Angew. Chem. Int. Ed. 同一期2篇論文連續(xù)報道張凡教授課題組近紅外第二窗口活體成像與傳感研究成果
目前常見的分子影像技術(shù)如X-射線，斷層掃描成像(CT)，磁共振成像(MRI)和超聲成像(US)被用于對疾病等的醫(yī)療診斷，但這些方法具有較差的空間分辨率及其無法實現(xiàn)動態(tài)實時監(jiān)測等缺點。熒光成像由于實時、非侵入性、時空分辨率高等優(yōu)點，在生命科學和生物技術(shù)領域等領域已經(jīng)被廣泛使用。在過去幾年里，研究者們致力于研究近紅外第一窗口（700 nm~900 nm）的熒光成像，但是由于生物組織在這個波段范圍內(nèi)有很強的吸收和散射，致使其信噪比和組織穿透深度都比較低。近年來，位于近紅外第二窗口（NIR-II，1000 nm~1700 nm）的成像探針得到了廣泛的關注。在這個波段，生物組織自身的吸收和散射較弱，可以極大地提高活體成像質(zhì)量和穿透深度。因此，急需開發(fā)激發(fā)波長和發(fā)射波長都位于NIR-II的染料用于生物成像。在過去的研究中，研究者利用具有近紅外二區(qū)發(fā)射的一些材料，例如單壁碳納米管、量子點、染料以及稀土摻雜納米材料應用于生物成像。但是多數(shù)材料激發(fā)波長位于生物近紅外第一窗口。而激發(fā)和發(fā)射同時位于近紅外第二窗口的材料有待研究。
日前，復旦大學化學系張凡教授團隊合成了具有NIR-II激發(fā)和發(fā)射的有機小分子七甲川菁熒光染料FD-1080。該小分子易與胎牛血清（FBS）結(jié)合形成復合物，使其熒光量子產(chǎn)率得到大幅提高（5.94%）。該復合物具有激發(fā)波長位于1064 nm和熒光發(fā)射波長位于1080 nm的特性（圖1）。同時，本文證明了相對于已報道的NIR-II材料所使用的激發(fā)波長（650-980 nm），1064 nm作為激發(fā)波長具有更好的組織穿透深度和空間分辨率。該復合物不僅能實現(xiàn)小鼠下肢及腦部血管高分辨成像，而且能夠動態(tài)監(jiān)測清醒及麻醉狀態(tài)下的小鼠呼吸情況。相關成果以題為"An Efficient 1064 nm NIR‐II Excitation Fluorescent Molecular Dye for Deep‐Tissue High‐Resolution Dynamic Bioimaging" 發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 7483-7487。
圖1. FD染料化學結(jié)構(gòu)式及生物成像示意圖
與此同時，張凡教授團隊通過Er敏化的作用，得到了具有近紅外二區(qū)激發(fā)及發(fā)射的納米材料（NaErF4:Ho@NaYF4）。該納米顆粒吸收波長位于1530 nm，并通過能量傳遞上轉(zhuǎn)換作用將能量傳給Ho3+，最終得到1180 nm發(fā)射。Er3+在整個過程中既可以敏化Ho3+，自身在980 nm處也有發(fā)射。本文將納米顆粒結(jié)合IR1061并置于微針陣列中，利用芬頓反應對1180 nm及980nm強度比率的影響，實現(xiàn)了對炎癥部位雙氧水的高分辨率實時監(jiān)測。利用1530 nm的激發(fā)波長，巧妙的避免了染料自身熒光對于檢測的影響，得到了較好的結(jié)果（圖2）。該研究為近紅外二區(qū)探針的開發(fā)提供了一個新的思路。這一成果以題“Er3+ Sensitized 1530 nm to 1180 nm Second Near-Infrared Window Upconversion Nanocrystals for in Vivo Biosensing”同期發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 7518-7522。
圖2.（A）微針的制備過程以及相關掃描電鏡、共聚焦等表征；（B）近紅外二區(qū)活體成像裝置示意圖；（C）炎癥小鼠驗證模型動態(tài)活體傳感成像，分別對980nm，1180nm通道的熒光進行成像采集以及熒光成像比率分析圖
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