原创 长光所Light中心 中国光学 收录于话题#发光学报9个

招募撰稿人/主笔

近红外二区荧光成像技术可以实现高灵敏度、高分辨率和高信噪比的成像，在肿瘤诊断、小分子体内检测、生物传感和免疫分析等领域展示出了广泛的应用前景。在众多的近红外二区荧光纳米材料中，稀土发光纳米材料因具有化学稳定性和光稳定性好、发射带窄、发光颜色和寿命可调等优点受到研究人员的广泛关注。

近日，中国科学院长春应用化学研究所张洪杰院士和王樱蕙副研究员团队在《发光学报》上发表了题为“稀土发光材料在近红外二区成像中的应用”的综述文章。该综述主要以稀土荧光探针的发光机理和设计合成为出发点，包括了基质材料、敏化离子及发光中心的选择等，系统地综述了这类纳米材料在近红外二区荧光成像方面的最新研究进展(包含光谱域和时间域两大类成像模式)，并对其亟需解决的问题及未来的发展趋势进行了展望，以期为从事纳米生物医学和生物成像研究的同行提供借鉴。

1 引言

荧光成像技术是利用光学检测器采集荧光探针发光进行实时成像的一种非侵入式的成像技术，具有成像速度快、灵敏度高、时空分辨率高、无辐射等优点，在肿瘤诊断、小分子体内检测、生物传感、免疫分析和防伪等领域有着广泛的应用前景。激发和发射光穿过生物组织时所产生的组织内吸收、散射及自体荧光干扰是影响荧光成像分辨率和组织穿透深度的主要因素。相较于可见光区(400～700 nm)和近红外一区(700～1 000 nm)荧光成像，生物组织对近红外二区(1 000～1 700 nm)光具有更弱的吸收和散射以及更低的自体荧光，因此，近红外二区荧光成像因具有更深的组织穿透能力和更高的成像信噪比等优势而受到人们的青睐。同时，稀土近红外二区荧光探针的激发态寿命长且可调谐(μs-ms)，因此可将其从光谱域成像拓展至时间域成像(时间分辨成像)，即荧光寿命多通道成像和时间门控成像，从而进一步削弱了背景荧光的干扰，显著提高了成像信噪比。更重要的是，将光谱维度和时间寿命维度相结合的成像模式极大地促进了体内定量成像、超高容量编码和多信号高通量的多通道复合成像等应用的发展。

2 发光机理及性能调控

稀土发光纳米材料由基质材料、敏化离子和发光离子三部分组成。截至目前，以掺杂的敏化离子和发光离子来划分，稀土近红外二区荧光探针的发光机理主要分为以下五大体系（图1所示）：(１)单离子体系—Nd3+或Er3+离子，(２)Yb3+- Ln3+体系(Ln＝Ho，Pr，Tm或Er)，(３)Nd3+- Yb3+- Ln3+体系(Ln＝Ho，Pr，Tm或Er)，(４)Er3+- Ln3+体系(Ln＝Ho，Tm或Nd)，(５)Tm3+ - Er3+体系。

图1 发光机理及性能调控图示：（a）～（f）发光机理图解；（g）性能调控图解。

除了以上合理地选择基质、敏化离子和发光离子外，还可以通过设计优化荧光探针的结构来提高其发光强度。如图1(ｇ)所示，设计合成包覆一层或多层惰性/活性壳层而形成的核壳结构和染料敏化结构来提高荧光强度。另外，通过在Er3+掺杂的荧光探针中掺杂Ce3+和Zn2+来调控其内部能量转移过程的方法也被证实是一种提高Er3+近红外二区荧光强度的有效策略。就时间寿命调控来说，可通过调控稀土近红外二区荧光探针的结构、离子掺杂浓度、粒径、荧光共振能量转移和内部能量迁移过程等方法来调节其荧光寿命，以更好地实现荧光寿命多通道成像。

3 光谱域和时间域成像的应用

光谱域成像应用：相较于可见和近红外一区荧光成像，近红外二区成像受生物组织的散射和自体荧光的干扰更弱，近年来引起了人们的广泛关注。同时，日益成熟的近红外二区光子检测技术和快速发展的纳米技术为充分地探索近红外二区荧光探针的应用潜力提供了强大的技术支撑。特别是基于稀土近红外二区荧光探针的成像研究，因其具有发光波长可调谐、稳定性好、发射半峰宽窄等独特优势，近年来在光学成像上取得了令人瞩目的进展。

时间域成像应用：一种是时间门控成像技术，经短脉冲激发光激发后捕获采集延迟一定时间后的荧光信号进行成像的时间分辨技术，它可以通过调控延迟时间，过滤掉激发光和短寿命的荧光信号并采集长寿命特异性的荧光信号，从而实现高信噪比的荧光成像。另一种是荧光寿命成像技术，通过采集不同荧光寿命信号而进行分析成像的时间分辨技术，由于稀土荧光探针的荧光寿命可调范围广(μs-ｍs)，因此在生物成像、生物传感、荧光寿命多通路复合成像和高通量检测分析等领域有着巨大的应用前景。另外，由于荧光寿命不受激发光功率和组织穿透深度的影响而不需要进行不同深度的校准，因此其常被用于定量探针，为对体内分子或标志物进行多编码定量检测奠定了基础。

