新型近红外探针可实现弱光下的高信噪比生物成像

发射近红外光的探针在加密通讯和生物活体成像等领域具有天然优势。然而，传统的近红外探针通常需要在能量较高的激光照射下才能发光，不可避免地会造成背景的干扰，影响成像的信噪比和分辨率。此外，外部激光的辐照往往会造成潜在的过热现象，容易对生物组织造成伤害。

针对以上难题，复旦大学化学系教授张凡团队开发了高亮度近红外探针，实现了弱光照射下的高信噪比生物成像。9月13日，相关研究在线发表于《自然—光子学》。

镧系发光纳米颗粒的结构具有原子级别的可调性和界面能量传递的特性，常规由敏化剂、激活剂和基质组成，其发光效率在很大程度上取决于镧系敏化剂对外部激发光能量的吸收和转换效率，且通常需要较高功率的激光才可以点亮。

研究团队开发了系列尺寸均一、结构和发射波长可调的新型过渡金属元素铬（Cr）敏化的镧系纳米发光颗粒（CLNPs），首次在纳米尺度实现了过渡金属Cr³⁺对于6种镧系激活剂的敏化，发光范围覆盖900-1700纳米。此外，CLNPs在较弱的环境光照射下即可实现高效近红外发光，亮度比相同尺寸的传统镧系敏化纳米粒子最多高出370倍。

CLNPs还可以外延生长至传统镧系敏化纳米粒子表面，形成长程有序的核壳纳米界面结构，Cr³⁺同样可以通过界面能量传递的方式对传统镧系纳米颗粒进行敏化，实现最高20倍的发光增强。

传统镧系敏化剂与过渡金属敏化剂区别。图片来源于《自然—光子学》

进一步地，团队在不同场景中测试了CLNPs的性能。作为新型防伪墨水，CLNPs实现了近红外窗口的四色加密：喷洒了防伪墨水的树叶在肉眼下仍然保持绿色，但在近红外相机视野中，仅需环境光的照射便可以清晰地观察到不同通道的加密信息。

在小鼠皮下瘤的手术切除实验中，团队利用CLNPs的强消光特性，仅在手术室无影灯的照射下就可实现近红外手术导航。而使用传统激光激发达到相同效果，功率需高出11倍。

团队还使用了口服商品化长余辉材料作为“内照射”光源，通过选用掺杂不同镧系激活剂的CLNPs，可以实现小鼠不同脏器和不同病灶部位的高对比度多重成像。

由于铬的全球年产量约为所有镧系元素总产量之和的150倍，基于CLNPs的发光平台还极具高效和经济性。研究团队表示，这一进展将为材料科学、分析化学、信息工程、生物光子学、生物医学工程和医疗诊断等领域拓宽研究视野。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41566-024-01517-