的PNRD效应可以促进光声和光热转化效率，进一步促进了SPN在实时长期体内肿瘤生长监测中的应用。

图三、BDT-TQE-Tat 纳米颗粒的时间依赖性光声成像用于原位肿瘤生长的监测。a）移植了4T1细胞的皮下肿瘤和c）移植了HepG2细胞的原位肝肿瘤的连续超声（US，灰度）和光声（红黄色）合并图像（光声）。b）皮下和d）原位肝肿瘤区域平均光声信号强度的相对变化。比例尺：a）为3毫米，c）为4毫米。

  该工作成果以《An Ester-substituted Semiconducting Polymer with Efficient Nonradiative Decay Enhances NIR-II Photoacoustic Performance for Monitoring of Tumor Growth》为题发表在Angewandte Chemie International Edition（DOI: 10.1002/anie.202010228）。论文的第一作者为南方科技大学硕士生查梦蕾、香港城市大学博士后蔺祥伟、高雄科技大学助理教授倪侦翔。

  文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202010228