熱點應用：高亮度近紅外探針實現環(huán)境光照射下的生物成像
2024年9月13日，一大學教授研究團隊在Nature Photonics期刊上發(fā)表了一篇題為“High-Brightness Transition Metal Sensitized High-Brightness Lanthanide Near-Infrared Luminescence Nanoparticles”的研究成果（DOI: doi.org/10.1038/s41566-024-01517-9）
近紅外光是一種人眼不可見的光，相對于可見光（400-700 nm）而言，生物組織在近紅外窗口（700-1700 nm）內對光的吸收與散射較小。這使得可以發(fā)射近紅外光的探針在生物成像和臨床腫瘤切除等領域具有天然的優(yōu)勢。鑭系納米顆粒被認為是理想的近紅外發(fā)光材料，其發(fā)光效率主要依賴于鑭系敏化劑對外部能量的吸收和轉換效率。然而，傳統鑭系敏化劑的吸收截面較低，因此傳統近紅外探針通常需要較高能量的激光照射才能發(fā)光。過高的照射功率不僅會造成背景干擾，影響成像的信噪比和分辨率，還可能引起潛在的過熱現象，對生物組織造成傷害。因此，如何降低輻照光的能量，甚至在功率較低的環(huán)境光照射下來實現高信噪比近紅外成像，一直是科研人員面臨的難題。
參考文獻：
1. Jiang Ming, Ying Chen, Han Miao, Yong Fan, Shangfeng Wang, Zihan Chen, Zhenhao Guo, Zhixiu Guo, Luyin Qi, Xusheng Wang, Baofeng Yun, Peng Pei, Haisheng He, Hongxin Zhang, Yun Tang, Dongyuan Zhao, Gary Ka-Leung Wong, Jean-Claude G. Bünzli, and Fan Zhang*, High-Brightness Transition Metal Sensitized High-Brightness Lanthanide Near-Infrared Luminescence Nanoparticles, Nat. Photonics, 2024, DOI: doi.org/10.1038/s41566-024-01517-9
| 儀器推薦
近紅外二區(qū)小動物活體成像系統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NIR-II-ST分別完成了NIR-II窗口的四色加密與NIR-II窗口的小鼠成像。
該小動物活體成像系統功能強大，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，可實現大視野以及局部小動物高信噪比和高分辨活體成像。自主開發(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。同時該成像系統應用場景多樣化，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，且成像系統采用了模塊化設計，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。該系統能夠應用于活體小動物熒光手術導航、臟器成像、腫瘤成像、血管成像、淋巴成像、體內植入物的監(jiān)測、藥物追蹤與活體原位疾病檢測等研究。
近紅外光是一種人眼不可見的光，相對于可見光（400-700 nm）而言，生物組織在近紅外窗口（700-1700 nm）內對光的吸收與散射較小。這使得可以發(fā)射近紅外光的探針在生物成像和臨床腫瘤切除等領域具有天然的優(yōu)勢。鑭系納米顆粒被認為是理想的近紅外發(fā)光材料，其發(fā)光效率主要依賴于鑭系敏化劑對外部能量的吸收和轉換效率。然而，傳統鑭系敏化劑的吸收截面較低，因此傳統近紅外探針通常需要較高能量的激光照射才能發(fā)光。過高的照射功率不僅會造成背景干擾，影響成像的信噪比和分辨率，還可能引起潛在的過熱現象，對生物組織造成傷害。因此，如何降低輻照光的能量，甚至在功率較低的環(huán)境光照射下來實現高信噪比近紅外成像，一直是科研人員面臨的難題。
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針對以上難題，研究團隊開發(fā)了一系列尺寸均一，結構和發(fā)射波長可調的新型過渡金屬元素鉻敏化的鑭系納米發(fā)光顆粒（Cr3+-sensitized lanthanide-doped nanoparticles, CLNPs）。該研究成果發(fā)表于三價鉻離子作為人體必需的微量元素，同時具有較高的光吸收截面。其摩爾消光系數是常用的鑭系敏化劑的十四倍，使其對激發(fā)光具有更強的收集能力。而本項目所開發(fā)的鉻金屬氟化物納米基質具有低聲子能特性，不僅可以作為承載鑭系激活劑的基質，還可以作為敏化劑。團隊首次在納米尺度實現了過渡金屬鉻離子對于六種鑭系激活劑的敏化，發(fā)光范圍覆蓋900-1700 nm。此外，與需要激光激發(fā)的傳統鑭系敏化納米粒子相比，新型的CLNPs在較弱的環(huán)境光照射下即可實現高效近紅外發(fā)光。CLNPs的亮度比相同尺寸的傳統鑭系敏化納米粒子最多高出三百七十倍。而其他過渡金屬（例如Mn2+，Ni2+）也有類似的敏化能力。這證明了過渡金屬對鑭系離子敏化在納米結構中具有一定的普適性這一重要科學發(fā)現。
不僅如此，CLNPs還可以外延生長至傳統鑭系敏化納米粒子表面，形成長程有序的界面結構，同樣可以通過界面能量傳遞的方式對傳統鑭系納米晶體進行敏化，實現最高二十倍的發(fā)光增強。這一發(fā)現不僅拓寬了現有鑭系納米晶體的工具庫，還開啟了依靠過渡金屬敏化來實現鑭系納米晶體高效發(fā)光的新領域。 |
團隊基于CLNPs良好的化學穩(wěn)定性，將其作為新型防偽墨水實現了近紅外窗口的四色加密：噴灑了防偽墨水的樹葉在肉眼下仍然保持綠色，但在近紅外相機視野中，不再需要高功率的激光，僅需環(huán)境光的照射便可以清晰地觀察到不同通道的加密信息。不僅如此，在小鼠皮下瘤的手術切除實驗中，團隊利用CLNPs的強消光特性，僅在手術室無影燈的照射下就可實現近紅外手術導航。相比之下，為達到相同效果，使用傳統激光激發(fā)的功率需要高出十一倍。此外，團隊還使用了口服商品化長余輝材料作為“內照射”光源，通過選用摻雜不同鑭系激活劑的CLNPs可以實現小鼠不同臟器和不同病灶部位的高對比度多重成像。這一技術的應用極大地簡化了近紅外成像的使用條件，同時也拓寬了近紅外納米探針的使用范圍。
參考文獻：
1. Jiang Ming, Ying Chen, Han Miao, Yong Fan, Shangfeng Wang, Zihan Chen, Zhenhao Guo, Zhixiu Guo, Luyin Qi, Xusheng Wang, Baofeng Yun, Peng Pei, Haisheng He, Hongxin Zhang, Yun Tang, Dongyuan Zhao, Gary Ka-Leung Wong, Jean-Claude G. Bünzli, and Fan Zhang*, High-Brightness Transition Metal Sensitized High-Brightness Lanthanide Near-Infrared Luminescence Nanoparticles, Nat. Photonics, 2024, DOI: doi.org/10.1038/s41566-024-01517-9
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近紅外二區(qū)小動物活體成像系統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NIR-II-ST分別完成了NIR-II窗口的四色加密與NIR-II窗口的小鼠成像。
該小動物活體成像系統功能強大，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，可實現大視野以及局部小動物高信噪比和高分辨活體成像。自主開發(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。同時該成像系統應用場景多樣化，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，且成像系統采用了模塊化設計，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。該系統能夠應用于活體小動物熒光手術導航、臟器成像、腫瘤成像、血管成像、淋巴成像、體內植入物的監(jiān)測、藥物追蹤與活體原位疾病檢測等研究。
