背景介紹

​傳統的熒光（Fluorescence）組織成像，是將成像組織置放于不斷發射特定波長的光源照射下進行。受同一個光源照射影響，周圍的組織自體同樣會產生熒光，稱為背景熒光。背景熒光的存在將使得信噪比下降，不利于對目標組織進行成像。因而近幾年，科研工作者開始尋求一種新的發光成像——余輝發光（Persistent luminescence）。

余輝發光是物體在照射光源并撤去光源后，持續發光的現象。因為發光時不再接受光源照射，因而在應用于組織成像時，能夠減少自體熒光背景的影響，提高信噪比（圖1）。


 

圖1 熒光和余輝發光的原理對比圖（藍色箭頭為激發光；綠色箭頭為散射光；紅色箭頭為發射光；褐色箭頭為背景熒光。強度可參考箭頭粗細）

盡管余輝發光有如此明顯的優勢，目前涉及的材料仍有以下幾個問題：1、材料主要為大型晶體，涉及極端高溫的合成環境并缺乏納米結構和表面性質上的可調性；2、材料成像多為可見光和NIR-I，成像深度有限；3、激發材料發光的波長多為可見光或紫外，能量低，不利于材料能量富集；4、一些可富集高能量的由X光激發的材料所發射的波長在可見光和NIR-I范圍內，成像深度同樣有限。
 

材料研發

針對以上問題，Peng Pei等人通過在NaGdF₄、NaGdF₄納米粒子中加入鑭系元素摻雜劑，成功合成出了X光激活的余輝發光納米粒子（Persistent luminescence nanoparticles，PLNPs）。通過調整加入的元素種類，使得PLNPs具有可調諧性，且均在NIR-II波段內（圖2）。


圖2 通過摻入不同的稀土元素（Er、Tm、Ho、Nd）調整納米粒子在NIR-II波長段的發射波長
 

材料優化

文章中涉及的主體材料有NaYF₄、NaGdF₄ 兩種，因而可優化的方向非常多。作者首先將作為主體的NaGdF₄、NaGdF₄ 同時應用于一個納米粒子中，形成殼核結構。之后對納米粒子的摻雜劑濃度、核體積、殼厚度、結晶相（Crystalline phase）、主體基質（Host matrix）等性質進行的考察。其中對于主體基質，作者發現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光強度。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。
 

體內成像

優化后的Er-PLNPs進行了小鼠的腹部血管成像和輸尿管成像測試。在腹部血管成像測試中，相對于熒光成像，余輝發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，可達到熒光成像信噪比的3.7倍。而在輸尿管成像測試中，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比相對于熒光成像達到了4.1倍。


 

圖3 余輝發光納米粒子（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

圖4 余輝發光納米粒子（紅）與熒光納米粒子（藍）注射后的腫瘤與正常組織信號強度比（T/N ratio）
 

小結

憑借可調諧的NIR-II成像波長、高信噪比、高分辨率、低細胞毒性等特點，Peng Pei等人的成果大大拓展了現有X光激發的余輝發光材料的種類和應用場景。但同時，發光效率仍有待提高，降低用于激發的X光劑量使其達到安全門檻也是今后拓展研究的重要方向。
 

參考文獻

[1] Pei, P., Chen, Y., Sun, C. et al. X-ray-activated persistent luminescence nanomaterials for NIR-II imaging. Nat. Nanotechnol. 16, 1011–1018 (2021).

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