来源：中科院长春光机所
近日，中科院长春光学精密机械与物理研究所发光学及应用国家重点实验室常钰磊课题组在近红外二c区（NIR-IIc，1700-2000 nm）活体荧光成像领域取得进展。研究结果以“Bright Tm3+-based downshifting luminescence nanoprobe operating around 1,800 nm for NIR-IIb and c bioimaging”为题，全文发表在《Nature Communications》[Nat Commun 14,1079(2023)]。
荧光成像因其高灵敏度、高时空分辨率和非侵入性，在生物医学成像和诊断领域有着广阔的应用前景。但是，由于生物组织对电磁波的散射和吸收，限制了光在组织中的穿透深度。短波红外（1000-3000nm），又称近红外二区（NIR-II）相比于可见光和近红外一区波段,因生物组织对光子吸收和散射更低，组织穿透更深，已广泛应用于活体宽场和显微成像。目前，大于1500nm发射波段已被证实是一个有前途的荧光成像窗口，值得注意的是NIR-IIb（1600-1700nm），NIR IIc（1700-2000nm）和NIR IId/NIR-III（2100-2300nm）波段在生物组织中显示出更低光子散射损耗和接近零的自荧光背景，将会提供更高空间分辨率和更深的组织成像深度。但是目前发光波长超过1600nm的探针却很少报道。
稀土离子掺杂的纳米材料具有丰富的电子跃迁能级，发光谱带多样，发光峰窄，（反）斯托克斯位移大，光化学性质稳定，易于表面功能化修饰等优点，已成为理想的NIR-II成像探针，在多路传感、时间门控检测、成像引导治疗和手术中具有巨大的应用潜力。针对当前荧光成像领域存在的问题和对于长波长荧光探针的迫切需求，该研究提出了通过纳米结构设计加强高掺Tm3+离子相互作用策略，实现高效的NIR-IIc荧光发射的思路。迄今为止，Tm3+的3F4→3H6能级跃迁产生~1800nm荧光发射主要用作块状的激光增益材料。然而，目前还没有关于在NIR IIb和c区域使用Tm3+发射在胶体系统实施体内生物成像的报告。这可能是由于严重的浓度和表面淬火效应的限制。而传统的Yb/Tm共掺上转换纳米发光体系，为了避免Tm3+交叉弛豫过程，Tm3+的掺杂浓度一般很低（<1%），同时，Yb3+与Tm3+的反向能量传递损耗了大量能量，使Tm3+下移发光很弱。本工作通过外延光学惰性壳层有效避免了激发态能量在纳米粒子表面猝灭，并利用Tm3+之间的交叉弛豫过程实现了高效的NIR-II荧光发射（QY=~14%）。此外，通过掺杂少量Er3+，进一步提高了NIR-II发光强度。若进一步提高Er3+浓度至30%，可以使得这种“合金”结构纳米粒子可以响应四种波长分别激发（800nm，980nm，1208nm和1530nm），为光学保密编码、活体成像提供了强有力的研究工具。
该研究目前初步取得了良好的成像应用效果，未来仍需进一步提高探针的发光效率，增加激发和发射通道，以满足多通道成像多靶标检测等需求。这一研究成果的诸多可能性为生物医学、医疗诊断等领域拓宽了前进方向。
该研究受国家重点研发计划、国家自然科学基金、吉林省自然科学基金、光机所曙光人才计划、国家重点实验自主课题等基金资助完成。