熒光成像由于具有非侵入性、高靈敏度、高時(shí)空分辨率等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于生命科學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。近紅外第二窗口區(qū)間的光學(xué)信號(hào)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(shí)時(shí)激發(fā)生物體內(nèi)的熒光探針，不可避免地會(huì)產(chǎn)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(huì)產(chǎn)生潛在的過(guò)熱現(xiàn)象，容易對(duì)生物組織造成損傷。因此，如何進(jìn)一步提高活體光學(xué)成像的分辨率和信噪比并獲得準(zhǔn)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(shù)》（Nature Nanotechnology）期刊在線(xiàn)發(fā)表了復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系教授張凡團(tuán)隊(duì)的科研成果《X射線(xiàn)激活的長(zhǎng)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(gòu)建近紅外第二窗口長(zhǎng)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(tuán)隊(duì)以高能帶隙、低聲子能的氟化物作為基質(zhì)材料，利用高溫溶劑熱分解方法首次設(shè)計(jì)合成了一系列尺寸、結(jié)構(gòu)和波長(zhǎng)可調(diào)的近紅外第二窗口稀土基長(zhǎng)余輝納米探針（Persistent luminescence nanoparticles, PLNPs）。通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)光中心稀土離子的種類(lèi)，在高能X射線(xiàn)的激發(fā)下，得到一系列發(fā)射波長(zhǎng)位于1000-1700 nm范圍的長(zhǎng)余輝納米顆粒。通過(guò)優(yōu)化長(zhǎng)余輝納米顆粒的發(fā)光中心離子濃度、基質(zhì)晶相、顆粒尺寸，以及構(gòu)建核-殼結(jié)構(gòu)等方法，可使余輝發(fā)光時(shí)長(zhǎng)達(dá)到72小時(shí)以上。

研究團(tuán)隊(duì)利用核-殼結(jié)構(gòu)的靈活性，通過(guò)納米結(jié)構(gòu)層層包裹在單一納米顆粒上實(shí)現(xiàn)近紅外第二窗口多光譜長(zhǎng)余輝發(fā)光，并且發(fā)現(xiàn)不同波長(zhǎng)通道長(zhǎng)余輝信號(hào)的比值不受樣品濃度、溫度和時(shí)間的影響。通過(guò)改變納米顆粒發(fā)光層和惰性層的厚度，*構(gòu)建了橫跨兩個(gè)數(shù)量級(jí)的比率長(zhǎng)余輝信號(hào)編碼庫(kù)。這一穩(wěn)定的比率長(zhǎng)余輝信號(hào)解決了長(zhǎng)余輝信號(hào)隨時(shí)間衰減所導(dǎo)致的編碼困難，同時(shí)在單一發(fā)射通道中增加了動(dòng)態(tài)信息，進(jìn)一步提高生物多重檢測(cè)的編碼容量和活體生物信息加密水平。

圖1. X射線(xiàn)激活的近紅外第二窗口長(zhǎng)余輝納米探針（PLNPs）示意圖（a），TEM照片（b），長(zhǎng)余輝發(fā)射光譜（c），近紅外第二窗口長(zhǎng)余輝衰減曲線(xiàn)（d）以及近紅外第二窗口長(zhǎng)余輝發(fā)光機(jī)理（e）；（f）構(gòu)建比率長(zhǎng)余輝信號(hào)編碼庫(kù)。

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

此外，研究團(tuán)隊(duì)基于近紅外第二窗口長(zhǎng)余輝納米探針良好的化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性將其用于活體生物成像研究。通過(guò)選用不同發(fā)射波長(zhǎng)的近紅外第二窗口長(zhǎng)余輝納米探針，也可以實(shí)現(xiàn)活體小鼠不同臟器和不同病灶部位的高對(duì)比度多重成像。不僅如此，由于該長(zhǎng)余輝納米探針核-殼納米結(jié)構(gòu)的可控性，通過(guò)采用可以產(chǎn)生核磁共振（MRI）信號(hào)的Gd3+作為殼層基質(zhì)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(shí)現(xiàn)了小鼠腫瘤近紅外第二窗口長(zhǎng)余輝/核磁共振/正電子發(fā)射斷層多模式成像。

研究團(tuán)隊(duì)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(lái)還需要進(jìn)一步提高長(zhǎng)余輝探針的發(fā)光效率以滿(mǎn)足更深組織和更復(fù)雜生物環(huán)境的成像應(yīng)用需求。此外，如何構(gòu)建功能化修飾的長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)活體病理過(guò)程檢測(cè)等都需要后續(xù)進(jìn)一步的探索。

參考文獻(xiàn)

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(dòng)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(dòng)物活體成像系統(tǒng)NIR-II-ST的基礎(chǔ)上增加了多通道成像和X射線(xiàn)激發(fā)模塊功能，利用近紅外第二窗口長(zhǎng)余輝信號(hào)進(jìn)行血管成像、腫瘤成像、成像指導(dǎo)下的輸尿管術(shù)中識(shí)別以及活體臟器多重成像。這款小動(dòng)物活體成像系統(tǒng)預(yù)留了模塊接口，將系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，性能優(yōu)越，實(shí)現(xiàn)了高分辨和高信噪比多模態(tài)成像功能。