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  熒光成像具有高靈敏度、實(shí)時(shí)可控和設(shè)備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。目前，阻礙熒光成像大規(guī)模臨床應(yīng)用的問題是穿透深度比較淺。實(shí)現(xiàn)熒光成像深度的突破對(duì)該技術(shù)的臨床轉(zhuǎn)化具有非常重要的意義。與可見光區(qū)（400-700 nm）和傳統(tǒng)的近紅外I區(qū)（700-950 nm）相比，近紅外II區(qū)（1000-1700 nm）具有更弱的組織吸收、散射、發(fā)射和自發(fā)熒光，因此有利于提高組織的穿透能力。近年來，近紅外I區(qū)激發(fā)和近紅外II區(qū)發(fā)射的成像模式受到了廣泛的關(guān)注。另一種相反的成像策略，即近紅外II激發(fā)、近紅外I發(fā)射尚無報(bào)道。利用長(zhǎng)波長(zhǎng)近紅外光（如1300 nm）的極強(qiáng)穿透能力，人們可以有效地降低生物組織和光的相互作用，實(shí)現(xiàn)深層的高分辨率成像。

  最近，香港科技大學(xué)的唐本忠院士和浙江大學(xué)的錢駿教授合作，首次報(bào)道了聚集誘導(dǎo)發(fā)光（AIE）材料用于1300 nm近紅外II區(qū)激發(fā)和近紅外I區(qū)發(fā)射的活體雙光子成像，在老鼠腦部的成像深度超過1000 μm。在前期的研究工作中，唐本忠院士團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了基于AIE材料的近紅外光聲成像（ACS Nano, 2017,11, 7177）、近紅外II區(qū)熒光成像（Adv. Mater., 2018, 30, 1706856）以及熒光-光聲雙模式可控成像及治療（Nat. Commun., 2018, 9, 1848）等。與普通的熒光成像相比，雙光子熒光成像模式具有自身的一些獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，包括激發(fā)光能量低、光損傷小、組織穿透能力強(qiáng)、成像分辨率高等。傳統(tǒng)雙光子成像的激發(fā)波段主要位于680-1040 nm的波長(zhǎng)范圍，發(fā)射光譜則主要位于700 nm以下的可見光波段，因此其穿透深度只有幾百微米（圖1）。研究結(jié)果表明，1300 nm和1700 nm這兩個(gè)波長(zhǎng)的光具有最小的激發(fā)衰減性質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)更好的穿透深度和成像效果。然而，傳統(tǒng)有機(jī)染料面臨“聚集導(dǎo)致熒光淬滅”（ACQ）等問題，尤其是共軛性比較大的近紅外分子更會(huì)面臨這一問題，使長(zhǎng)波長(zhǎng)激發(fā)的雙光子成像變得非常困難。

圖1. 不同激發(fā)光波長(zhǎng)的腦部成像深度示意圖

  為了解決以上問題，作者設(shè)計(jì)并合成了“螃蟹”形狀的給-受體（D-A）型AIE分子（圖2）。該分子的中間部分是具有很強(qiáng)D-A作用的平面結(jié)構(gòu)，有利于實(shí)現(xiàn)大的雙光子吸收截面。分子上含有多個(gè)可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的分子轉(zhuǎn)子，可以有效地克服ACQ問題，并實(shí)現(xiàn)AIE特性，得到高熒光量子產(chǎn)率。作者將該AIE分子包覆成尺寸約為35 nm的納米粒子，其最大吸收位于635 nm，發(fā)射波長(zhǎng)則可以覆蓋700-1200 nm的范圍。該AIE納米粒子具有很好的穩(wěn)定性，其抗光漂白和抗活性氧氮（RONS）的能力好于FDA認(rèn)證的吲哚菁綠（ICG）染料。

圖2. “螃蟹”形狀的AIE分子結(jié)構(gòu)和納米粒子的性質(zhì)

  AIE納米粒子的最大吸收波長(zhǎng)為635 nm，其兩倍剛好位于1300 nm的“透明”窗口附近。在1300 nm飛秒激光器的激發(fā)下，AIE納米粒子具有很強(qiáng)的熒光發(fā)射（圖3）。該AIE納米粒子的熒光量子產(chǎn)率可以達(dá)到13.9%，其雙光子吸收截面為1.22×103 GM，高于常用的有機(jī)染料。將AIE納米粒子通過尾靜脈注入到老鼠體內(nèi)后，在1300 nm飛秒激光的激發(fā)下，老鼠的腦部雙光子熒光顯微成像結(jié)果表明，1065 μm深度的毛細(xì)血管仍然清晰可見，在腦部白質(zhì)區(qū)（>840 μm）和海馬體區(qū)（>960 μm）都可以實(shí)現(xiàn)3.5 μm的超高分辨率（圖4），是目前活體內(nèi)雙光子熒光成像的最佳效果。同時(shí)，腦部血管的三維結(jié)構(gòu)也清晰可見，包括大血管、毛細(xì)血管以及血管連接部位等。該雙光子成像結(jié)果主要得益于1300 nm近紅外II區(qū)激發(fā)和近紅外I區(qū)發(fā)射的性質(zhì)，優(yōu)于傳統(tǒng)的近紅外I區(qū)激發(fā)和可見光區(qū)發(fā)射模式。該研究結(jié)果表明，有機(jī)AIE材料可以實(shí)現(xiàn)與無機(jī)半導(dǎo)體量子點(diǎn)等相媲美的成像效果，為有機(jī)材料的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用提供了新的思路。

圖3. AIE納米粒子的雙光子激發(fā)性質(zhì)

圖4. 活體老鼠腦部的雙光子熒光顯微成像

  這一成果近期發(fā)表在ACS Nano 上，文章的第一作者為香港科技大學(xué)的博士后齊跡和浙江大學(xué)的研究生孫超偉。

  該論文作者為：Ji Qi, Chaowei Sun, Dongyu Li, Hequn Zhang, Wenbin Yu, Abudureheman Zebibula, Jacky W. Y. Lam, Wang Xi, Liang Zhu, Fuhong Cai, Peifa Wei, Chunlei Zhu, Ryan T. K. Kwok, Lina L. Streich, Robert Prevedel, Jun Qian, Ben Zhong Tang

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b02452