Photodynamic therapy (PDT), which relies on photosensitizers (PS) and light to generate reactive oxygen species to kill cancer cells or bacteria, has attracted much attention in recent years. PSs with both bright emission and efficient singlet oxygen generation have also been used for image-guided PDT. However, simultaneously achieving effective 1 O2 generation, long wavelength absorption, and stable near-infrared (NIR) emission with low dark toxicity in a single PS remains challenging. In addition, it is well known that when traditional PSs are made into nanoparticles, they encounter quenched fluorescence and reduced 1 O2 production. In this contribution, these challenging issues have been successfully addressed through designing the first photostable photosensitizer with aggregation-induced NIR emission and very effective 1 O2 generation in aggregate state. The yielded nanoparticles show very effective 1 O2 generation, bright NIR fluorescence centered at 820 nm, excellent photostability, good biocompatibility, and negligible dark in vivo toxicity. Both in vitro and in vivo experiments prove that the nanoparticles are excellent candidates for image-guided photodynamic anticancer therapy.

Abstract Precise diagnostics are of significant importance to the optimal treatment outcomes of patients bearing brain tumors. NIR‐II fluorescence imaging holds great promise for brain‐tumor diagnostics with deep penetration and high sensitivity. This requires the development of organic NIR‐II fluorescent agents with high quantum yield (QY), which is difficult to achieve. Herein, the design and synthesis of a new NIR‐II fluorescent molecule with aggregation‐induced‐emission (AIE) characteristics is reported for orthotopic brain‐tumor imaging. Encapsulation of the molecule in a polymer matrix yields AIE dots showing a very high QY of 6.2% with a large absorptivity of 10.2 L g −1 cm −1 at 740 nm and an emission maximum near 1000 nm. Further decoration of the AIE dots with c‐RGD yields targeted AIE dots, which afford specific and selective tumor uptake, with a high signal/background ratio of 4.4 and resolution up to 38 µm. The large NIR absorptivity of the AIE dots facilitates NIR‐I photoacoustic imaging with intrinsically deeper penetration than NIR‐II fluorescence imaging and, more importantly, precise tumor‐depth detection through intact scalp and skull. This research demonstrates the promise of NIR‐II AIE molecules and their dots in dual NIR‐II fluorescence and NIR‐I photoacoustic imaging for precise brain cancer diagnostics.

Bacterial infection is one of the most serious physiological conditions threatening human health. There is an increasing demand for more effective bacterial diagnosis and treatment through noninvasive theranostic approaches. Herein, a new strategy is reported to achieve in vivo metabolic labeling of bacteria through the use of MIL-100 (Fe) nanoparticles (NPs) as the nanocarrier for precise delivery of 3-azido-d-alanine (d-AzAla). After intravenous injection, MIL-100 (Fe) NPs can accumulate preferentially and degrade rapidly within the high H2 O2 inflammatory environment, releasing d-AzAla in the process. d-AzAla is selectively integrated into the cell walls of bacteria, which is confirmed by fluorescence signals from clickable DBCO-Cy5. Ultrasmall photosensitizer NPs with aggregation-induced emission characteristics are subsequently designed to react with the modified bacteria through in vivo click chemistry. Through photodynamic therapy, the amount of bacteria on the infected tissue can be significantly reduced. Overall, this study demonstrates the advantages of metal-organic-framework-assisted bacteria metabolic labeling strategy for precise bacterial detection and therapy guided by fluorescence imaging.

Two-photon photodynamic therapy (PDT) is able to offer precise 3D manipulation of treatment volumes, providing a target level that is unattainable with current therapeutic techniques. The advancement of this technique is greatly hampered by the availability of photosensitizers with large two-photon absorption (TPA) cross section, high reactive-oxygen-species (ROS) generation efficiency, and bright two-photon fluorescence. Here, an effective photosensitizer with aggregation-induced emission (AIE) characteristics is synthesized, characterized, and encapsulated into an amphiphilic block copolymer to form organic dots for two-photon PDT applications. The AIE dots possess large TPA cross section, high ROS generation efficiency, and excellent photostability and biocompatibility, which overcomes the limitations of many conventional two-photon photosensitizers. Outstanding therapeutic performance of the AIE dots in two-photon PDT is demonstrated using in vitro cancer cell ablation and in vivo brain-blood-vessel closure as examples. This shows therapy precision up to 5 µm under two-photon excitation.

