热点应用 | 基于亲金属分子寡聚体构建高效、稳定的NIR-II磷光用于活体单细胞跟踪和时间分辨成像

      体内光学成像和分析领域已经通过采用近红外二区（NIR-II，1000-1700 nm）波长实现了革命性的变革。由于这一波段的光能显著减少组织散射，因此能够实现更深层次的组织穿透。这一技术极大地增强了我们对生命系统实时观察的能力，能够以更高的清晰度和分辨率捕捉诸如血流、呼吸、心脏周期以及肾脏清除等动态生理过程。这些进步的关键在于分子荧光团在NIR-II波段中能够发出明亮的光，从而显著提升了NIR-II光学成像的性能。尽管取得了显著进展，但由于内源性自身荧光在NIR-II波段的拖尾发射带来的背景噪声，实现高对比度成像依然面临挑战。在这种情况下，将长寿命磷光与时间分辨成像技术相结合，以增强成像对比度，是一个有希望的解决方案。这是因为组织内源性荧光寿命通常较短（小于10纳秒）。然而，尽管已有关于相关无机纳米材料的报道，适合NIR-II波段光学成像的分子磷光材料的发展仍然相对有限。

       磷光是一种由三重态跃迁产生的发光现象，通常表现为系统间交叉（ISC）效率低，严重的非辐射能量耗散，以及由于自旋禁止过程导致的较慢的发光速率。较长的寿命和对氧的敏感性使得三重态激子更容易被氧气、水和室温等环境因素所猝灭。因此，室温下水溶液中的分子磷光现象极为罕见。目前，用于NIR-II波段的分子磷光材料的开发仍处于初期阶段。这些磷光团的磷光仅能在无水、无氧和低温（77 K）条件下勉强测量，难以应用于生物场景。因此，开发能够在室温水溶液中稳定发光的高质量NIR-II分子磷光材料，以实现高质量的活体成像，仍然是一个迫切且充满挑战的需求。

       为解决上述问题，某大学教授研究团队构建了一系列基于取代基调控策略的同色四(异氰基)-铑(I)配合物，其通过亲金属自组装成寡聚物可以形成明亮和稳定的NIR-II分子磷光材料。这些寡聚物具有极高的ISC效率(~98%)和增强的激子耦合长度，两者协同导致了寡聚物较高的光致发光量子产率(PLQY, 0.15-0.98%)。4dσ*(铑)→5pσ(铑)/π*(异氰化物)的三重态过渡态导致了寡聚体较长的磷光寿命(7-8 μs)。结合胎牛血清(FBS)后，组装蛋白复合物在生物环境中显示出更高的PLQY(0.17-3.93%)和长期稳定性。为了证明这一概念，研究人员进行了单巨噬细胞多路跟踪和寿命成像，以证明这些高强度和长寿命的NIR-II分子发光材料在光学成像中的潜在优势。这项工作不仅为长波长分子磷光的产生提供了一个模型，而且为进一步提高NIR-II成像的对比度提供了一条有希望的途径。

图1.（a）对称异氰基铑(I)配合物的分子结构。（b）Rh-1A的低温透射电镜图像（c) Rh- 1a纳米结构的HAADF扫描TEM图像以及 x射线能谱元素图。Rh-1A、Rh-2A和Rh-3A在水溶液(1% DMSO)中的吸收(d)和发射(e)光谱。（f）Rh-1A、Rh-2A和Rh-3A的发光衰减曲线，插图为近红外相机寿命成像的样品图片。Rh-1A、Rh-2A、Rh-3A分别为Rh-1、Rh-2、Rh-3在水溶液中的组合体。

图2.（a）Rh-2A/ fbs标记巨噬细胞的NIR-II发光成像。（b）Rh-2A/FBS(洋红色)和磷脂包封β-NaErF4@NaYF4(绿色)在808 nm激发下的归一化发射光谱。（c）细胞追踪实验简化示意图。（d）血管中Rh-2A/ fbs标记巨噬细胞的双色成像。（e）急性炎症小鼠模型简化示意图。（f）尾静脉注射Rh-2A/ fbs标记的巨噬细胞后炎症区巨噬细胞募集的多路成像。（g）LPS诱导的皮肤炎症(LPS+，蓝色)和健康区(Ctrl，黄色)成像区巨噬细胞数量对比。

图3.（a）含有Rh-3A/FBS的毛细血管被模拟组织(1%脂肪乳剂)覆盖前后的发光强度图像和寿命图像。（b）Rh-3A/FBS相对于脂肪乳剂浸泡深度的归一化强度和寿命。（c，f） 荧光与寿命成像比较模型示意图。（d，e，g）荧光与寿命成像比较结果。激发:808 nm。比例尺:5mm。

参考文献:

Ben Shi#, Lu Zhang#, Kui Yan, Jiang Ming, Zihan Chen, Ying Chen, Haisheng He, HongxinZhang, Lixin Wang, Shangfeng Wang* and Fan Zhang*, Angew. Chem. Int. Ed., 2024, e202410118.

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近红外二区荧光寿命成像系统（NIR-II-LT）

NIR-II fluorescence lifetime imaging system

       本文利用NIR-II-LT完成了小鼠活体肝脏和胃的荧光寿命成像实验。NIR-II-LT是一款长荧光寿命（微秒-毫秒）成像的近红外二区系统，用于表征体内或体外探针的荧光寿命信息。搭载深度制冷的InGaAs近红外相机能够满足长时间曝光成像，尤其对于弱光能有很高的采集效率。自主开发的荧光寿命成像软件功能一键操作，可方便的实现样品信号采集、参数调节、荧光寿命拟合等一系列操作，获得最、终荧光寿命数据。成像视野2 cm×2 cm。除此之外，系统仍然具有宽场荧光成像功能，可利用软件电动切换成像模式。系统配有三维平移台（集合了自动加热装置），选配激光器、X射线、近红外LED等等。该NIR-II-LT可应用于活体内多组分定量分析、活体内免疫组化分析、活体细胞标记以及活体内肿瘤微环境的定量传感分析，实现荧光强度成像无法实现的深组织定量分析等。

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近红外二区显微成像系统M-NIR-II

NIR-II microscopic imaging system

       文中巨噬细胞活体追踪及多色成像实验均采用近红外二区显微成像系统M-NIR-II进行的。该M-NR-II系统相机性能优异，具有三种深度制冷的InGaAs近红外相机可供用户自由选择。配备多款不同倍数的物镜，能够实现多种微区视野高信噪比活体成像。可选配多重波长激光器、X射线、近红外LED等多种激发光源。可搭配多个相机，动态实时示踪活体多种不同标记物。自主开发的软件功能一键操作，可实现图像采集与处理一体化，图像处理功能强大，终身免费升级。该系统可应用于肿瘤局部成像、微血管造影、细胞染色实验、活体细胞示踪、免疫细胞互作机理研究、癌细胞迁移以及病理切片分析等。