近紅外二區(qū)反斯托克斯位移發(fā)光用于生物活體成像

2024年10月10日，某大學(xué)教授團隊在Angewandte Chemie International Edition期刊上發(fā)表了一篇題為“NIR-II Anti-Stokes Luminescence Nanocrystals with 1710 nm Excitation for in vivo Bioimaging”的研究成果（DOI: 10.1002/anie.202416893）

 光學(xué)多重成像能夠同時檢測多個生化成分并直接觀察不同的生理行為，這在生物技術(shù)和臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。近紅外第二窗口（NIR-II，1000-1700 nm）下的熒光成像顯著減少了光學(xué)散射而提供了較好的空間分辨率，它推動了非侵入式活體多重成像的發(fā)展。隨著波長的延長，組織散射逐漸減少，水吸收是限制生物組織下光學(xué)穿透深度的關(guān)鍵因素。目前，僅NIR-IIb窗口（1500-1700 nm）的發(fā)光探針才能提供高分辨的活體熒光成像結(jié)果。然而，在這個狹窄的NIR-IIb區(qū)域中可用的探針數(shù)量十分有限，并且所用的熒光信號之間容易串?dāng)_重疊。因此，研究人員非常希望開發(fā)更多的發(fā)光探針來擴展優(yōu)越的NIR-IIb成像窗口，增加高分辨活體多重成像中的可選通道。

為解決上述問題，復(fù)旦大學(xué)張凡教授和張洪新研究員團隊設(shè)計了一種*的鋰基質(zhì)稀土納米核殼結(jié)構(gòu)。該顆粒摻雜有稀土銩離子（Tm）和鉺離子（Er），使用1710 nm激光器能夠激發(fā)核層的Tm并傳遞給殼層的Er離子發(fā)出特征熒光，熒光光譜顯示其發(fā)射峰覆蓋了可見光和近紅外區(qū)。進一步，通過功率依賴關(guān)系曲線、拉曼散射光譜和變溫?zé)晒夤庾V的結(jié)果證明了這種發(fā)射機制需要聲子輔助和激發(fā)態(tài)吸收兩個過程參與，并且熒光發(fā)射強度受基質(zhì)材料的影響較大。實驗對比發(fā)現(xiàn)，Li基質(zhì)的聲子能比Na基質(zhì)更高，因而Li基質(zhì)下的發(fā)光強度更高。

圖1. (a) 本工作開發(fā)的一種可被1710 nm激發(fā)產(chǎn)生反斯托克斯位移發(fā)光的*稀土納米晶；(b) *納米晶體在1710 nm激發(fā)下的發(fā)射光譜；(c-e) 本工作*結(jié)構(gòu)的形貌、尺寸和元素等表征結(jié)果

本工作優(yōu)化后的核殼結(jié)構(gòu)顆粒具有優(yōu)良的發(fā)射性能。皮下腫瘤模型的成像對比顯示，所提出的Tm@Er@LiNCs顆粒（1710 nm激發(fā)，1532 nm發(fā)射）相比于之前*長的近紅外二區(qū)反斯托克斯位移發(fā)光體系Er,Ho@Y（1532 nm激發(fā)，1180 nm發(fā)射），信噪比提升了12.7倍，這可能是由于激發(fā)光1710 nm比激發(fā)光1532 nm有更小的水吸收，使得成像信號強度更大。因而，本工作提出將這種具NIR-IIb區(qū)發(fā)射的反斯托克斯位移探針與之前報道的Er探針（Yb,Er,Ce@Y，激發(fā)：915 nm，發(fā)射：1532 nm）和Tm探針（α-Yb,Tm@Yb@Y，激發(fā)：915 nm，發(fā)射：1632 nm）等結(jié)合，進行三通道的活體多重成像。使用這三種發(fā)光納米探針可以同時點亮血管網(wǎng)絡(luò)、大小腸和結(jié)直腸等器官，并呈現(xiàn)了小鼠在清醒和麻醉狀態(tài)下的肝臟富集材料速率和腸道蠕動速率，展現(xiàn)了活體多重成像在臨床給藥策略方面應(yīng)用的潛力。

圖2. (a-b) 使用本工作開發(fā)的探針可以呈現(xiàn)不同生理狀態(tài)老鼠的肝臟富集的速率差異；(c-e) 使用三種NIR-IIb的納米探針對小鼠不同生理狀態(tài)下的多重動態(tài)成像結(jié)果，提取出的熒光強度隨時間變化反映了大腸和結(jié)直腸在清醒和麻醉狀態(tài)下的蠕動差異。

之，這是首次在NIR-IIb區(qū)內(nèi)構(gòu)建反斯托克斯位移發(fā)光和下轉(zhuǎn)換發(fā)光結(jié)合的多重成像模式。本工作證明了這種反斯托克斯位移發(fā)光機制兼有聲子輔助的能量轉(zhuǎn)移和激發(fā)態(tài)吸收等過程，使得其能夠發(fā)出涵蓋可見到近紅外區(qū)的發(fā)射。這種*的反斯托克斯位移發(fā)光納米探針拓展了活體多重成像的設(shè)計思路，也將激勵廣大研究人員深入了解調(diào)控鑭系離子能級躍遷的方法。

參考文獻：

1. Zi-Han Chen, Baofeng Yun, Yanran Hou, Xiaohan Wang, Xusheng Wang, Jing Xu, Li Jiang, Ting Han, Hongxin Zhang*, Fan Zhang*. Angew. Chem. Int. Ed., 2024, e202416893. DOI: 10.1002/anie. 202416893.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202416893

| 儀器

近紅外二區(qū)小動物活體成像系統(tǒng)NIR-II-ST

NIR-II in vivo imaging system

文中利用近紅外二區(qū)小動物活體成像系統(tǒng)NIR-II-ST完成了NIR-IIb窗口（1500-1700 nm）的小鼠活體靜態(tài)和動態(tài)的多重成像。

該小動物活體成像系統(tǒng)功能強大，相機性能優(yōu)異，多款深度制冷的InGaAs近紅外相機可供選擇。檢測靈敏度高，可實現(xiàn)大視野以及局部小動物高信噪比和高分辨活體成像。開發(fā)的軟件功能一鍵操作，可實時反映儀器狀態(tài)，自動化控制，操控與圖像處理一體化，終身免費升級。同時該成像系統(tǒng)應(yīng)用場景多樣化，可用于小動物近紅外二區(qū)寬場成像、全光譜成像、近紅外二區(qū)熒光壽命成像，且成像系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計，成像功能亦可進一步升級擴展X射線激發(fā)模塊、CT成像模塊、三維成像模塊、熱成像模塊、比率熒光測試、多通道成像與原位光譜測試等。該系統(tǒng)能夠應(yīng)用于活體小動物熒光手術(shù)導(dǎo)航、臟器成像、腫瘤成像、血管成像、淋巴成像、體內(nèi)植入物的監(jiān)測、藥物追蹤與活體原位疾病檢測等研究。

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