热点应用丨复旦大学张凡团队开发开发近红外第二窗口长余辉探针实现高信噪比活体成像

2026-08-03 15:50:52, 数联天美仪拓实验室设备（上海）有限公司

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荧光成像由于具有非侵入性、高灵敏度、高时空分辨率等优点，被广泛用于生命科学和临床医学等领域。近红外第二窗口区间的光学信号可以极大地提高活体成像的穿透深度、分辨率和信噪比。然而，传统的荧光成像需要利用外部激发光源实时激发生物体内的荧光探针，不可避免地会产生生物组织背景荧光，从而影响成像的分辨率和信噪比。此外，外部激发光源的照射也会产生潜在的过热现象，容易对生物组织造成损伤。因此，如何进一步提高活体光学成像的分辨率和信噪比并获得准确的成像信息，一直是科研人员面临的难题。

2021年6月10日，《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）期刊在线发表了复旦大学化学系教授张凡团队的科研成果《X射线激活的长余辉纳米材料用于近红外第二窗口成像》（“X-ray-activated persistent luminescence nanomaterials for NIR-II imaging”），为以上难题的攻克提供了全新的思路。

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研究突破

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构建近红外第二窗口长余辉纳米探针用于活体深组织高信噪比成像

张凡教授研究团队以高能带隙、低声子能的氟化物作为基质材料，利用高温溶剂热分解方法首次设计合成了一系列尺寸、结构和波长可调的近红外第二窗口稀土基长余辉纳米探针（Persistent luminescence nanoparticles, PLNPs）。通过调节发光中心稀土离子的种类，在高能X射线的激发下，得到一系列发射波长位于1000-1700 nm范围的长余辉纳米颗粒。通过优化长余辉纳米颗粒的发光中心离子浓度、基质晶相、颗粒尺寸，以及构建核-壳结构等方法，可使余辉发光时长达到72小时以上。

研究团队利用核-壳结构的灵活性，通过纳米结构层层包裹在单一纳米颗粒上实现近红外第二窗口多光谱长余辉发光，并且发现不同波长通道长余辉信号的比值不受样品浓度、温度和时间的影响。通过改变纳米颗粒发光层和惰性层的厚度，成功构建了横跨两个数量级的比率长余辉信号编码库。这一稳定的比率长余辉信号解决了长余辉信号随时间衰减所导致的编码困难，同时在单一发射通道中增加了动态信息，进一步提高生物多重检测的编码容量和活体生物信息加密水平。

图1. X射线激活的近红外第二窗口长余辉纳米探针（PLNPs）示意图（a），TEM照片（b），长余辉发射光谱（c），近红外第二窗口长余辉衰减曲线（d）以及近红外第二窗口长余辉发光机理（e）；（f）构建比率长余辉信号编码库。

图2. 近红外第二窗口长余辉信号用于血管成像（a-b），肿瘤成像（c-e），成像指导下的输尿管术中识别（f-h），以及活体脏器多重成像（i-j）。

此外，研究团队基于近红外第二窗口长余辉纳米探针良好的化学稳定性和生物相容性将其用于活体生物成像研究。通过选用不同发射波长的近红外第二窗口长余辉纳米探针，也可以实现活体小鼠不同脏器和不同病灶部位的高对比度多重成像。不仅如此，由于该长余辉纳米探针核-壳纳米结构的可控性，通过采用可以产生核磁共振（MRI）信号的Gd3+作为壳层基质并在其表面引入用于正电子发射断层成像（PET）的18F元素，实现了小鼠肿瘤近红外第二窗口长余辉/核磁共振/正电子发射断层多模式成像。

研究团队表示，尽管该研究已经获得了比传统荧光探针更好的成像效果，未来还需要进一步提高长余辉探针的发光效率以满足更深组织和更复杂生物环境的成像应用需求。此外，如何构建功能化修饰的长余辉纳米探针，用于提高探针在病灶部位的富集效率，以及实现活体病理过程检测等都需要后续进一步的探索。

参考文献

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Peng Pei, Ying Chen, Caixia Sun, Yong Fan*, Yanmin Yang*, Xuan Liu, Lingfei Lu, Mengyao Zhao, Hongxin Zhang, Dongyuan Zhao, Xiaogang Liu, Fan Zhang*. X-ray-activated persistent luminescence nanomaterials for NIR-II imaging. Nature Nanotechnology , 2021, 16, 1011–1018.

仪器推荐

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近红外二区小动物活体成像系统NIR-II-ST

NIR-II in vivo imaging system

文中在近红外二区小动物活体成像系统NIR-II-ST的基础上增加了多通道成像和X射线激发模块功能，利用近红外第二窗口长余辉信号进行血管成像、肿瘤成像、成像指导下的输尿管术中识别以及活体脏器多重成像。这款小动物活体成像系统预留了模块接口，将系统进行升级，性能优越，实现了高分辨和高信噪比多模态成像功能。

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