近紅外二區(qū)小動(dòng)物活體成像應(yīng)用：研發(fā)X光激發(fā)的NIR-II余輝發(fā)光材料

背景介紹

​傳統(tǒng)的熒光（Fluorescence）組織成像，是將成像組織置放于不斷發(fā)射特定波長(zhǎng)的光源照射下進(jìn)行。受同一個(gè)光源照射影響，周圍的組織自體同樣會(huì)產(chǎn)生熒光，稱為背景熒光。背景熒光的存在將使得信噪比下降，不利于對(duì)目標(biāo)組織進(jìn)行成像。因而近幾年，科研工作者開(kāi)始尋求一種新的發(fā)光成像——余輝發(fā)光（Persistent luminescence）。

余輝發(fā)光是物體在照射光源并撤去光源后，持續(xù)發(fā)光的現(xiàn)象。因?yàn)榘l(fā)光時(shí)不再接受光源照射，因而在應(yīng)用于組織成像時(shí)，能夠減少自體熒光背景的影響，提高信噪比（圖1）。


 

圖1 熒光和余輝發(fā)光的原理對(duì)比圖（藍(lán)色箭頭為激發(fā)光；綠色箭頭為散射光；紅色箭頭為發(fā)射光；褐色箭頭為背景熒光。強(qiáng)度可參考箭頭粗細(xì)）

盡管余輝發(fā)光有如此明顯的優(yōu)勢(shì)，目前涉及的材料仍有以下幾個(gè)問(wèn)題：1、材料主要為大型晶體，涉及極端高溫的合成環(huán)境并缺乏納米結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)上的可調(diào)性；2、材料成像多為可見(jiàn)光和NIR-I，成像深度有限；3、激發(fā)材料發(fā)光的波長(zhǎng)多為可見(jiàn)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光激發(fā)的材料所發(fā)射的波長(zhǎng)在可見(jiàn)光和NIR-I范圍內(nèi)，成像深度同樣有限。
 

材料研發(fā)

針對(duì)以上問(wèn)題，Peng Pei等人通過(guò)在NaGdF₄、NaGdF₄納米粒子中加入鑭系元素?fù)诫s劑，成功合成出了X光激活的余輝發(fā)光納米粒子（Persistent luminescence nanoparticles，PLNPs）。通過(guò)調(diào)整加入的元素種類，使得PLNPs具有可調(diào)諧性，且均在NIR-II波段內(nèi)（圖2）。


圖2 通過(guò)摻入不同的稀土元素（Er、Tm、Ho、Nd）調(diào)整納米粒子在NIR-II波長(zhǎng)段的發(fā)射波長(zhǎng)
 

材料優(yōu)化

文章中涉及的主體材料有NaYF₄、NaGdF₄ 兩種，因而可優(yōu)化的方向非常多。作者首先將作為主體的NaGdF₄、NaGdF₄ 同時(shí)應(yīng)用于一個(gè)納米粒子中，形成殼核結(jié)構(gòu)。之后對(duì)納米粒子的摻雜劑濃度、核體積、殼厚度、結(jié)晶相（Crystalline phase）、主體基質(zhì)（Host matrix）等性質(zhì)進(jìn)行的考察。其中對(duì)于主體基質(zhì)，作者發(fā)現(xiàn)殼核使用同一種主體材料（NaYF4或NaGdF4）將獲得更高的納米粒子發(fā)光強(qiáng)度。這可能是由于同一種主體材料原子大小相同，使得晶體的缺陷（Defect）更少。
 

體內(nèi)成像

優(yōu)化后的Er-PLNPs進(jìn)行了小鼠的腹部血管成像和輸尿管成像測(cè)試。在腹部血管成像測(cè)試中，相對(duì)于熒光成像，余輝發(fā)光成像獲得了更高的腫瘤/正常組織亮度比（T/N ratio），尤其在注射后的5 min時(shí)，可達(dá)到熒光成像信噪比的3.7倍。而在輸尿管成像測(cè)試中，作者在小鼠腎盂部位注射后，腎盂、輸尿管和膀胱都能夠在NIR-II成像中觀察到，其T/N比相對(duì)于熒光成像達(dá)到了4.1倍。


 

圖3 余輝發(fā)光納米粒子（上）與熒光納米粒子（下）分別在注射后 5、10、20 min 得到的NIR-II成像

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