近红外二区小动物活体成像应用 | 研发X光激发的NIR-II余辉发光材料

背景介绍

传统的荧光（Fluorescence）组织成像，是将成像组织置放于不断发射特定波长的光源照射下进行。受同一个光源照射影响，周围的组织自体同样会产生荧光，称为背景荧光。背景荧光的存在将使得信噪比下降，不利于对目标组织进行成像。因而近几年，科研工作者开始寻求一种新的发光成像——余辉发光（Persistent luminescence）。

余辉发光是物体在照射光源并撤去光源后，持续发光的现象。因为发光时不再接受光源照射，因而在应用于组织成像时，能够减少自体荧光背景的影响，提高信噪比（图1）。

图1 荧光和余辉发光的原理对比图（蓝色箭头为激发光；绿色箭头为散射光；红色箭头为发射光；褐色箭头为背景荧光。强度可参考箭头粗细）

尽管余辉发光有如此明显的优势，目前涉及的材料仍有以下几个问题：1、材料主要为大型晶体，涉及高温的合成环境并缺乏纳米结构和表面性质上的可调性；2、材料成像多为可见光和NIR-I，成像深度有限；3、激发材料发光的波长多为可见光或紫外，能量低，不利于材料能量富集；4、一些可富集高能量的由X光激发的材料所发射的波长在可见光和NIR-I范围内，成像深度同样有限。

材料研发

针对以上问题，Peng Pei等人通过在NaGdF4、NaGdF4纳米粒子中加入镧系元素掺杂剂，成功合成出了X光激活的余辉发光纳米粒子（Persistent luminescence nanoparticles，PLNPs）。通过调整加入的元素种类，使得PLNPs具有可调谐性，且均在NIR-II波段内（图2）。

图2 通过掺入不同的稀土元素（Er、Tm、Ho、Nd）调整纳米粒子在NIR-II波长段的发射波长

材料优化

文章中涉及的主体材料有NaYF4、NaGdF4 两种，因而可优化的方向较多。作者首先将作为主体的NaGdF4、NaGdF4 同时应用于一个纳米粒子中，形成壳核结构。之后对纳米粒子的掺杂剂浓度、核体积、壳厚度、结晶相（Crystalline phase）、主体基质（Host matrix）等性质进行的考察。其中对于主体基质，作者发现壳核使用同一种主体材料（NaYF4或NaGdF4）将获得更高的纳米粒子发光强度。这可能是由于同一种主体材料原子大小相同，使得晶体的缺陷（Defect）更少。

体内成像

优化后的Er-PLNPs进行了小鼠的腹部血管成像和输尿管成像测试。在腹部血管成像测试中，相对于荧光成像，余辉发光成像获得了更高的肿瘤/正常组织亮度比（T/N ratio），尤其在注射后的5 min时，可达到荧光成像信噪比的3.7倍。而在输尿管成像测试中，作者在小鼠肾盂部位注射后，肾盂、输尿管和膀胱都能够在NIR-II成像中观察到，其T/N比相对于荧光成像达到了4.1倍。

图3 余辉发光纳米粒子（上）与荧光纳米粒子（下）分别在注射后 5、10、20 min 得到的NIR-II成像

图4 余辉发光纳米粒子（红）与荧光纳米粒子（蓝）注射后的肿瘤与正常组织信号强度比（T/N ratio）

小结

凭借可调谐的NIR-II成像波长、高信噪比、高分辨率、低细胞毒性等特点，Peng Pei等人的成果大大拓展了现有X光激发的余辉发光材料的种类和应用场景。但同时，发光效率仍有待提高，降低用于激发的X光剂量使其达到安全门槛也是今后拓展研究的重要方向。

参考文献

[1] Pei, P., Chen, Y., Sun, C. et al. X-ray-activated persistent luminescence nanomaterials for NIR-II imaging. Nat. Nanotechnol. 16, 1011–1018 (2021).

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