近年來，近紅外（波長700~1700 nm）窗口逐漸地被證實是一個生物組織的光學(xué)“透明”窗口。近紅外光在穿透皮膚、脂肪和骨骼等生物組織時發(fā)生的散射和吸收現(xiàn)象均較少，因而相對于可見光而言其“折損率”更低。不僅如此，在近紅外區(qū)域，來自于生物體內(nèi)各種色素的自發(fā)熒光也極大地降低。在這兩大優(yōu)勢的助力下，近紅外區(qū)域內(nèi)的熒光成像在活體動物研究中有著較好的表現(xiàn)與巨大的發(fā)展前景。

活體熒光多重成像分析可以對小動物活體狀態(tài)下的生物過程進(jìn)行組織、細(xì)胞和分子水平的定性和定量研究，是輔助科研人員理解疾病發(fā)生機(jī)制、進(jìn)行藥物研發(fā)和臨床診斷的重要技術(shù)。然而在實際應(yīng)用中，該技術(shù)仍面臨著成像深度淺、分辨率差、對比度低和可檢測通道數(shù)量少等諸多挑戰(zhàn)，其中缺乏光譜分離的近紅外熒光探針是制約這一技術(shù)進(jìn)步的重要因素。

實現(xiàn)近紅外光譜分離的關(guān)鍵在于構(gòu)筑窄帶吸收、發(fā)射以及大斯托克斯位移的近紅外熒光團(tuán)。當(dāng)前使用的熒光探針普遍光譜較寬，吸收發(fā)射挨的近，因而無法對生物組織進(jìn)行無串?dāng)_的多重標(biāo)記與成像。稀土鉺離子配合物具有1530納米左右的特征單色發(fā)光特性，理論上非常適合用來進(jìn)行活體熒光成像研究。然而要在生理環(huán)境下實現(xiàn)這一發(fā)光卻并不容易。傳統(tǒng)的分子構(gòu)建策略不僅容易導(dǎo)致鉺離子的發(fā)光被水分子淬滅，而且分子的激發(fā)波長常常在紫外光區(qū)，無法在活體成像中進(jìn)行應(yīng)用。

研究人員發(fā)現(xiàn)自然界中的紫細(xì)菌能夠利用細(xì)菌葉綠素高效地捕捉近紅外光并將光能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能。受此啟發(fā)，某大學(xué)教授研究團(tuán)隊提出了以細(xì)菌葉綠素作為天線配體敏化稀土鉺離子的新穎策略，所構(gòu)造出的熒光探針不僅能在水相中發(fā)射出明亮的近紅外熒光，而且其吸收和發(fā)射半峰寬小于32納米，斯托克斯位移值達(dá)到了760納米，為活體熒光多重成像的實現(xiàn)提供了強(qiáng)有力的研究工具。該研究成果以“A hybrid erbium (III)-bacteriochlorin near-infrared probe for multiplexed biomedical imaging”為題，于2021年7月29日發(fā)表在Nature Materials上。?

研究團(tuán)隊利用快瞬態(tài)吸收技術(shù)和低溫磷光光譜對絡(luò)合物中能量傳遞機(jī)理進(jìn)行研究，揭示了細(xì)菌葉綠素和鉺離子之間快速的能量傳遞速率（2×10⁹?s^-1）和高效的能量傳遞效率（Φ_TEnT> 99.9%) 。并且進(jìn)一步通過分子工程調(diào)控了配體的吸收，驗證了圍繞鉺-細(xì)菌葉綠素體系開發(fā)多色可調(diào)近紅外熒光探針工具的可行性。

圖1：（a）鉺-細(xì)菌葉綠素配合物的能量傳遞機(jī)理圖；（b）鉺-細(xì)菌葉綠素配合物的代表性分子EB766的化學(xué)結(jié)構(gòu)式；（c）EB766的單晶結(jié)構(gòu)；（d）EB766的吸收和發(fā)射光譜圖；（e）快瞬態(tài)吸收光譜表征EB766的激發(fā)態(tài)動力學(xué)過程。

*，研究團(tuán)隊基于探針優(yōu)異的光學(xué)特性和生物相容性進(jìn)行了生物成像研究。探針較窄的吸收光譜特性使得通過正交激發(fā)控制的多重成像方法可以清晰地勾勒出小鼠血管和淋巴管的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其空間位置關(guān)系，并能實時顯現(xiàn)胃腸道消化系統(tǒng)和血液循環(huán)系統(tǒng)的代謝活動。該方法有望為手術(shù)導(dǎo)航和臨床診斷提供更*的信息。團(tuán)隊進(jìn)一步利用*探針標(biāo)記了小鼠體內(nèi)的癌細(xì)胞，探針較窄的發(fā)射光譜特性也讓正交發(fā)射控制的多重成像方法得以在小鼠腦部以無創(chuàng)傷的方式清晰地觀察到癌細(xì)胞的運動、遷移、以及在血管壁上駐扎等過程。相比于原先的研究方法，這種方法有效地避免了開視窗造成的組織損傷，以及昂貴的成像設(shè)施，為活體水平的細(xì)胞相互作用研究提供了新的研究平臺。

