​热点应用 | 高亮度近红外探针实现环境光照射下的生物成像

       2024年9月13日，某大学教授团队在Nature Photonics期刊上发表了一篇题为“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）

       近红外光是一种人眼不可见的光，相对于可见光（400-700 nm）而言，生物组织在近红外窗口（700-1700 nm）内对光的吸收与散射较小。这使得可以发射近红外光的探针在生物成像和临床肿瘤切除等领域具有天然的优势。镧系纳米颗粒被认为是理想的近红外发光材料，其发光效率主要依赖于镧系敏化剂对外部能量的吸收和转换效率。然而，传统镧系敏化剂的吸收截面较低，因此传统近红外探针通常需要较高能量的激光照射才能发光。过高的照射功率不仅会造成背景干扰，影响成像的信噪比和分辨率，还可能引起潜在的过热现象，对生物组织造成伤害。因此，如何降低辐照光的能量，甚至在功率较低的环境光照射下来实现高信噪比近红外成像，一直是科研人员面临的难题。

       针对以上难题，某大学教授团队开发了一系列尺寸均一，结构和发射波长可调的新型过渡金属元素铬敏化的镧系纳米发光颗粒（Cr3+-sensitized lanthanide-doped nanoparticles, CLNPs）。该研究成果发表于三价铬离子作为人体必需的微量元素，同时具有较高的光吸收截面。其摩尔消光系数是常用的镧系敏化剂的十四倍，使其对激发光具有更强的收集能力。而本项目所开发的铬金属氟化物纳米基质具有低声子能特性，不仅可以作为承载镧系激活剂的基质，还可以作为敏化剂。团队首次在纳米尺度实现了过渡金属铬离子对于六种镧系激活剂的敏化，发光范围覆盖900-1700 nm。此外，与需要激光激发的传统镧系敏化纳米粒子相比，新型的CLNPs在较弱的环境光照射下即可实现高效近红外发光。CLNPs的亮度比相同尺寸的传统镧系敏化纳米粒子最多高出三百七十倍。而其他过渡金属（例如Mn2+，Ni2+）也有类似的敏化能力。这证明了过渡金属对镧系离子敏化在纳米结构中具有一定的普适性这一重要科学发现。

       不仅如此，CLNPs还可以外延生长至传统镧系敏化纳米粒子表面，形成长程有序的界面结构，同样可以通过界面能量传递的方式对传统镧系纳米晶体进行敏化，实现最高二十倍的发光增强。这一发现不仅拓宽了现有镧系纳米晶体的工具库，还开启了依靠过渡金属敏化来实现镧系纳米晶体高效发光的新领域。

       团队基于CLNPs良好的化学稳定性，将其作为新型防伪墨水实现了近红外窗口的四色加密：喷洒了防伪墨水的树叶在肉眼下仍然保持绿色，但在近红外相机视野中，不再需要高功率的激光，仅需环境光的照射便可以清晰地观察到不同通道的加密信息。不仅如此，在小鼠皮下瘤的手术切除实验中，团队利用CLNPs的强消光特性，仅在手术室无影灯的照射下就可实现近红外手术导航。相比之下，为达到相同效果，使用传统激光激发的功率需要高出十一倍。此外，团队还使用了口服商品化长余辉材料作为“内照射”光源，通过选用掺杂不同镧系激活剂的CLNPs可以实现小鼠不同脏器和不同病灶部位的高对比度多重成像。这一技术的应用极大地简化了近红外成像的使用条件，同时也拓宽了近红外纳米探针的使用范围。

参考文献：

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NIR-II窗口的四色加密与NIR-II窗口的小鼠成像。

       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。同时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。该系统能够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研究。