近日，深圳大学物理与光电工程学院及生物医学光子学研究中心在国际知名期刊《Nano Letters》（中科院JCR一区，TOP期刊，影响因子：10.8）上发表题为“In Vivo High-Contrast Biomedical Imaging in the Second Near-Infrared Window Using Ultrabright Rare-Earth Nanoparticles”的研究论文，该论文报道了一种发射峰位于近红外二区的稀土下转换发光纳米探针，通过有效的荧光增强策略以及表面修饰方案，利用该探针实现了无创的小鼠脑血管成像以及小鼠后肢微血管成像，有效提升了成像深度和成像对比度。我院博士生徐榕为该论文的第一作者，我院屈军乐教授、于斌教授和化学与环境工程学院的曹慧群副教授为该论文的共同通讯作者，深圳大学为第一完成单位与通讯单位。
图1. NIR-IIb稀土下转换发光纳米探针工作原理及成像示意图
相对于传统的可见光（Vis，400-700 nm）和近红外一区（NIR I，750-900 nm）成像，近红外二区( NIR-Ⅱ, 1000-1700 nm)成像技术具备生物体内散射和自体荧光背景低、组织穿透深度深和时空分辨率高等优势，更适合于活体原位成像，在肿瘤临床诊断和治疗领域具有广阔的应用前景。为了提升特定生物组织的成像深度和分辨率，需要借助多功能的近红外二区荧光探针。然而，现阶段发射峰位于NIR-II波段的荧光探针相对较少，尤其是在NIR-IIb (1500-1700 nm)波段更为缺乏。因此，开发多功能的NIR-II荧光探针，并将其与成像系统和诊疗手段结合，能够有效促进活体大深度成像的进一步发展。在本研究中，课题组设计开发了一种发射峰位于1550 nm的稀土掺杂荧光纳米探针，通过巧妙的核壳壳结构设计，在极大地提升敏化效率的同时，抑制了激发能的长程能量传递，同时在中间壳层引入竞争离子能够有效调控能量的交叉弛豫过程，抑制纳米颗粒在可见光区的发射增强其在NIR-IIb区域的发射，使得探针在1550 nm的发射增强了24倍。并且，通过调控最外层保护壳层的厚度，有效抑制了亲水环境中的氢氧根对荧光产生的淬灭。此外，通过在纳米颗粒表面包裹脂质体有效提升了它的水溶性和活体可代谢性，降低了探针的潜在生物毒性。为验证探针的成像性能，我们将其应用于活体小鼠的脑血管成像以及后肢股动脉微血管成像。实验结果表明，探针能够在无创的条件下实现对活体小鼠进行脑血管成像，成像深度约为3 mm，分辨率为15.21 μm。同时，探针也可实现对小鼠后肢的股动脉微血管网络的可视化。
图2. NIR-IIb荧光纳米探针用于小鼠股动脉血管成像
图3 NIR-IIb荧光纳米探针用于无创小鼠脑血管成像
本研究工作通过合理的结构设计，有效增强了NIR-IIb稀土下转换发光纳米探针的荧光发射，从而实现了成像深度深和对比度高的活体近红外二区成像，以期在肿瘤临床诊断和治疗领域发挥作用。
该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、深圳市科技计划项目，以及深圳市重点实验室项目的支持。
论文原文链接：http://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c03698
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