發(fā)射近紅外光的探針在加密通訊和生物活體成像等領(lǐng)域具有天然優(yōu)勢。然而，傳統(tǒng)的近紅外探針通常需要在能量較高的激光照射下才能發(fā)光，不可避免地會造成背景的干擾，影響成像的信噪比和分辨率。此外，外部激光的輻照往往會造成潛在的過熱現(xiàn)象，容易對生物組織造成傷害。
針對以上難題，復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系教授張凡團(tuán)隊開發(fā)了高亮度近紅外探針，實現(xiàn)了弱光照射下的高信噪比生物成像。9月13日，相關(guān)研究在線發(fā)表于《自然—光子學(xué)》。
鑭系發(fā)光納米顆粒的結(jié)構(gòu)具有原子級別的可調(diào)性和界面能量傳遞的特性，常規(guī)由敏化劑、激活劑和基質(zhì)組成，其發(fā)光效率在很大程度上取決于鑭系敏化劑對外部激發(fā)光能量的吸收和轉(zhuǎn)換效率，且通常需要較高功率的激光才可以點亮。
研究團(tuán)隊開發(fā)了系列尺寸均一、結(jié)構(gòu)和發(fā)射波長可調(diào)的新型過渡金屬元素鉻（Cr）敏化的鑭系納米發(fā)光顆粒（CLNPs），首次在納米尺度實現(xiàn)了過渡金屬Cr3+對于6種鑭系激活劑的敏化，發(fā)光范圍覆蓋900-1700納米。此外，CLNPs在較弱的環(huán)境光照射下即可實現(xiàn)高效近紅外發(fā)光，亮度比相同尺寸的傳統(tǒng)鑭系敏化納米粒子最多高出370倍。
CLNPs還可以外延生長至傳統(tǒng)鑭系敏化納米粒子表面，形成長程有序的核殼納米界面結(jié)構(gòu)，Cr3+同樣可以通過界面能量傳遞的方式對傳統(tǒng)鑭系納米顆粒進(jìn)行敏化，實現(xiàn)最高20倍的發(fā)光增強(qiáng)。
傳統(tǒng)鑭系敏化劑與過渡金屬敏化劑區(qū)別。圖片來源于《自然—光子學(xué)》
進(jìn)一步地，團(tuán)隊在不同場景中測試了CLNPs的性能。作為新型防偽墨水，CLNPs實現(xiàn)了近紅外窗口的四色加密：噴灑了防偽墨水的樹葉在肉眼下仍然保持綠色，但在近紅外相機(jī)視野中，僅需環(huán)境光的照射便可以清晰地觀察到不同通道的加密信息。
在小鼠皮下瘤的手術(shù)切除實驗中，團(tuán)隊利用CLNPs的強(qiáng)消光特性，僅在手術(shù)室無影燈的照射下就可實現(xiàn)近紅外手術(shù)導(dǎo)航。而使用傳統(tǒng)激光激發(fā)達(dá)到相同效果，功率需高出11倍。
團(tuán)隊還使用了口服商品化長余輝材料作為“內(nèi)照射”光源，通過選用摻雜不同鑭系激活劑的CLNPs，可以實現(xiàn)小鼠不同臟器和不同病灶部位的高對比度多重成像。
由于鉻的全球年產(chǎn)量約為所有鑭系元素總產(chǎn)量之和的150倍，基于CLNPs的發(fā)光平臺還極具高效和經(jīng)濟(jì)性。研究團(tuán)隊表示，這一進(jìn)展將為材料科學(xué)、分析化學(xué)、信息工程、生物光子學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程和醫(yī)療診斷等領(lǐng)域拓寬研究視野。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41566-024-01517-9
本文鏈接：http://www.3ypm.com.cn/news-8-8026-0.html新型近紅外探針可實現(xiàn)弱光下的高信噪比生物成像
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