Graphene has shown fascinating applications in bionanotechnology, including DNA sensing, protein assays, and drug delivery. However, exploration of graphene with intracellular monitoring and in situ molecular probing is still at an early stage. In this regard, we have designed an aptamer-carboxyfluorescein (FAM)/graphene oxide nanosheet (GO-nS) nanocomplex to investigate its ability for molecular probing in living cells. Results demonstrate that uptake of aptamer-FAM/GO-nS nanocomplex and cellular target monitoring were realized successfully. The dramatic delivery, protection, and sensing capabilities of GO-nS in living cells indicate that graphene oxide could be a robust candidate for many biological fields, such as DNA and protein analysis, gene and drug delivering, and intracellular tracking.

Surfactant or polymer directed self-assembly has been widely investigated to prepare nanostructured metal oxides, semiconductors, and polymers, but this approach is mostly limited to two-phase materials, organic/inorganic hybrids, and nanoparticle or polymer-based nanocomposites. Self-assembled nanostructures from more complex, multiscale, and multiphase building blocks have been investigated with limited success. Here, we demonstrate a ternary self-assembly approach using graphene as fundamental building blocks to construct ordered metal oxide−graphene nanocomposites. A new class of layered nanocomposites is formed containing stable, ordered alternating layers of nanocrystalline metal oxides with graphene or graphene stacks. Alternatively, the graphene or graphene stacks can be incorporated into liquid-crystal-templated nanoporous structures to form high surface area, conductive networks. The self-assembly method can also be used to fabricate free-standing, flexible metal oxide−graphene nanocomposite films and electrodes. We have investigated the Li-ion insertion properties of the self-assembled electrodes for energy storage and show that the SnO2−graphene nanocomposite films can achieve near theoretical specific energy density without significant charge/discharge degradation.

Phototherapy, including photodynamic therapy (PDT) and photothermal therapy (PTT), is a light-activated local treatment modality that is under intensive preclinical and clinical investigations for cancer. To enhance the treatment efficiency of phototherapy and reduce the light-associated side effects, it is highly desirable to improve drug accumulation and precision guided phototherapy for efficient conversion of the absorbed light energy to reactive oxygen species (ROS) and local hyperthermia. In the present study, a programmed assembly strategy was developed for the preparation of human serum albumin (HSA)-indocyanine green (ICG) nanoparticles (HSA-ICG NPs) by intermolecular disulfide conjugations. This study indicated that HSA-ICG NPs had a high accumulation with tumor-to-normal tissue ratio of 36.12±5.12 at 24 h and a long-term retention with more than 7 days in 4T1 tumor-bearing mice, where the tumor and its margin, normal tissue were clearly identified via ICG-based in vivo near-infrared (NIR) fluorescence and photoacoustic dual-modal imaging and spectrum-resolved technology. Meanwhile, HSA-ICG NPs efficiently induced ROS and local hyperthermia simultaneously for synergetic PDT/PTT treatments under a single NIR laser irradiation. After an intravenous injection of HSA-ICG NPs followed by imaging-guided precision phototherapy (808 nm, 0.8 W/cm2 for 5 min), the tumor was completely suppressed, no tumor recurrence and treatments-induced toxicity were observed. The results suggest that HSA-ICG NPs generated by programmed assembly as smart theranostic nanoplatforms are highly potential for imaging-guided cancer phototherapy with PDT/PTT synergistic effects.

Single - molecule fluorescence spectroscopy of a multichromophoric conjugated polymer (molecular weight ∼20,000) revealed surprising single-step photobleaching kinetics and acute jumps in fluorescence intensity. These jumps were shown not to result from spectral diffusion and were attributed to fluctuations in the quantum yield of emission for the molecules. The data indicate efficient intramolecular electronic energy transfer along the polymer chain to a localized fluorescence-quenching polymer defect. The defects are created by reversible photochemistry of the polymer. These findings have implications for the use of conjugated polymers in light-emitting diode displays and sensors.

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.

Abstract Theranostics is a concept that integrated imaging and therapy. As an emerging field, it embraces multiple techniques to arrive at an individualized treatment purpose. Indocyanine green (ICG) is a near infrared dye that has been approved by Food and Drug Administration (FDA) in USA for the use in indicator-dilution studies in humans. ICG nanoparticles (NPs) have attracted much attention for its potential applications in cancer theranostics. This review focuses on the preparation, application of ICG NPs for in vivo imaging (fluorescent imaging and photoacoustic imaging) and therapeutics (photothermal therapy, photodynamic therapy and photoacoustic therapy), and future directions based on recent developments in these areas. It is hoped that this review might provide new impetus to understand ICG NPs for cancer theranostics.