近日，中科院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室常鈺磊課題組在近紅外二c區(qū)（NIR-IIc，1700-2000 nm）活體熒光成像領(lǐng)域取得進(jìn)展。研究結(jié)果以“Bright Tm3+-based downshifting luminescence nanoprobe operating around 1,800 nm for NIR-IIb and c bioimaging”為題，全文發(fā)表在《Nature Communications》[Nat Commun 14, 1079 (2023)]。
熒光成像因其高靈敏度、高時(shí)空分辨率和非侵入性，在生物醫(yī)學(xué)成像和診斷領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。但是，由于生物組織對(duì)電磁波的散射和吸收，限制了光在組織中的穿透深度。短波紅外（1000-3000nm），又稱近紅外二區(qū)（NIR-II）相比于可見光和近紅外一區(qū)波段, 因生物組織對(duì)光子吸收和散射更低，組織穿透更深，已廣泛應(yīng)用于活體寬場(chǎng)和顯微成像。目前，大于1500nm發(fā)射波段已被證實(shí)是一個(gè)有前途的熒光成像窗口，值得注意的是NIR-IIb（1600-1700nm），NIR IIc（1700-2000nm）和NIR IId/NIR-III（2100-2300nm）波段在生物組織中顯示出更低光子散射損耗和接近零的自熒光背景，將會(huì)提供更高空間分辨率和更深的組織成像深度。但是目前發(fā)光波長(zhǎng)超過(guò)1600nm的探針卻很少報(bào)道。
稀土離子摻雜的納米材料具有豐富的電子躍遷能級(jí)，發(fā)光譜帶多樣，發(fā)光峰窄，（反）斯托克斯位移大，光化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，易于表面功能化修飾等優(yōu)點(diǎn)，已成為理想的NIR-II成像探針，在多路傳感、時(shí)間門控檢測(cè)、成像引導(dǎo)治療和手術(shù)中具有巨大的應(yīng)用潛力。針對(duì)當(dāng)前熒光成像領(lǐng)域存在的問(wèn)題和對(duì)于長(zhǎng)波長(zhǎng)熒光探針的迫切需求，該研究提出了通過(guò)納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加強(qiáng)高摻Tm3+離子相互作用策略，實(shí)現(xiàn)高效的NIR-IIc熒光發(fā)射的思路。迄今為止，Tm3+的3F4→3H6能級(jí)躍遷產(chǎn)生~1800nm熒光發(fā)射主要用作塊狀的激光增益材料。然而，目前還沒有關(guān)于在NIR IIb和c區(qū)域使用Tm3+發(fā)射在膠體系統(tǒng)實(shí)施體內(nèi)生物成像的報(bào)告。這可能是由于嚴(yán)重的濃度和表面淬火效應(yīng)的限制。而傳統(tǒng)的Yb/Tm共摻上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光體系，為了避免Tm3+交叉弛豫過(guò)程，Tm3+的摻雜濃度一般很低（<1%），同時(shí)，Yb3+與Tm3+的反向能量傳遞損耗了大量能量，使Tm3+下移發(fā)光很弱。本工作通過(guò)外延光學(xué)惰性殼層有效避免了激發(fā)態(tài)能量在納米粒子表面猝滅，并利用Tm3+之間的交叉弛豫過(guò)程實(shí)現(xiàn)了高效的NIR-II熒光發(fā)射（QY=~14%）。此外，通過(guò)摻雜少量Er3+，進(jìn)一步提高了NIR-II發(fā)光強(qiáng)度。若進(jìn)一步提高Er3+濃度至30%，可以使得這種“合金”結(jié)構(gòu)納米粒子可以響應(yīng)四種波長(zhǎng)分別激發(fā)（800nm，980nm，1208nm和1530nm），為光學(xué)保密編碼、活體成像提供了強(qiáng)有力的研究工具。
該研究目前初步取得了良好的成像應(yīng)用效果，未來(lái)仍需進(jìn)一步提高探針的發(fā)光效率，增加激發(fā)和發(fā)射通道，以滿足多通道成像多靶標(biāo)檢測(cè)等需求。這一研究成果的諸多可能性為生物醫(yī)學(xué)、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域拓寬了前進(jìn)方向。
該研究受國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、吉林省自然科學(xué)基金、光機(jī)所曙光人才計(jì)劃、國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)自主課題等基金資助完成。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-36813-5。
