復旦大學張凡團隊Nat. Nanotech.: NIR-II長余輝探針用于高信噪比活體成像

【引言】

位于近紅外第二窗口（NIR-II, 1000 nm-1700 nm）的光學成像，由于具有低組織散射、高靈敏度和高時空分辨率等優勢，在生命科學與生物醫學領域具有廣闊的應用前景。然而，傳統熒光成像需要利用外部光源實時激發熒光探針，會不可避免地產生生物組織自身熒光背景干擾，影響成像的分辨率和信噪比。此外，外部激發光源的照射也會產生熱效應，對生物組織造成損傷；不均勻的照明還會造成寬場成像中熒光信號的扭曲，傳遞不準確的成像信息。

長余輝發光是一種獨特的光學現象，可以在激發停止后持續數分鐘甚至數小時。與傳統熒光成像不同，長余輝成像不需要外部激發光源，可以消除激發光與生物組織相互作用導致的組織熒光背景干擾，提高生物成像的靈敏度和信噪比。然而，當前報道的長余輝材料基本上都是通過高溫煅燒合成的體相材料，難以調控它們的尺寸、結構和表面性質。更為重要的是，這些長余輝材料的發射波長主要局限在可見光（400 nm-700 nm）和近紅外第一窗口（700 nm-900 nm）范圍。這些問題極大地限制了長余輝材料在活體生物成像中的應用。因此，設計合成發射波長位于近紅外第二窗口的長余輝納米探針具有重要的科學意義和應用前景。

【成果簡介】

為了解決上述問題，復旦大學張凡、凡勇&河北大學楊艷民報道了一系列發射波長位于近紅外第二窗口的鑭系元素摻雜的長余輝納米顆粒(Ln-PLNPs)。作者通過優化Ln-PLNPs的發光中心、尺寸、基質晶相和核-殼結構等參數，將長余輝信號延長到72小時以上；并且提出了一種可能的長余輝發光機理。利用核-殼結構的靈活性，作者還在單一納米顆粒上實現了多光譜近紅外長余輝信號發射；然后進一步構建了比率長余輝信號編碼庫，可以提高編碼容量和加密水平。最后，作者研究了Ln-PLNPs的穩定性和生物相容性，并且將它們用于血管分辨、腫瘤成像、輸尿管術中識別、活體多重成像、以及腫瘤多模態成像等活體生物應用中。該成果以“X-ray-activated persistent luminescence nanomaterials for NIR-II imaging”為題發表在國際期刊Nature?Nanotechnology上。

【圖文導讀】

圖1. X射線激活的NIR-II Ln-PLNPs

(a) X射線激活的NIR-II Ln-PLNPs的示意圖

(b) NaYF₄:3%Er@NaYF₄?納米粒子的低分辨率透射電子顯微鏡 (TEM) 圖像

(c) X射線照射后，Ln-PLNPs 長余輝發射光譜

(d) Nd-, Ho-, Tm- 和 Er-PLNPs 在離心管中的長余輝成像照片

(e) Ln-PLNPs的NIR-II長余輝衰減曲線

(f) Er-PLNPs的NIR-II長余輝循環穩定性

圖2.NIR-II PLNPs的參數調節與機理分析

(a-d)活化劑濃度(a)、殼層厚度（b）、發光核尺寸（c）和基質材料(d)對Er-PLNPs的NIR-II長余輝信號強度的影響

(e)核-殼界面缺陷對Er-PLNPs 的NIR-II長余輝信號強度的影響

(f)不同基質材料的 Er-PLNPs 的熱釋光曲線

(g)儲存溫度對 Er-PLNPs 的 NIR-II長余輝信號強度的影響

(h)X射線激活的Ln-PLNPs的長余輝發光機理

圖3.?構建多層結構Ln-PLNPs和NIR-II長余輝信號用于多路復用編碼

(a) 具有多層和共摻雜結構的Ln-PLNPs的示意圖

(b) 圖(a)中多層 Er/Nd/Ho-PLNPs的高角度環形暗場掃描透射電子顯微鏡圖像

(c-d)?X射線照射停止后，多層和共摻雜結構的Ln-PLNPs在Nd、Er 和 Ho 通道的NIR-II長余輝圖像（c）以及對應的長余輝衰減曲線(d)

