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近红外二区小动物活体成像应用 | 研发X光激发的NIR-II余辉发光材料

发布日期:2022/5/7 10:43:14


背景介绍


传统的荧光(Fluorescence)组织成像,是将成像组织置放于不断发射特定波长的光源照射下进行。受同一个光源照射影响,周围的组织自体同样会产生荧光,称为背景荧光。背景荧光的存在将使得信噪比下降,不利于对目标组织进行成像。因而近几年,科研工作者开始寻求一种新的发光成像——余辉发光(Persistent luminescence)。


余辉发光是物体在照射光源并撤去光源后,持续发光的现象。因为发光时不再接受光源照射,因而在应用于组织成像时,能够减少自体荧光背景的影响,提高信噪比(图1)。


图1 荧光和余辉发光的原理对比图(蓝色箭头为激发光;绿色箭头为散射光;红色箭头为发射光;褐色箭头为背景荧光。强度可参考箭头粗细)



尽管余辉发光有如此明显的优势,目前涉及的材料仍有以下几个问题:1、材料主要为大型晶体,涉及高温的合成环境并缺乏纳米结构和表面性质上的可调性;2、材料成像多为可见光和NIR-I,成像深度有限;3、激发材料发光的波长多为可见光或紫外,能量低,不利于材料能量富集;4、一些可富集高能量的由X光激发的材料所发射的波长在可见光和NIR-I范围内,成像深度同样有限。


材料研发


针对以上问题,Peng Pei等人通过在NaGdF4NaGdF4纳米粒子中加入镧系元素掺杂剂,成功合成出了X光激活的余辉发光纳米粒子(Persistent luminescence nanoparticles,PLNPs)。通过调整加入的元素种类,使得PLNPs具有可调谐性,且均在NIR-II波段内(图2)。

图2 通过掺入不同的稀土元素(Er、Tm、Ho、Nd)调整纳米粒子在NIR-II波长段的发射波长


材料优化


文章中涉及的主体材料有NaYF4NaGdF两种,因而可优化的方向较多。作者首先将作为主体的NaGdF4NaGdF4 同时应用于一个纳米粒子中,形成壳核结构。之后对纳米粒子的掺杂剂浓度、核体积、壳厚度、结晶相(Crystalline phase)、主体基质(Host matrix)等性质进行的考察。其中对于主体基质,作者发现壳核使用同一种主体材料(NaYF4或NaGdF4)将获得更高的纳米粒子发光强度。这可能是由于同一种主体材料原子大小相同,使得晶体的缺陷(Defect)更少。


体内成像


优化后的Er-PLNPs进行了小鼠的腹部血管成像和输尿管成像测试。在腹部血管成像测试中,相对于荧光成像,余辉发光成像获得了更高的肿瘤/正常组织亮度比(T/N ratio),尤其在注射后的5 min时,可达到荧光成像信噪比的3.7倍。而在输尿管成像测试中,作者在小鼠肾盂部位注射后,肾盂、输尿管和膀胱都能够在NIR-II成像中观察到,其T/N比相对于荧光成像达到了4.1倍。


图3 余辉发光纳米粒子(上)与荧光纳米粒子(下)分别在注射后 5、10、20 min 得到的NIR-II成像



图4 余辉发光纳米粒子(红)与荧光纳米粒子(蓝)注射后的肿瘤与正常组织信号强度比(T/N ratio)


小结


凭借可调谐的NIR-II成像波长、高信噪比、高分辨率、低细胞毒性等特点,Peng Pei等人的成果大大拓展了现有X光激发的余辉发光材料的种类和应用场景。但同时,发光效率仍有待提高,降低用于激发的X光剂量使其达到安全门槛也是今后拓展研究的重要方向。


参考文献

[1] Pei, P., Chen, Y., Sun, C. et al. X-ray-activated persistent luminescence nanomaterials for NIR-II imaging. Nat. Nanotechnol. 16, 1011–1018 (2021).



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