近期，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所在《Advanced Materials》發(fā)表了題為“Yb3+ Energy Relay in Stratified Lanthanide Nanoparticles Enables Multidimensional NIR-II Lifetime Imaging”的研究論文。論文第一作者為博士研究生甘德超，通訊作者為常鈺磊研究員。該工作針對第二近紅外窗口（NIR-II，1000-2000 nm）多維光致發(fā)光壽命成像（mPLI）中存在的通道數(shù)量不足、探針壽命-強度解耦等難題。提出了一種基于Yb3+能量中繼策略的分層鑭系納米結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了在1060-2050 nm寬光譜范圍內(nèi)對離子發(fā)光壽命的有效調(diào)控，進一步結(jié)合自主搭建的多維壽命成像系統(tǒng)探索了其在高容量信息加密與多通道生物成像中的應(yīng)用。
NIR-II窗口因組織散射弱、穿透深度高，適合用于高分辨活體生物成像。但傳統(tǒng)熒光探針（如有機染料、量子點）發(fā)射譜帶寬、光譜串擾較明顯，限制了mPLI的通道擴展能力。同時，普適性稀土探針發(fā)光壽命調(diào)控手段有限，波長與壽命雙維度的信號復(fù)用仍具挑戰(zhàn)。針對這些情況，團隊提出一種具有普適性的分層納米結(jié)構(gòu)：LiYbF4@LiYF4:Yb3+,Ln3+@LiYF4（Ln-SNPs，Ln = Nd, Er, Tm, Ho）。該結(jié)構(gòu)一方面借助高濃度敏化核心保障能量吸收，另一方面通過調(diào)控發(fā)光層中Yb3+的濃度梯度，構(gòu)建“Yb3+能量中繼”機制，從而實現(xiàn)對材料的發(fā)光壽命的調(diào)節(jié)。以Tm3+摻雜體系為例，在保持1850 nm（NIR?IIc子窗口）發(fā)射強度基本不變的條件下，發(fā)光壽命可在654 μs至11918 μs之間連續(xù)調(diào)變，跨越近三個數(shù)量級。此外，該策略也可推廣至Yb3+/Ln3+及Nd3+自敏化等其他稀土摻雜體系，覆蓋整個NIR?II窗口，為拓展mPLI的可用通道數(shù)量提供了材料基礎(chǔ)。
圖1 分層鑭系納米顆粒（Ln-NPs）結(jié)構(gòu)示意圖
在信息安全領(lǐng)域，傳統(tǒng)熒光防偽主要依賴單一光譜維度，易被仿制且信息存儲容量有限。為此，研究團隊基于上述壽命可調(diào)的探針，開發(fā)了一套三級信息加密與防偽方法：第一級利用穩(wěn)態(tài)光譜進行快速識別；第二級利用長短壽命探針的時域掩藏效應(yīng)，實現(xiàn)時間門控下的解密；第三級則結(jié)合波長和壽命雙維度，采用ASCII編碼進行信息存儲。該方法在常規(guī)光照下信息隱蔽，只在特定延時的時間門控檢測下才能解密，為防偽技術(shù)提供了新思路。
圖2 基于壽命可調(diào)探針的高容量信息加密及防偽應(yīng)用展示
在生物成像應(yīng)用方面，研究團隊自主搭建了一套基于MCT（HgCdTe）短波紅外探測器的全電子控制寬場時間門控成像系統(tǒng)，以克服現(xiàn)有商用探測方案中波長覆蓋不全，機械斬波器振動干擾及光路復(fù)雜等問題。基于該系統(tǒng)，團隊成功實現(xiàn)了對小鼠腹部血管、肝臟、胃、結(jié)腸及腫瘤等六個不同靶標的同時區(qū)分與成像。成像通道容量較傳統(tǒng)光譜復(fù)用方式翻倍，且通道間串擾低于10%，上述結(jié)果展示了該技術(shù)在復(fù)雜疾病模型動態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用潛力。
圖3 活體NIR-II多通道光致發(fā)光壽命成像
綜上，該研究提出并驗證了一套覆蓋材料設(shè)計、壽命調(diào)控、成像平臺搭建及多通道活體成像全鏈條的NIR?II多通道多維成像方法，為高通量生物成像與下一代信息安全技術(shù)的發(fā)展提供了重要參考。
該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金及吉林省科技廳等項目的資助項目。感謝湖北理工學院解小雨博士、福州大學李齊清博士以及吉林大學李曉丹教授等對本工作給予的重要指導(dǎo)與幫助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202519832
