? ? ? 基于不同熒光發(fā)射峰進行的多通道檢測技術(shù)被廣泛用于生物醫(yī)學領(lǐng)域。然而由于活體組織復雜結(jié)構(gòu)對不同波長具有的不同吸收和散射作用，即使利用近紅外二區(qū)熒光在生物組織中低散射和吸收的特性，活體多重檢測的定量準確性仍然有待提高。目前利用鑭系元素摻雜的熒光材料進行近紅外二區(qū)壽命多通道檢測取得了突破性的進展，然而該類材料在構(gòu)筑不同熒光壽命的探針的同時，往往會造成探針之間較大的熒光強度差異，特別是短壽命材料的熒光強度通常較弱，易受到背景噪聲的干擾，從而難以實現(xiàn)多樣品信息的同時解析。

針對上述問題，某大學教授研究團隊設(shè)計了以Er³⁺作為發(fā)光中心的、雙界面結(jié)構(gòu)鑭系納米顆粒 (Er-DINPs：α-NaYF₄@NaErF₄: x%Ce@NaYbF₄@NaErF₄: x%Ce@NaYF₄)，通過平衡Yb³⁺的敏化作用及Ce³⁺的促進交叉弛豫作用對 Er³⁺熒光強度和壽命進行調(diào)節(jié)，*實現(xiàn)了Er³⁺近紅外二區(qū)下轉(zhuǎn)換（1525 nm）熒光強度增強和熒光壽命可調(diào)的特性。利用材料優(yōu)勢，該工作進一步證明了在保證多樣品間熒光強度差異較?。◤姸炔町?/span>< 20%）的條件下，可以在較低的信噪比下解析出更準確的熒光壽命值（解析誤差<10%）及信號區(qū)域（像素保留率>80%），*終實現(xiàn)高保真熒光壽命多通道成像(有效像素保留率>80%)。該工作為鑭系納米材料熒光強度和壽命的靈活調(diào)控提供了新思路，同時也為提高活體壽命多通道成像的半定量或定量分析準確性提供了重要參考。

這一研究成果于2021年12月以“High-fidelity NIR-II multiplexed lifetime bioimaging with bright double interfaced lanthanide nanoparticle”為題發(fā)表在 《Angewandte Chemie International Edition》*期刊上。

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圖1. ?(a) 納米顆粒雙界面Er-DINPs的多層結(jié)構(gòu)示意圖；(b) 熒光發(fā)射光譜及熒光壽命光譜圖。(c) 不同熒光強度材料進行壽命多通道成像解析效果對比圖。

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團隊開發(fā)了一系列 Er³⁺摻雜雙界面納米顆粒（DINPs），在NIR-II窗口中具有增強的熒光強度和可調(diào)壽命，以滿足高保真壽命多通道成像的需求（圖1）。?雙界面Er-DINPs的設(shè)計為：α-NaYF₄@NaErF₄：?x%Ce@NaYbF₄@NaErF₄：?x%Ce@NaYF₄（圖1a）， 通過優(yōu)化Yb³⁺層厚和Ce³⁺摻雜濃度，*終合成一系列Er-DINPs（α-NaYF4@NaErF₄：x% Ce @NaYbF₄@NaErF₄：x% Ce @NaYF₄），它們具有相似的熒光強度（低于17.9±1.5%）和可區(qū)分的熒光壽命（τ：1.29 ms，2.58 ms，3.58 ms）（圖1b）。 利用這些具有強熒光發(fā)射和可調(diào)壽命的Er-DINPs，研究團隊制作了三組壽命編碼箭頭圖（圖1c），以證明具有相似強度的探針能夠同時進行多通道壽命成像方面的優(yōu)點。為了定量評估解碼的壽命圖像，團隊使用解析壽命值的平均誤差（σ）和信號區(qū)域的像素保留率（PRR）作為確定解碼壽命圖像保真度的評估標準。通過實驗驗證了較高的相似熒光強度的樣品很容易實現(xiàn)高保真多通道熒光壽命成像，并且熒光強度強、壽命可調(diào)的Er-DINPs能夠通過減小不同壽命的多個樣品之間的強度差，打破了傳統(tǒng)熒光強度較弱的短壽命材料在壽命復用方面的局限性。

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圖2. 活體實時熒光強度成像及壽命多通道成像，用于三種不同的給藥監(jiān)測。

