基于不同荧光发射峰进行的多通道检测技术被广泛用于生物医学领域。然而由于活体组织复杂结构对不同波长具有的不同吸收和散射作用，即使利用近红外二区荧光在生物组织中低散射和吸收的特性，活体多重检测的定量准确性仍然有待提高。目前利用镧系元素掺杂的荧光材料进行近红外二区寿命多通道检测取得了突破性的进展，然而该类材料在构筑不同荧光寿命的探针的同时，往往会造成探针之间较大的荧光强度差异，特别是短寿命材料的荧光强度通常较弱，易受到背景噪声的干扰，从而难以实现多样品信息的同时精确解析。
         针对上述问题，某大学教授研究团队设计了以Er³⁺作为发光中心的、双界面结构镧系纳米颗粒 (Er-DINPs：α-NaYF₄@NaErF₄: x%Ce@NaYbF₄@NaErF₄: x%Ce@NaYF₄)，通过平衡Yb³⁺的敏化作用及Ce³⁺的促进交叉弛豫作用对 Er³⁺荧光强度和寿命进行调节，成功实现了Er³⁺近红外二区下转换（1525 nm）荧光强度增强和荧光寿命可调的特性。利用材料优势，该工作进一步证明了在保证多样品间荧光强度差异较小（强度差异< 20%）的条件下，可以在较低的信噪比下解析出更准确的荧光寿命值（解析误差<10%）及信号区域（像素保留率>80%），最终实现高保真荧光寿命多通道成像(有效像素保留率>80%)。该工作为镧系纳米材料荧光强度和寿命的灵活调控提供了新思路，同时也为提高活体寿命多通道成像的半定量或定量分析准确性提供了重要参考。
这一研究成果于2021年12月以“High-fidelity NIR-II multiplexed lifetime bioimaging with bright double interfaced lanthanide nanoparticle”为题发表在 《Angewandte Chemie International Edition》顶级期刊上。
           团队开发了一系列 Er³⁺掺杂双界面纳米颗粒（DINPs），在NIR-II窗口中具有增强的荧光强度和可调寿命，以满足高保真寿命多通道成像的需求（图1）。 双界面Er-DINPs的设计为：α-NaYF₄@NaErF₄： x%Ce@NaYbF₄@NaErF₄： x%Ce@NaYF₄（图1a）， 通过优化Yb³⁺层厚和Ce³⁺掺杂浓度，最终合成一系列Er-DINPs（α-NaYF4@NaErF₄：x% Ce @NaYbF₄@NaErF₄：x% Ce @NaYF₄），它们具有相似的荧光强度（低于17.9±1.5%）和可区分的荧光寿命（τ：1.29 ms，2.58 ms，3.58 ms）（图1b）。 利用这些具有强荧光发射和可调寿命的Er-DINPs，研究团队制作了三组寿命编码箭头图（图1c），以证明具有相似强度的探针能够同时进行多通道寿命成像方面的优点。为了定量评估解码的寿命图像，团队使用解析寿命值的平均误差（σ）和信号区域的像素保留率（PRR）作为确定解码寿命图像保真度的评估标准。通过实验验证了较高的相似荧光强度的样品很容易实现高保真多通道荧光寿命成像，并且荧光强度强、寿命可调的Er-DINPs能够通过减小不同寿命的多个样品之间的强度差，打破了传统荧光强度较弱的短寿命材料在寿命复用方面的局限性。
   
         研究团队进一步探索了Er-DINPs在磷脂修饰后进行体内多重检测的潜力。以皮下肿瘤小鼠为分析模型，通过荧光寿命成像系统检测纳米颗粒经口服给药、静脉和瘤内注射三种给药途径（图2a）。使用三种优化的Er-DINPs（图4b，M1-3），它们具有明确区分的寿命和可比的荧光强度。在对照实验中，使用了另外三种强度差异较大的ErNPs（图4c，M4-6）。
         注射优化的Er-DINPs（瘤内：M-1；口服：M-2；静脉注射：M-3）后，可以通过对其代谢富集器官的多通道寿命解码清楚地区分它们的给药途径（图4 d），并且每个器官的解析寿命值与相应的探针和离体解剖结果非常一致（图4 f)。此外，由于复杂的生理过程，无法从荧光强度值中获得不同探针在器官中的富集信息（图4e，h）。当使用具有较大荧光强度差异的常规β-ErNPs（瘤内：M-4；口服：M-5；静脉注射：M-6）进行体内或离体成像时，很难区分这三个通道（图4g）。它们在体内实验与造影剂之间解析寿命值的σ均超过25%（图4i），表明难以获得具有弱荧光的造影剂的准确寿命解码。因此，具有不同寿命和强下转换发射的优化Er-DINPs为体内荧光成像提供了更好的机会。团队进一步利用这些Er-DINPs通过多通道寿命成像来监测小鼠口服给药后的肠道分布。在注射τ-gut和τ-tumor后，即使在6小时的监测期间，也可以通过一致的特征寿命来清晰区分这两种不同造影剂的代谢状态（图4j，k），这充分证明了它们具有良好的可区分性和稳定性，适用于体内寿命多通道成像。
 
 
参考文献:
Xinyan Zhu, Xuan Liu, Hongxin Zhang*, Mengyao Zhao, Peng Pei, Ying Chen, Yiwei Yang, Lingfei Lu, Peng Yu, Caixia Sun, Jiang Ming, István Ábrahám, Ahmed Mohamed El-Toni, Aslam khan and Fan Zhang*. High-fidelity NIR-II multiplexed lifetime bioimaging with bright double interfaced lanthanide nanoparticles. Angew. Chem. Int. Ed. , 2021, 60, 23545-23551.
 
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         本文利用NIR-II-LT完成了小鼠皮下肿瘤模型中口服、静脉和瘤内注射三种不同给药监测的荧光寿命成像实验，并且利用Er-DINPs的多通道寿命成像监测了小鼠口服给药后的肠道分布实验。NIR-II-LT是一款长荧光寿命（微秒-毫秒）成像的近红外二区系统，用于表征体内或体外探针的荧光寿命信息。搭载深度制冷的InGaAs近红外相机能够满足长时间曝光成像，尤其对于弱光能有很高的采集效率。自主开发的荧光寿命成像软件功能一键操作，可方便的实现样品信号采集、参数调节、荧光寿命拟合等一系列操作，获得最终荧光寿命数据。成像视野2 cm×2 cm。除此之外，系统仍然具有宽场荧光成像功能，可利用软件电动切换成像模式。系统配有三维平移台（集合了自动加热装置），选配激光器、X射线、近红外LED等等。该NIR-II-LT可应用于活体内多组分定量分析、活体内免疫组化分析、活体细胞标记以及活体内肿瘤微环境的定量传感分析，实现荧光强度成像无法实现的深组织定量分析等。