Activation of photosensitizers (PSs) in targeted lesion and minimization of reactive oxygen species (ROS) depletion by endogenous antioxidants constitute promising approaches to perform highly effective image-guided photodynamic therapy (PDT) with minimal non-specific phototoxicity. Traditional strategies to fabricate controllable PS platforms rely on molecular design, which requires specific modification of each PS before PDT. Therefore, construction of a general tumor-responsive PDT platform with minimum ROS loss from endogenous antioxidant, typically glutathione (GSH), is highly desirable. Herein, MOF-199, a Cu(II) carboxylate-based metal-organic framework (MOF), is selected to serve as an inert carrier to load PSs with prohibited photosensitization during delivery. After cellular uptake, Cu (II) in the MOFs effectively scavenges endogenous GSH, concomitantly induces decomposition of MOF-199 to release the encapsulated PSs, and recovers their ROS generation. In vitro and in vivo experiments demonstrate highly effective cancer cell ablation and anticancer PDT with diminished normal cell phototoxicity. This strategy is generally applicable to PSs with both aggregation-induced emission and aggregation-caused quenching to implement activatable and enhanced image-guided PDT.

Two-photon excited photodynamic therapy (2PE-PDT) has attracted great attention in recent years due to its great potential for deep-tissue and highly spatiotemporally precise cancer therapy. Photosensitizers (PSs) with high singlet oxygen (1O2) generation efficiency and large two-photon absorption (2PA) cross-sections are highly desirable, but the availability of such PSs is limited by challenges in molecular design. In this work, we report that the polymerization of small-molecule PSs with aggregation-induced emission (AIE) could yield conjugated polymer PSs with good brightness, high 1O2 generation efficiency, and large 2PA cross-sections. A pair of conjugated polymer PSs were designed and synthesized, and the corresponding AIE PS dots were prepared by nanoprecipitation, which exhibited outstanding 2PE-PDT performance in in vitro cancer cell ablation and in vivo zebrafish liver tumor treatment. Our work highlights a strategy to design highly efficient PSs for 2PE-PDT.

Abstract Tuning surface strain is a new strategy for boosting catalytic activity to achieve sustainable energy supplies; however, correlating the surface strain with catalytic performance is scarce because such mechanistic studies strongly require the capability of tailoring surface strain on catalysts as precisely as possible. Herein, a conceptual strategy of precisely tuning tensile surface strain on Co 9 S 8 /MoS 2 core/shell nanocrystals for boosting the hydrogen evolution reaction (HER) activity by controlling the MoS 2 shell numbers is demonstrated. It is found that the tensile surface strain of Co 9 S 8 /MoS 2 core/shell nanocrystals can be precisely tuned from 3.5% to 0% by changing the MoS 2 shell layer from 5L to 1L, in which the strained Co 9 S 8 /1L MoS 2 (3.5%) exhibits the best HER performance with an overpotential of only 97 mV (10 mA cm −2 ) and a Tafel slope of 71 mV dec −1 . The density functional theory calculation reveals that the Co 9 S 8 /1L MoS 2 core/shell nanostructure yields the lowest hydrogen adsorption energy (∆ E H ) of −1.03 eV and transition state energy barrier (∆ E 2H* ) of 0.29 eV (MoS 2 , ∆ E H = −0.86 eV and ∆ E 2H* = 0.49 eV), which are the key in boosting HER activity by stabilizing the HER intermediate, seizing H ions, and releasing H 2 gas.

Electrocatalytic CO2 reduction (ECO2R) to produce formate is one of the essential routes for CO2 upgrading. Herein, the bismuth oxyfluoride (BiOF) material is firstly rationally designed as a precursor to derive the F-modified Bi catalyst (FD-Bi) for ECO2R. The FD-Bi catalyst achieves more than 90 % Faradaic efficiency of formate (FEformate) over a wide potential range of −0.5 ∼ -1.2 V vs. RHE. By coupling in-situ Raman and infrared spectroscopy, the transformation of BiOF to FD-Bi and the formation of key *OCHO intermediates have been revealed. Density functional theory (DFT) calculations further confirm the optimized electronic structure and the favorable adsorption energies of intermediates on F-modified Bi catalyst. In a coupled system for the co-production of formate, a high FEformate of 159.1 % can be realized at a small cell voltage of 1.9 V. In addition, Zn-CO2 battery equipped with FD-Bi delivers a high power density of 2.68 mW·cm−2 and superior stability.