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研究團隊進一步探索了Er-DINPs在磷脂修飾后進行體內(nèi)多重檢測的潛力。以皮下腫瘤小鼠為分析模型，通過熒光壽命成像系統(tǒng)檢測納米顆粒經(jīng)口服給藥、靜脈和瘤內(nèi)注射三種給藥途徑（圖2a）。使用三種優(yōu)化的Er-DINPs（圖4b，M1-3），它們具有明確區(qū)分的壽命和可比的熒光強度。在對照實驗中，使用了另外三種強度差異較大的ErNPs（圖4c，M4-6）。

注射優(yōu)化的Er-DINPs（瘤內(nèi)：M-1；口服：M-2；靜脈注射：M-3）后，可以通過對其代謝富集器官的多通道壽命解碼清楚地區(qū)分它們的給藥途徑（圖4 d），并且每個器官的解析壽命值與相應(yīng)的探針和離體解剖結(jié)果非常一致（圖4 f)。此外，由于復雜的生理過程，無法從熒光強度值中獲得不同探針在器官中的富集信息（圖4e，h）。當使用具有較大熒光強度差異的常規(guī)β-ErNPs（瘤內(nèi)：M-4；口服：M-5；靜脈注射：M-6）進行體內(nèi)或離體成像時，很難區(qū)分這三個通道（圖4g）。它們在體內(nèi)實驗與造影劑之間解析壽命值的σ均過25%（圖4i），表明難以獲得具有弱熒光的造影劑的準確壽命解碼。因此，具有不同壽命和強下轉(zhuǎn)換發(fā)射的優(yōu)化Er-DINPs為體內(nèi)熒光成像提供了更好的機會。團隊進一步利用這些Er-DINPs通過多通道壽命成像來監(jiān)測小鼠口服給藥后的腸道分布。在注射τ-gut和τ-tumor后，即使在6小時的監(jiān)測期間，也可以通過一致的特征壽命來清晰區(qū)分這兩種不同造影劑的代謝狀態(tài)（圖4j，k），這充分證明了它們具有良好的可區(qū)分性和穩(wěn)定性，適用于體內(nèi)壽命多通道成像。

參考文獻:

Xinyan Zhu, Xuan Liu, Hongxin Zhang*, Mengyao Zhao, Peng Pei, Ying Chen, Yiwei Yang, Lingfei Lu, Peng Yu, Caixia Sun, Jiang Ming, István ábrahám, Ahmed Mohamed El-Toni, Aslam khan and Fan Zhang*. High-fidelity NIR-II multiplexed lifetime bioimaging with bright double interfaced lanthanide nanoparticles. Angew. Chem. Int. Ed.?,?2021,?60, 23545-23551.

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| 儀器

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近紅外二區(qū)熒光壽命成像系統(tǒng)（NIR-II-LT）

NIR-II fluorescence lifetime imaging system

本文利用NIR-II-LT完成了小鼠皮下腫瘤模型中口服、靜脈和瘤內(nèi)注射三種不同給藥監(jiān)測的熒光壽命成像實驗，并且利用Er-DINPs的多通道壽命成像監(jiān)測了小鼠口服給藥后的腸道分布實驗。NIR-II-LT是一款長熒光壽命（微秒-毫秒）成像的近紅外二區(qū)系統(tǒng)，用于表征體內(nèi)或體外探針的熒光壽命信息。搭載深度制冷的InGaAs近紅外相機能夠滿足長時間曝光成像，尤其對于弱光能有很高的采集效率。開發(fā)的熒光壽命成像軟件功能一鍵操作，可方便的實現(xiàn)樣品信號采集、參數(shù)調(diào)節(jié)、熒光壽命擬合等一系列操作，獲得*終熒光壽命數(shù)據(jù)。成像視野2 cm×2 cm。除此之外，系統(tǒng)仍然具有寬場熒光成像功能，可利用軟件電動切換成像模式。系統(tǒng)配有三維平移臺（集合了自動加熱裝置），選配激光器、X射線、近紅外LED等等。該NIR-II-LT可應(yīng)用于活體內(nèi)多組分定量分析、活體內(nèi)免疫組化分析、活體細胞標記以及活體內(nèi)腫瘤微環(huán)境的定量傳感分析，實現(xiàn)熒光強度成像無法實現(xiàn)的深組織定量分析等。

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