拓展的近红外二区优势窗口用于稀土纳米晶高分辨活体多重成像

       光学多重成像能够同时检测多个生化成分并直接观察不同的生理行为，这在生物技术和临床医学领域引起了广泛关注。近红外第二窗口（NIR-II，1000-1700 nm）下的荧光成像显著减少了光学散射而提供了较好的空间分辨率，它推动了非侵入式活体多重成像的发展。随着波长的延长，组织散射逐渐减少，水吸收是限制生物组织下光学穿透深度的关键因素。目前，仅NIR-IIb窗口（1500-1700 nm）的发光探针才能提供高分辨的活体荧光成像。然而，在这个狭窄的NIR-IIb区域中可用的探针数量十分有限，并且所用的荧光信号之间容易重叠。因此，研究人员非常希望开发更多的发光探针来扩展优越的NIR-IIb成像窗口，增加高分辨活体多重成像的可选通道。

       为解决上述问题，某大学教授研究团队通过模拟光子在组织中的穿透过程，将传统的NIR-IIb窗口（1500-1700 nm）扩展到近红外二区长波窗口（NIR-II-L，1500-1900 nm）。然后，设计了一系列含有Tm3+、Ho3+和Er3+等掺杂离子的镧系纳米晶体，以产生1852 nm（Tm3+）、2030 nm（Ho3+）、2324 nm（Tm3+）、2734 nm（Er3+）和2842 nm（Ho3+）等新型近红外发光。他们发现，相较于近红外二区短波窗口（NIR-II-S，1000-1400 nm），NIR-II-L窗口下的纳米探针可以显著提高成像对比度。

图1. (a) 本研究开发的一系列1500 nm后发射的镧系纳米晶体；(b) 根据组织散射和水吸收模拟穿透深度随波长变化的结果；(c) 比较不同近红外二区成像窗口在模拟组织下的穿透和散射结果；(d-e) NIR-II-L窗口下荧光信号间无窜扰。

       进一步地，研究团队通过合理的纳米结构设计，发现具有“核-壳-壳”结构的β-NaYbF4:Ln3+@NaYbF4@NaYF4是一种适用于Yb3+敏化各种镧系元素近红外发光的优良纳米晶体，相较于传统的“核-壳”结构，它们的近红外发光强度均得到大幅提升。之后，基于新开发的NIR-II-L探针揭示了NIR-II-L窗口下的多重成像可以提供高信噪比和清晰的边界。此外，通过使用多个NIR-II-L纳米探针，本研究成功实现了对血管、肠道、肿瘤和淋巴结等活体器官或组织的高分辨静态和动态多重成像。

图2. (a) 使用NIR-II-L纳米探针在老鼠腹部区域对血管和淋巴系统的多重成像结果；(b) 使用三种NIR-II-L纳米探针对荷瘤小鼠的血管、肠道和实体瘤的多重成像结果；(c) 通过尾静脉注射过程展现NIR-II-L纳米探针进行活体动态多重成像的能力。

       团队还展望了近红外多重成像的前景。他们认为，为了推进多重成像的研究，有必要开发更多合适的NIR-II-L荧光探针。此外，随着成像设备的不断进步，镧系元素丰富的f-f外层电子跃迁也可以提供更多潜在的新型近红外发光纳米晶体，以帮助研究者发现和进一步扩大可用的“生物透明”窗口。例如，镧系Tm3+离子2324 nm的荧光发射位于2100 nm-2400 nm的水吸收峰谷，提升其亮度有望推动该区域成为下一代高分辨成像窗口。

参考文献：

An Extended NIR-II Superior Imaging Window from 1500 to 1900 nm for High-Resolution In Vivo Multiplexed Imaging Based on Lanthanide Nanocrystals. Zi-Han Chen, Xiaohan Wang, Mingzhu Yang, Jiang Ming, Baofeng Yun, Lu Zhang, Xusheng Wang, Peng Yu, Jing Xu, Hongxin Zhang*, Fan Zhang*. Angew. Chem. Int. Ed., 2023, e202311883. DOI: doi.org/10.1002/anie.202311883.

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近红外二区小动物活体成像系统NIR-II-ST

NIR-II in vivo imaging system

       文中利用近红外二区小动物活体成像系统NIR-II-ST分别完成了小鼠腹部区域血管和淋巴系统的多重成像实验以及荷瘤小鼠的血管、肠道和实体瘤的多重成像实验，并通过尾静脉注射过程完成了NIR-II-L纳米探针进行活体动态多重成像实验。

       该小动物活体成像系统功能强大，相机性能优异，多款深度制冷的InGaAs近红外相机可供选择。检测灵敏度高，可实现大视野以及局部小动物高信噪比和高分辨活体成像。自主开发的软件功能一键操作，可实时反映仪器状态，自动化控制，操控与图像处理一体化，终身免费升级。该成像系统应用场景多样化，可用于小动物近红外二区宽场成像、全光谱成像、近红外二区荧光寿命成像，且成像系统采用了模块化设计，成像功能亦可进一步升级扩展X射线激发模块、CT成像模块、三维成像模块、热成像模块、比率荧光测试、多通道成像与原位光谱测试等。该系统可应用于活体小动物荧光手术导航、脏器成像、肿瘤成像、血管成像、淋巴成像、体内植入物的监测、药物追踪与活体原位疾病检测等。