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  近日，浙江大學(xué)光電學(xué)院錢駿教授課題組和香港科技大學(xué)唐本忠院士課題組合作，首次將聚集誘導(dǎo)發(fā)光（Aggregation-inducedEmission, AIE）納米探針應(yīng)用于短波紅外(short-wave infrared,SWIR)熒光顯微功能成像。實現(xiàn)了活體小鼠腦部血管的高時空分辨成像，對小鼠腦部的血栓進行了實時觀察，并對小鼠腫瘤高通透性和滯留效應(yīng)（EPR）進行了有效探測。這一成果近期發(fā)表在《Advanced Materials》（IF=19.791）上，香港科技大學(xué)的博士后齊跡和浙江大學(xué)的碩士研究生孫超偉為該論文的共同第一作者。

  SWIR 波段的范圍一般定義為 900-1700 nm，雖然 SWIR 光對人眼來說是不可見的，但是這個波段的光能以與可見光類似的方式和物體互相作用。因此，通過 SWIR 探測器（如InGaAs相機）的采集，SWIR圖像可以與可見光圖像一樣具有圖像分辨率和細節(jié)等。SWIR 成像技術(shù)早前主要應(yīng)用于軍事監(jiān)視和軍事偵察領(lǐng)域。與可見波段的光相比，SWIR 光在生物組織中的散射較小，因此 SWIR 熒光生物成像有利于提高成像的深度和空間分辨率；此外，生物組織在 SWIR 波段的自發(fā)熒光相對較小，從而可以提高成像的信噪比。基于此，近年來研究者們展開了一系列的 SWIR 熒光生物成像研究，實現(xiàn)了對活體生物樣本的深層和功能性成像。然而，目前 SWIR 熒光生物成像仍存在著一些不足，譬如：SWIR 熒光探針的種類較少，且其熒光量子效率普遍不高；已報道的 SWIR 熒光生物成像技術(shù)主要是對宏觀的活體生物樣品進行寬場成像研究，缺乏高時空分辨的顯微成像系統(tǒng)和相關(guān)的應(yīng)用。

  我們知道，傳統(tǒng)的有機染料在單分子形式分散時可以表現(xiàn)出很好的發(fā)光性能，但在聚集后就會由于“聚集導(dǎo)致猝滅”（Aggregation-caused quenching, ACQ）現(xiàn)象而減弱發(fā)光或完全不發(fā)光。2001年，唐本忠院士首次提出了具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的“聚集誘導(dǎo)發(fā)光（Aggregation-induced emission, AIE）”概念。經(jīng)過十幾年的潛心鉆研，唐院士團隊在該領(lǐng)域取得了重大原創(chuàng)突破，并獲得了2017年度國家自然科學(xué)獎一等獎。AIE 染料分子在聚集或變成固態(tài)時，其發(fā)光效率不但不會降低，反而會得到顯著的提高，因此在生物熒光成像領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景。然而，之前報道的 AIE 分子，其熒光通常位于可見光波段，限制了其在 SWIR 熒光深層生物成像中的進一步應(yīng)用。

  在該工作中，研究團隊制備合成了一種在近紅外波段發(fā)光的 AIE 分子 TQ-BPN，它在溶液狀態(tài)下發(fā)光較弱，但在聚集狀態(tài)下發(fā)光增強，表現(xiàn)出非常典型的 AIE 效應(yīng)。研究團隊進而用一種安全無毒性的雙極性分子（Pluronic F-127）對 TQ-BPN 進行包覆，獲得了在水中具有較好分散性的 AIE 納米探針。它在 700-1200 nm 波段具有很高的熒光發(fā)射強度，量子效率達到了13.9%。有趣的是，盡管該納米探針的熒光發(fā)射波段只有一部分位于 SWIR 波段，但僅是這一部分的熒光量子效率（2.8%），就已高出了目前報道的大多數(shù) SWIR 熒光有機染料。得益于 AIE 納米探針良好的生物親和性、抗光漂白性和在 SWIR 波段的高熒光發(fā)射效率，研究團隊以635 nm激光作為激發(fā)光源，采用 InGaAs 相機作為熒光探測器，在活體小鼠身上實現(xiàn)了低功率密度（1 mW/cm2）光激發(fā)下的長時間（12小時）、高空間分辨率（0.27mm）血管造影（圖1）。

圖1

  為了拓展 SWIR 熒光成像技術(shù)在顯微觀察中的應(yīng)用，研究團隊自主搭建了一套 SWIR 熒光顯微成像系統(tǒng)（已申請專利），以635 nm激光作為激發(fā)光源，實現(xiàn)了對活體小鼠腦部血管的大深度（800微米）、高時間分辨率（25幀每秒）和高空間分辨率（2.6微米）成像（圖2）。

圖2

  腦血管疾病一直備受關(guān)注，其中腦部血栓是造成腦梗死最常見的類型，了解腦部血栓的形成過程顯得尤為重要。研究團隊從血液動力學(xué)和腦部血栓形成方面展開了功能性成像研究：實現(xiàn)了對活體小鼠腦部毛細血管的血液流速探測，進而通過光化學(xué)誘導(dǎo)缺血在活體小鼠腦部精確制造了血栓，并用 SWIR 熒光顯微成像技術(shù)清晰地觀測到了這一形成過程（圖3）。

圖3

  癌癥一直是困擾著全人類的疑難雜癥，而腫瘤的早期診斷對癌癥的治療具有非常重要的意義，一定程度上可以有效避免腫瘤的進一步惡化進而大大提高癌癥的治愈率。腫瘤的高滲透性和滯留（EPR）效應(yīng)是指腫瘤組織相對于正常組織而言，血管更加豐富，且血管壁間隙較大，致使許多正常血管不能透過的物質(zhì)具有較高的通透性和滯留性。EPR 效應(yīng)的檢測，對腫瘤的早期探測具有重要意義。研究團隊構(gòu)建了一個同時具有早期腫瘤和晚期腫瘤的小鼠模型，利用SWIR 熒光顯微成像技術(shù)對兩種腫瘤的 EPR 效應(yīng)展開了研究，實時、清晰地觀測到早期腫瘤的EPR效應(yīng)要更顯著于晚期腫瘤（圖4），對腫瘤的早期診斷具有重要指導(dǎo)意義。

圖4

  基于 AIE 納米探針的 SWIR 熒光顯微成像技術(shù)為腦血管疾病的探測、癌癥的早期診斷以及其他疾病的病理性研究擴展了新思路，對生物醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)研究具有非常重要的意義。

  該研究工作獲得了科技部973項目和浙江省杰出青年科學(xué)基金項目的資助。浙江大學(xué)系統(tǒng)神經(jīng)與認知科學(xué)研究所的奚望博士，浙江大學(xué)附屬邵逸夫醫(yī)院的博士研究生阿卜杜熱合曼和南通大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院的趙新元博士共同參與了本課題的研究。

  論文鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201706856/full