目标与背景信号的比值(Target-to-background ratio，TBR)是评价荧光成像质量的一个重要参数。而许多病理参数（pH值、异常的氧化还原环境 (H2O2、 HClO、ONOO-和GSH)或酶等）是各种疾病 (例如癌症、炎症和心血管疾病)的重要生物标志物。构建荧光强度对成像病灶部位具有特异性响应的荧光探针可以实现最小化背景荧光信号、最大化目标区域荧光信号，是一种实现精准荧光成像的有效策略。因此，设计开发病理因子响应激活稀土近红外二区荧光探针和多病理因子协同响应稀土基近红外二区荧光探针(提高特异性成像)是提高TBR成像的主要发展方向（图2和图3）。

图2 超小荧光探针用于急性局域表皮炎症生物成像的图示说明

图3 ONOO-响应型DSNP@MY-1057-GPC-3纳米传感器图解

4 展望

总之，近红外二区荧光成像因其高灵敏度、高信噪比和组织穿透深度深等特点，在肿瘤诊断、小分子体内检测、生物传感、免疫分析和防伪等领域展现了潜在的应用前景。稀土近红外二区荧光探针具有光稳定性和化学稳定性强、发射半峰宽窄(10～20 nm)、斯托克斯位移大和近红外二区发射波长及荧光寿命可调等诸多优势，受到人们的广泛关注，并在光谱域成像及时间分辨成像领域具有巨大的应用潜力。然而，面向临床应用，稀土近红外二区荧光探针目前仍存在着一些问题亟待解决：(１)如何提高稀土近红外二区荧光探针量子产率；(２)发展激发与发射光均处于近红外二区的新型荧光探针；(３)发展提高稀土近红外二区荧光探针生物安全性的新方案。这些问题亟需在各领域同行的通力协作下加以解决。

通讯作者简介

王樱蕙，中国科学院长春应用化学研究所稀土资源利用国家重点实验室副研究员。2011年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位，同年前往荷兰阿姆斯特丹大学从事博士后研究工作。回国后加入中国科学院长春应用化学研究所张洪杰院士团队，主要从事无机光功能材料及生物医学应用研究。以第一作者或通讯联系人在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Nano Lett., Adv. Funct. Mater.等期刊上发表论文20余篇，3篇论文被评选为ESI高被引论文。2011年获得中国科学院院长奖学金优秀奖；2015年获得中国科学院杰出科技成就集体奖（主要完成人）；2017年获吉林省自然科学学术成果奖二等奖（排名第一）；2019年入选中国科学院青年创新促进会；2020年获得国家自然科学基金优秀青年基金。

张洪杰，无机化学家，中国科学院长春应用化学研究所研究员，清华大学化学系教授，博士研究生导师，中国科学院院士。1978年毕业于北京大学化学系，1985年在中国科学院长春应用化学研究所获得硕士学位，1993年在法国波尔多第一大学获得博士学位。长期从事稀土材料的基础与应用研究，以材料的结构与功能关系为研究重点，致力于解决影响学科发展的关键科学问题，发展了系列材料制备的新方法和技术，并将基础、高技术及应用研究有机结合，合成了若干种稀土固体及杂化复合材料，研制出的稀土新材料已成功应用于汽车、照明、航天航空和国防军工等领域，满足了国家的重大战略需求。作为课题负责人先后承担了国家自然科学基金委重大、杰青、创新群体、国际合作等项目、国家973计划和中科院先导计划等。近年来发表论文500多篇，他引 30 000多次，已授权发明专利79项。现担任中国稀土行业协会理事长，英国皇家化学会会士，《应用化学》主编，《发光学报》副主编，《无机化学学报》副主编，《中国稀土学报》(英文版)副主编，《高等学校化学学报》编委，《中国科学:化学》顾问编委，Advanced Science执行编委，Nanoscale Horizons顾问编委等。1997年获国家杰出青年基金，1998年获中国香港求是基金会杰出青年学者奖，2001年入选中科院海外人才引进计划，2010年入选国家基金委创新群体学术带头人，2013年担任国家973项目首席科学家，2013年当选中国科学院院士，2015年当选发展中国家科学院院士。以第一完成人获国家自然科学二等奖(2010年)、中科院杰出科技成就集体奖(2015年)、吉林省科学技术特殊贡献奖(2015年)、吉林省技术发明一等奖(2013年)、澳大利亚金袋鼠世界创新奖(2013年)、吉林省政府创新创业人才奖(2012年)、吉林省科技进步一等奖(2007年)等。

文章信息

张松涛, 王樱蕙, 张洪杰. 稀土发光材料在近红外二区成像中的应用[J]. 发光学报, 2020, 41(12):1460-1478.

文章地址

https://dx.doi.org/10.37188/CJL.20200340

【】

欢迎课题组投递成果宣传稿

转载/合作/课题组投稿，请加微信：447882024

往期推荐

走进新刊

开 放 投 稿：Light:Advanced Manufacturing

ISSN 2689-9620

期 刊 网 站：www.light-am.com

开 放 投 稿：eLight

CN 22-1427/O4

ISSN 2662-8643

期 刊 网 站：elight.springeropen.com

这是中国光学发布的第1570篇，如果你觉得有帮助，转发朋友圈是对我们最大的认可

【】

原标题：《发光学报（特约综述）| 稀土发光材料在近红外二区成像中的应用》

阅读原文