Angew. Chem. Int. Ed. 同一期2篇論文連續(xù)報(bào)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(duì)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(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測等缺點(diǎn)。熒光成像由于實(shí)時(shí)、非侵入性、時(shí)空分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，在生命科學(xué)和生物技術(shù)領(lǐng)域等領(lǐng)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(gè)波段范圍內(nèi)有很強(qiáng)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(guān)注。在這個(gè)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(diǎn)、染料以及稀土摻雜納米材料應(yīng)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(shí)位于近紅外第二窗口的材料有待研究。
日前，復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系張凡教授團(tuán)隊(duì)合成了具有NIR-II激發(fā)和發(fā)射的有機(jī)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(fù)合物，使其熒光量子產(chǎn)率得到大幅提高（5.94%）。該復(fù)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(shí)，本文證明了相對(duì)于已報(bào)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(fù)合物不僅能實(shí)現(xiàn)小鼠下肢及腦部血管高分辨成像，而且能夠動(dòng)態(tài)監(jiān)測清醒及麻醉狀態(tài)下的小鼠呼吸情況。相關(guān)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(xué)結(jié)構(gòu)式及生物成像示意圖
與此同時(shí)，張凡教授團(tuán)隊(duì)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(gè)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(yīng)對(duì)1180 nm及980nm強(qiáng)度比率的影響，實(shí)現(xiàn)了對(duì)炎癥部位雙氧水的高分辨率實(shí)時(shí)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(duì)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(gè)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(guān)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(yàn)證模型動(dòng)態(tài)活體傳感成像，分別對(duì)980nm，1180nm通道的熒光進(jìn)行成像采集以及熒光成像比率分析圖
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