(e) 封裝多層結構Ln-PLNPs的PDMS微球用于NIR-II長余輝編碼

(f-g) 圖(e)中PDMS微球在Er、Ho和Nd通道的SNR（f）和FWHM（g）

(h) 構建比率長余輝信號編碼庫示意圖

(i) 比率長余輝成像照片

(j) 比率長余輝信號用于PDMS蝴蝶圖案不同部位編碼

圖4.?X射線激活的Ln-PLNPs用于活體高對比度長余輝成像

(a) NIR-II長余輝用于血管成像的示意圖

(b) 靜脈注射Er-PLNPs后，小鼠血管的 NIR-II長余輝和 NIR-II 熒光圖像，以及位置 1 和 2 處血管的相應歸一化強度分布

(c) 多次注射Er-PLNPs后，不同時間小鼠腫瘤的NIR-II長余輝和 NIR-II 熒光圖像

(d) 圖(c）中小鼠腫瘤的 T/N 數值

(e) 手術切除腫瘤的H&E染色結果

(f) 腎盂注射 Er-PLNPs后，不同時間小鼠輸尿管的NIR-II長余輝和 NIR-II 熒光圖像

(g) 圖（f）中輸尿管在不同時間的FWHM

(h) 圖（f）中輸尿管的 H&E 染色結果

(i) 尾靜脈注射 Er-PLNPs后，小鼠器官的雙通道長余輝圖像

(j) 校準后，Er和Ho通道中小鼠臟器的長余輝信號強度

【小結】

盡管用于活體生物成像和生物傳感的NIR-II熒光成像已經研究了十多年，但是關于NIR-II長余輝的研究卻很少報道。在這項工作中，作者開發了一系列尺寸結構可調的、發射波長位于近紅外第二窗口的Ln-PLNPs，這在現有長余輝材料中不能實現的。通過合理設計核-殼結構，可以實現單一納米顆粒發射多光譜長余輝信號，并增加了動態信息以提高多級加密的安全性。此外，這些 Ln-PLNPs 在水溶液和生物介質中表現出良好的穩定性和生物安全性。與傳統的NIR-II熒光成像相比，NIR-II?Ln-PLNPs可以消除激發光造成的組織自發熒光，有望在深部組織中實現高對比度和高分辨率的生物成像。盡管Ln-PLNPs成功解決了激發光與生物組織相互作用引起的自發熒光背景問題，并將長余輝波長擴展到NIR-II窗口以進行高對比度的活體成像，但仍然需要進一步提高Ln-PLNPs的發光效率以滿足更先進的生物應用需求。使用發光效率更高的Ln-PLNPs，可以直接用低劑量X射線對深組織中的探針充能，從而實現納米探針的長期跟蹤和監測。值得注意的是，這里展示的長余輝成像都是基于被動靶向的。將功能分子修飾進一步在Ln-PLNPs，不僅可以提高探針在病灶部位的富集效率，還可以將其作為智能可激活探針用于監測病理過程。

文獻鏈接：X-ray-activated persistent luminescence nanomaterials for NIR-II imaging. Nat. Nanotechnol., 2021, DOI:10.1038/s41565-021-00922-3

本文由材料人學術組tt供稿，材料牛整理編輯。 ?

課題組介紹：

張凡，教授，博士生導師，國家杰出青年基金獲得者，中組部青年拔尖人才。2008年在復旦大學化學系博士畢業后赴美國加州大學圣塔芭芭拉分校化學與生物化學系進行博士后研究。2010年8月通過復旦大學人才引進計劃加入化學系。張凡教授主要從事于稀土近紅外熒光納米探針和有機分子探針的設計合成以及生物醫學診斷分析。已發表SCI論文100余篇，多篇以通訊作者身份發表在Nat.Nanotechnol, Nat. Commun，J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Mater.，Nano. Lett.等國際一流期刊上，引用超過17000次，其中25篇論文入選ESI高被引論文，并在2018-2020年入選科睿唯安全球高被引學者。撰寫出版英文專著2部(英國皇家化學會出版社和德國Springer-Nature出版社)。獲得教育部自然科學一等獎、侯德榜化工科技獎、上海市科技進步獎、上海市青年英才科技獎等榮譽。

課題組主頁：http://nanobiolab.fudan.edu.cn/

楊艷民，教授，2003-2008年在中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，激發態國家重點實驗室從事稀土發光材料研究并獲得博士學位；2008年進入河北大學物理科學與技術學院工作，并于2009年進入河北大學物理科學與技術學院光學工程博士后工作站，出站后，于2014年在韓國釜慶大學做一年訪問學者。現在主要研究方向是，低激發密度下UVC紫外上轉換發光材料在環境與生物方面的應用研究，新型余輝、應力發光材料制備及機理研究并取得了一些突破性進展。近期主要工作發表在自然期刊Nature Nanotechnology，Light: Science & Applications;美國光學學會Optics Letters, Optical Express上，發表論文80多篇，JCR一，二區及以上論文20篇。現為物理電子學碩士學位點導師組組長，光學工程博士生導師，河北大學坤輿優秀學者。兼任中國稀土學會光電材料與器件專委會理事，保定照明學會副秘書長， 保定LED產業技術協會理事，保定微生物協會理事。