时域上转换活体多通道成像

光学成像在许多生物医学领域，如早期癌症生物标志物的检测、肿瘤转移的监测及影像引导治疗危及生命的疾病等应用中均发挥着重要的作用。近年来，能够产生非线性反斯托克斯（anti-Stokes）荧光的镧系掺杂上转换纳米晶（UCNPs）被认为是一种有前途的新兴光学造影剂并广泛应用于生物医学领域的研究，这主要是由于其良好的物理化学特性，例如：零背底噪声、热稳定性、化学稳定性、无光漂白、无光闪烁、发射带宽大、低毒性等。此外，考虑到生物组织对光的吸收与散射，荧光发射在生物组织的光学窗口(700-1000 nm，NIR-I区)的上转换造影剂更利于实现生物体内高对比度荧光成像。然而，迄今为止，只有镱(Yb³⁺)和铥(Tm³⁺)离子共掺杂的上转换纳米晶发射（800 nm的荧光发射）位于此近红外生物窗口内。实现上转换活体多通道成像和检测依然是领域内的一个关键难点科学问题。

哈尔滨工业大学陈冠英教授（点击查看介绍）团队提出的近红外时域上转换荧光寿命成像的策略则成功解决了这一上转换活体多通道应用难题。众所周知，掺杂稀土离子的能量传递过程直接决定了上转换纳米晶的荧光性能。该团队设计一种Yb³⁺,Tm³⁺掺杂的四壳层上转换纳米晶结构（NaYF₄@NaYbF₄@NaYF₄: Yb³⁺/Tm³⁺@NaYF₄），通过调控纯Yb层（第二层）的厚度和Yb³⁺,Tm³⁺共掺杂层（第三层）中Yb³⁺的掺杂量分别调节Yb³⁺的能量迁移（EM）和Yb³⁺与Tm³⁺之间的反向能量传递,进而实现Tm³⁺在800 nm处的荧光寿命在两个数量级内的可控调节（78-2157 µs）。该系列纳米晶在生物体内的多路复用荧光成像在雌性Kunming小鼠（～20 g）中得到验证：三种具有不同荧光寿命的上转换纳米晶（920 µs、1158 µs和1528 µs）经表面修饰亲水性基团（-COOH）增强其生物相容性后，分别经皮下和尾静脉注射进入小鼠体内，最终小鼠体内三个部位（左腹部、右腹部、肝脏）的上转换纳米晶经寿命信息解析出来。此外，具有不同荧光寿命的上转换纳米晶在高阶防伪和加密中的应用也在这一工作中得到了证实。近红外时域上转换成像方法为生物光子领域开辟了许多新的可能性。

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society  上，文章的第一作者是哈尔滨工业大学博士研究生李慧，通讯作者为其导师，哈尔滨工业大学陈冠英教授。

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Temporal Multiplexed in Vivo Upconversion Imaging

Hui Li, Meiling Tan, Xin Wang, Feng Li, Yuqi Zhang, Lili Zhao, Chunhui Yang, Guanying Chen*

J. Am. Chem. Soc., 2020, 142, 2023-2030, DOI: 10.1021/jacs.9b11641

导师介绍

陈冠英

https://www.x-mol.com/university/faculty/19849