生物醫(yī)學(xué)研究中的光學(xué)成像能夠?qū)崟r(shí)觀察生物體內(nèi)某些區(qū)域的特征和狀態(tài)，提供關(guān)于細(xì)胞和組織結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確和豐富的信息，從而有助于更深入地了解體內(nèi)復(fù)雜的生理和病理過程。其中第二近紅外窗口（NIR-II, 1000 ~ 1700 nm）的光學(xué)成像由于減少了組織散射和自體熒光，在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)中具有很大的前景。在眾多的NIR-II成像探針中，鑭系納米晶體被認(rèn)為是理想的活體深部組織成像材料，其具有豐富的橫跨NIR-II區(qū)域的窄帶發(fā)射，以及優(yōu)越的光穩(wěn)定性和生物相容性。然而，合理設(shè)計(jì)具有優(yōu)越激發(fā)波長(zhǎng)的NIR-II探針以平衡組織散射和水吸收的影響仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

在這項(xiàng)研究中，作者報(bào)告了一系列基于鈥敏化的鑭系納米晶體庫（HSNCs），其能夠在1143納米的激發(fā)波長(zhǎng)下產(chǎn)生近紅外二區(qū)（NIR-II）的可調(diào)諧發(fā)射。通過精細(xì)調(diào)節(jié)共同摻雜和界面結(jié)構(gòu)中敏化劑和激活劑的組成，成功實(shí)現(xiàn)了跨越1000-2200 nm范圍的可調(diào)諧發(fā)射，極大地?cái)U(kuò)展了NIR-II成像探針的工具包。通過深入探索穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)發(fā)光過程，作者清晰地闡明了鈥離子與其他鑭系離子之間的能量轉(zhuǎn)移機(jī)制。此外，體外和體內(nèi)成像實(shí)驗(yàn)表明，由于光子散射減少和水吸收相對(duì)較低，1143 nm光子比鑭系納米材料中常用的經(jīng)典激發(fā)光具有更好的組織穿透性。這些新開發(fā)的HSNCs可實(shí)現(xiàn)幾乎無串?dāng)_的三通道NIR-II體內(nèi)成像。值得注意的是，通過引入在不同波長(zhǎng)下激發(fā)的鑭系納米材料，成像通道可擴(kuò)展至六個(gè)，從而能夠在體內(nèi)清晰區(qū)分多種解剖結(jié)構(gòu)。

圖1. (a) 具有核殼結(jié)構(gòu)的NaYF₄: Ho,Ln示意圖。(b) NaYF₄: Ho,Er的形貌表征。(c-d)不同波長(zhǎng)的組織透過率研究。(e) 鈥敏化納米顆粒所能實(shí)現(xiàn)的發(fā)射光譜圖。

圖2. (a) 三通道成像所用探針發(fā)射光譜圖。(b-e)鈥敏化納米顆粒用于無串?dāng)_的三通道成像。(f-j)利用鈥敏化納米顆粒的多發(fā)射特性以及和傳統(tǒng)激發(fā)波長(zhǎng)的激發(fā)無串?dāng)_的特點(diǎn)所實(shí)現(xiàn)的六通道成像。

NIR-II in vivo imaging system

文中利用近紅外二區(qū)小動(dòng)物活體成像系統(tǒng)NIR-II-ST分別完成了NIR-II窗口的小鼠全身血管成像，腸道實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)成像以及荷瘤小鼠的血管、胃腸道、淋巴結(jié)、腫瘤、肝臟的多重成像。

該小動(dòng)物活體成像系統(tǒng)功能強(qiáng)大，相機(jī)性能優(yōu)異，多款深度制冷的InGaAs近紅外相機(jī)可供選擇。檢測(cè)靈敏度高，可實(shí)現(xiàn)大視野以及局部小動(dòng)物高信噪比和高分辨活體成像。自主開發(fā)的軟件功能一鍵操作，可實(shí)時(shí)反映儀器狀態(tài)，自動(dòng)化控制，操控與圖像處理一體化，終身免費(fèi)升級(jí)。該成像系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景多樣化，可用于小動(dòng)物近紅外二區(qū)寬場(chǎng)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(jì)，成像功能亦可進(jìn)一步升級(jí)擴(kuò)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(cè)試、多通道成像與原位光譜測(cè)試等。該系統(tǒng)可應(yīng)用于活體小動(dòng)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(cè)、藥物追蹤與活體原位疾病檢測(cè)等。

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