圖2：（a-c）基于*近紅外熒光探針構(gòu)建的激發(fā)光譜分離多重成像方案，實現(xiàn)了小鼠血管和淋巴管結(jié)構(gòu)的高分辨率成像；（d-g）基于*近紅外熒光探針構(gòu)建的發(fā)射光譜分離多重成像方案，實現(xiàn)了癌細(xì)胞在小鼠腦部轉(zhuǎn)移的動態(tài)實時可視化觀察。

*，研究人員認(rèn)為，該工作首次構(gòu)筑了能夠在水里發(fā)射出近紅外熒光的，吸收和發(fā)射半峰寬都極窄的，斯托克斯位移極大的，適用于活體熒光多重成像的熒光探針。這一探針為開發(fā)多色可調(diào)的近紅外熒光探針提供策略。這項研究為研究活體水平的細(xì)胞相互作用提供無創(chuàng)簡易的解決方案。 ?

參考文獻(xiàn):

Ting Wang+, Shangfeng Wang+*, Zhiyong Liu+, Zuyang He, Peng Yu, Mengyao Zhao, Hongxin Zhang, Lingfei Lu, Zhengxin Wang, Ziyu Wang, Weian Zhang*, Yong Fan, Caixia Sun, Dongyuan Zhao, Weimin Liu, Jean-Claude G. Bünzli and Fan Zhang*. A hybrid erbium(III)–bacteriochlorin near-infrared probe for multiplexed biomedical imaging.?Nature Materials?,?2021,?20, 1571–1578.

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| 儀器一

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近紅外二區(qū)小動物活體成像系統(tǒng)NIR-II-ST

NIR-II in vivo imaging system

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文中利用近紅外二區(qū)小動物活體成像系統(tǒng)NIR-II-ST完成了小鼠血管和淋巴管結(jié)構(gòu)的高分辨多重成像。

該小動物活體成像系統(tǒng)功能強(qiáng)大，相機(jī)性能優(yōu)異，多款深度制冷的InGaAs近紅外相機(jī)可供選擇。檢測靈敏度高，可實現(xiàn)大視野以及局部小動物高信噪比和高分辨活體成像。開發(fā)的軟件功能一鍵操作，可實時反映儀器狀態(tài)，自動化控制，操控與圖像處理一體化，終身免費升級。同時該成像系統(tǒng)應(yīng)用場景多樣化，可用于小動物近紅外二區(qū)寬場成像、全光譜成像、近紅外二區(qū)熒光壽命成像，且成像系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計，成像功能亦可進(jìn)一步升級擴(kuò)展X射線激發(fā)模塊、CT成像模塊、三維成像模塊、熱成像模塊、比率熒光測試、多通道成像與原位光譜測試等。該系統(tǒng)能夠應(yīng)用于活體小動物熒光手術(shù)導(dǎo)航、臟器成像、腫瘤成像、血管成像、淋巴成像、體內(nèi)植入物的監(jiān)測、藥物追蹤與活體原位疾病檢測等研究。

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| 儀器二

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近紅外二區(qū)顯微成像系統(tǒng)M-NIR-II

NIR-II microscopic imaging system

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文中癌細(xì)胞的熒光標(biāo)記，以及在小鼠腦部癌細(xì)胞的運動、遷移與在血管壁上駐扎等過程的成像觀察實驗均采用近紅外二區(qū)顯微成像系統(tǒng)M-NIR-II進(jìn)行的。該M-NR-II系統(tǒng)相機(jī)性能優(yōu)異，具有三種深度制冷的InGaAs近紅外相機(jī)可供用戶自由選擇。配備多款不同倍數(shù)的物鏡，能夠實現(xiàn)多種微區(qū)視野高信噪比活體成像。可選配多重波長激光器、X射線、近紅外LED等多種激發(fā)光源。可搭配多個相機(jī)，動態(tài)實時示蹤活體多種不同標(biāo)記物。開發(fā)的軟件功能一鍵操作，可實現(xiàn)圖像采集與處理一體化，圖像處理功能強(qiáng)大，終身免費升級。該系統(tǒng)可應(yīng)用于腫瘤局部成像、微血管造影、細(xì)胞染色實驗、活體細(xì)胞示蹤、免疫細(xì)胞互作機(jī)理研究、癌細(xì)胞遷移以及病理切片分析等。