作为生命体内最重要的过渡金属之一，铜（Cu⁺/Cu²⁺）在多种生理病理过程中扮演着重要角色。著名生物无机化学家、美国西北大学教授T. V. O’Halloran曾经在1999年的《Science》杂志上以“不可检出的细胞内游离铜：超氧化物歧化酶对铜伴侣蛋白的需求”为题发表研究论文，指出细胞内所谓“自由”（游离态）铜离子池的上限远低于每个细胞中一个原子的水平。这导致人们普遍认为铜离子以结合态发挥其生理病理功能。

但近年来新的研究发现：病理状态下的细胞中可能存在“不稳定”铜池。这个发现让科学家们开始重新思考：细胞里到底有没有“自由”铜离子？虽然人们已经开发了多种基于配位化学的Cu⁺/Cu²⁺探针，实现了细胞内“不稳定”Cu⁺/Cu²⁺的动态成像，然而，这些探针的响应性能受配位能力的影响，难以选择性区分游离态与结合态铜离子。如何在维持体内结合态/游离态Cu⁺/Cu²⁺平衡稳定的前提下实现游离态Cu⁺/Cu²⁺的动态检测仍面临挑战。

针对这一现状，南京林业大学的刘志鹏教授、南京大学的赵劲教授、美国加州大学洛杉矶分校的刘芳教授团队基于Cu(II)催化芳胺自由基阳离子形成机制，开发了一种新型光声探针设计策略，成功实现了活体内游离态Cu(II)的原位动态成像（图1）。

首先，作者通过紫外光谱、电化学分析、EPR测试以及理论计算对不同芳香胺响应基团、生色团进行系统研究，发现当1,4-二乙基-1,2,3,4-四氢喹喔啉（THQ）响应基团与BODIPY发色团协同作用后，可实现高效的单电子分布并提供合适的氧化电位以响应Cu(II)。因此，该类探针（SPA_Cu）在MOPs缓冲溶液中可被游离态Cu(II)选择性氧化，形成稳定的自由基阳离子，导致光声信从近红外区（NIR）红移到短波红外区（SWIR），从而实现比率光声成像。

其次，作者通过配体竞争实验（包括有机化合物、氨基酸、生物蛋白）详细研究了探针SPA_Cu1对游离态Cu(II)的检测能力，同时选用团队之前开发的Cu(II)配位型探针PA_Cu3进行了比较研究。作者发现相较于PACu3，探针SPA_Cu1对游离态Cu(II)具有更高的检测灵敏度，而PA_Cu3的响应性能则受其解离常数（K_d值）的影响（图2）。

鉴于该类探针在SWIR窗口内优异的光声特性，且具备比率光声响应行为，作者选用可通过血脑屏障的探针SPA_Cu5成功实现了PD模型小鼠脑内游离态Cu(II)的微米级分辨率成像（图3）。实验结果表明，探针SPA_Cu5能有效可视化疾病进展与治疗早期阶段的游离态Cu(II)动态变化，充分证明了其在活体Cu(II)成像中的应用潜力。这些发现证明了探针SPA_Cu系列在研究游离态Cu(II)动力学及其在生理和病理中的作用方面的巨大潜力。

Dynamic Photoacoustic Imaging of Mobile Cu(II) in Vivo via Catalytic Radical Cation Formation

Zhiyong Jiang, Qian Sun, Xiaoqing Wang, Yuncong Chen, Fang Liu, Jing Zhao, Zijian Guo, Zhipeng Liu

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202500149