拓展的近紅外二區(qū)優(yōu)勢窗口用于稀土納米晶高分辨活體多重成像

2025/08/26 11:03:17

光學(xué)多重成像能夠同時檢測多個生化成分并直接觀察不同的生理行為，這在生物技術(shù)和臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。近紅外第二窗口（NIR-II，1000-1700 nm）下的熒光成像顯著減少了光學(xué)散射而提供了較好的空間分辨率，它推動了非侵入式活體多重成像的發(fā)展。隨著波長的延長，組織散射逐漸減少，水吸收是限制生物組織下光學(xué)穿透深度的關(guān)鍵因素。目前，僅NIR-IIb窗口（1500-1700 nm）的發(fā)光探針才能提供高分辨的活體熒光成像。然而，在這個狹窄的NIR-IIb區(qū)域中可用的探針數(shù)量十分有限，并且所用的熒光信號之間容易重疊。因此，研究人員非常希望開發(fā)更多的發(fā)光探針來擴展優(yōu)越的NIR-IIb成像窗口，增加高分辨活體多重成像的可選通道。

為解決上述問題，研究團隊通過模擬光子在組織中的穿透過程，將傳統(tǒng)的NIR-IIb窗口（1500-1700 nm）擴展到近紅外二區(qū)長波窗口（NIR-II-L，1500-1900 nm）。然后，設(shè)計了一系列含有Tm³⁺、Ho³⁺和Er³⁺等摻雜離子的鑭系納米晶體，以產(chǎn)生1852 nm（Tm³⁺）、2030 nm（Ho³⁺）、2324 nm（Tm³⁺）、2734 nm（Er³⁺）和2842 nm（Ho³⁺）等*近紅外發(fā)光。他們發(fā)現(xiàn)，相較于近紅外二區(qū)短波窗口（NIR-II-S，1000-1400 nm），NIR-II-L窗口下的納米探針可以顯著提高成像對比度。

圖1. (a) 本研究開發(fā)的一系列1500 nm后發(fā)射的鑭系納米晶體；(b) 根據(jù)組織散射和水吸收模擬穿透深度隨波長變化的結(jié)果；(c) 比較不同近紅外二區(qū)成像窗口在模擬組織下的穿透和散射結(jié)果；(d-e) NIR-II-L窗口下熒光信號間無竄擾。

進一步地，研究團隊通過合理的納米結(jié)構(gòu)設(shè)計，發(fā)現(xiàn)具有“核-殼-殼”結(jié)構(gòu)的β-NaYbF₄:Ln³⁺@NaYbF₄@NaYF₄是一種適用于Yb³⁺敏化各種鑭系元素近紅外發(fā)光的優(yōu)良納米晶體，相較于傳統(tǒng)的“核-殼”結(jié)構(gòu)，它們的近紅外發(fā)光強度均得到大幅提升。之后，基于新開發(fā)的NIR-II-L探針揭示了NIR-II-L窗口下的多重成像可以提供高信噪比和清晰的邊界。此外，通過使用多個NIR-II-L納米探針，本研究*實現(xiàn)了對血管、腸道、腫瘤和淋巴結(jié)等活體器官或組織的高分辨靜態(tài)和動態(tài)多重成像。

圖2. (a) 使用NIR-II-L納米探針在老鼠腹部區(qū)域?qū)ρ芎土馨拖到y(tǒng)的多重成像結(jié)果；(b) 使用三種NIR-II-L納米探針對荷瘤小鼠的血管、腸道和實體瘤的多重成像結(jié)果；(c) 通過尾靜脈注射過程展現(xiàn)NIR-II-L納米探針進行活體動態(tài)多重成像的能力。

團隊*還展望了近紅外多重成像的前景。他們認為，為了推進多重成像的研究，有必要開發(fā)更多合適的NIR-II-L熒光探針。此外，隨著成像設(shè)備的不斷進步，鑭系元素豐富的f-f外層電子躍遷也可以提供更多潛在的*近紅外發(fā)光納米晶體，以幫助研究者發(fā)現(xiàn)和進一步擴大可用的“生物透明”窗口。例如，鑭系Tm3+離子2324 nm的熒光發(fā)射位于2100 nm-2400 nm的水吸收峰谷，提升其亮度有望推動該區(qū)域成為下一代高分辨成像窗口。

參考文獻：

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.

| 儀器

拓展的近紅外二區(qū)優(yōu)勢窗口用于稀土納米晶高分辨活體多重成像

近紅外二區(qū)小動物活體成像系統(tǒng)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(tǒng)NIR-II-ST分別完成了小鼠腹部區(qū)域血管和淋巴系統(tǒng)的多重成像實驗以及荷瘤小鼠的血管、腸道和實體瘤的多重成像實驗，并通過尾靜脈注射過程完成了NIR-II-L納米探針進行活體動態(tài)多重成像實驗。

該小動物活體成像系統(tǒng)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(xiàn)大視野以及局部小動物高信噪比和高分辨活體成像。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。該成像系統(tǒng)應(yīng)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(tǒng)采用了模塊化設(shè)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(tǒng)可應(yīng)用于活體小動物熒光手術(shù)導(dǎo)航、臟器成像、腫瘤成像、血管成像、淋巴成像、體內(nèi)植入物的監(jiān)測、藥物追蹤與活體原位疾病檢測等。

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