熒光成像由于具有非侵入性、高靈敏度、高時空分辨率等優(yōu)點，被廣泛用于生命科學和臨床醫(yī)學等領域。近紅外第二窗口區(qū)間的光學信號可以極大地提高活體成像的穿透深度、分辨率和信噪比。然而，傳統(tǒng)的熒光成像需要利用外部激發(fā)光源實時激發(fā)生物體內的熒光探針，不可避免地會產生生物組織背景熒光，從而影響成像的分辨率和信噪比。此外，外部激發(fā)光源的照射也會產生潛在的過熱現(xiàn)象，容易對生物組織造成損傷。因此，如何進一步提高活體光學成像的分辨率和信噪比并獲得準確的成像信息，一直是科研人員面臨的難題。

2021年6月10日，《自然·納米技術》（Nature Nanotechnology）期刊在線發(fā)表了復旦大學化學系教授張凡團隊的科研成果《X射線激活的長余輝納米材料用于近紅外第二窗口成像》（“X-ray-activated persistent luminescence nanomaterials for NIR-II imaging”），為以上難題的攻克提供了全新的思路。

研究突破：構建近紅外第二窗口長余輝納米探針用于活體深組織高信噪比成像

張凡教授研究團隊以高能帶隙、低聲子能的氟化物作為基質材料，利用高溫溶劑熱分解方法首次設計合成了一系列尺寸、結構和波長可調的近紅外第二窗口稀土基長余輝納米探針（Persistent luminescence nanoparticles, PLNPs）。通過調節(jié)發(fā)光中心稀土離子的種類，在高能X射線的激發(fā)下，得到一系列發(fā)射波長位于1000-1700 nm范圍的長余輝納米顆粒。通過優(yōu)化長余輝納米顆粒的發(fā)光中心離子濃度、基質晶相、顆粒尺寸，以及構建核-殼結構等方法，可使余輝發(fā)光時長達到72小時以上。

研究團隊利用核-殼結構的靈活性，通過納米結構層層包裹在單一納米顆粒上實現(xiàn)近紅外第二窗口多光譜長余輝發(fā)光，并且發(fā)現(xiàn)不同波長通道長余輝信號的比值不受樣品濃度、溫度和時間的影響。通過改變納米顆粒發(fā)光層和惰性層的厚度，*構建了橫跨兩個數(shù)量級的比率長余輝信號編碼庫。這一穩(wěn)定的比率長余輝信號解決了長余輝信號隨時間衰減所導致的編碼困難，同時在單一發(fā)射通道中增加了動態(tài)信息，進一步提高生物多重檢測的編碼容量和活體生物信息加密水平。

圖1. X射線激活的近紅外第二窗口長余輝納米探針（PLNPs）示意圖（a），TEM照片（b），長余輝發(fā)射光譜（c），近紅外第二窗口長余輝衰減曲線（d）以及近紅外第二窗口長余輝發(fā)光機理（e）；（f）構建比率長余輝信號編碼庫。

圖2. 近紅外第二窗口長余輝信號用于血管成像（a-b），腫瘤成像（c-e），成像指導下的輸尿管術中識別（f-h），以及活體臟器多重成像（i-j）。

此外，研究團隊基于近紅外第二窗口長余輝納米探針良好的化學穩(wěn)定性和生物相容性將其用于活體生物成像研究。通過選用不同發(fā)射波長的近紅外第二窗口長余輝納米探針，也可以實現(xiàn)活體小鼠不同臟器和不同病灶部位的高對比度多重成像。不僅如此，由于該長余輝納米探針核-殼納米結構的可控性，通過采用可以產生核磁共振（MRI）信號的Gd3+作為殼層基質并在其表面引入用于正電子發(fā)射斷層成像（PET）的18F元素，實現(xiàn)了小鼠腫瘤近紅外第二窗口長余輝/核磁共振/正電子發(fā)射斷層多模式成像。

研究團隊表示，盡管該研究已經(jīng)獲得了比傳統(tǒng)熒光探針更好的成像效果，未來還需要進一步提高長余輝探針的發(fā)光效率以滿足更深組織和更復雜生物環(huán)境的成像應用需求。此外，如何構建功能化修飾的長余輝納米探針，用于提高探針在病灶部位的富集效率，以及實現(xiàn)活體病理過程檢測等都需要后續(xù)進一步的探索。

參考文獻

Peng Pei, Ying Chen, Caixia Sun, Yong Fan*, Yanmin Yang*, Xuan Liu, Lingfei Lu, Mengyao Zhao, Hongxin Zhang, Dongyuan Zhao, Xiaogang Liu, Fan Zhang*. X-ray-activated persistent luminescence nanomaterials for NIR-II imaging. Nature Nanotechnology , 2021, 16, 1011–1018.

| 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

文中在近紅外二區(qū)小動物活體成像系統(tǒng)NIR-II-ST的基礎上增加了多通道成像和X射線激發(fā)模塊功能，利用近紅外第二窗口長余輝信號進行血管成像、腫瘤成像、成像指導下的輸尿管術中識別以及活體臟器多重成像。這款小動物活體成像系統(tǒng)預留了模塊接口，將系統(tǒng)進行升級，性能優(yōu)越，實現(xiàn)了高分辨和高信噪比多模態(tài)成像功能。