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  大腦的無損成像對于研究其精妙的結構，分析其復雜的功能具有非常重要的作用。與傳統(tǒng)的X光、磁共振等方法相比，光學成像具有分辨率高、成像速度快、無輻射污染等優(yōu)點而備受青睞。然而，一般的光學顯微成像都要借助腦部開顱或磨顱骨手術，過程繁瑣且容易破壞腦血管的完整性。人們亟需一種無需開顱便可以對腦內(nèi)進行精確、快速、無損成像的方法來輔助腦科學的研究。

  近日，浙江大學的錢駿教授團隊、香港科技大學的唐本忠院士團隊與華南理工大學的秦安軍教授團隊合成了一種具有聚集誘導發(fā)光（AIE）特性的超亮熒光納米探針，并將其用于標記小鼠的腦血管，在1550 nm飛秒光的激發(fā)下實現(xiàn)了活體鼠腦的三光子熒光穿顱成像，深度可達顱骨下300 μm，可分辨出2.4 μm的細小血管。

  顱骨對光學成像的影響主要來自于其對激發(fā)光和熒光信號的散射和吸收。目前常用的單光子熒光成像激發(fā)光波長一般位于較短的藍紫光，在顱骨中的散射非常明顯。激發(fā)光波長設置在近紅外成像窗口內(nèi)可以有效地減少顱骨和腦組織造成的散射損失，改善激發(fā)光穿透顱骨后在腦組織的聚焦情況，提升成像質(zhì)量。鑒于目前大多數(shù)熒光染料的發(fā)射峰都在可見光范圍內(nèi)，將激發(fā)光的波長設置在近紅外成像窗口內(nèi)進行三光子吸收是一種有效的激發(fā)方式。在三光子吸收中，材料分子同時吸收3個光子躍遷到激發(fā)態(tài)，其效果可近似認為等同于1/3波長的單光子激發(fā)。另外，在三光子激發(fā)中，由于熒光信號與激發(fā)光強度的三次方成正比，只有在距離聚焦點非常小的區(qū)域內(nèi)才能有效激發(fā)出熒光信號，從而有效減少背景熒光的干擾，提升成像的深度和分辨率。

  最近，浙江大學的錢駿教授團隊、香港科技大學的唐本忠院士團隊以及華南理工大學的秦安軍教授團隊實現(xiàn)了對活體小鼠腦血管的全顱三光子熒光成像。研究團隊合成了一種新型的聚集誘導發(fā)光（AIE）材料DCDPP-2TPA，并通過包覆將其制備成熒光納米探針。普通的熒光染料一般都具有聚集誘導淬滅（ACQ）效應，即在高濃度時熒光強度不升反降，由此影響其在納米探針中的包覆濃度。AIE材料在高濃度時熒光卻可以得到增強，故可以在納米探針中裝載非常高的濃度，制備出具有超高亮度的熒光納米探針。另外，AIE納米探針在化學穩(wěn)定性、生物兼容性和抗光漂白性等方面表現(xiàn)也非常出色，AIE納米顆粒非常適合用作熒光成像的探針。實驗團隊通過搭建測試光路，發(fā)現(xiàn)在1550 nm飛秒光的激發(fā)下，DCDPP-2TPA納米探針發(fā)射出很強的三光子熒光信號。熒光的波長位于紅光與近紅外區(qū)域，比藍綠等波長較短的熒光更易從深層組織中穿透，對成像也十分有利。該團隊將DCDPP-2TPA納米顆粒通過尾靜脈注入小鼠，經(jīng)過血液循環(huán)后可以到達腦血管實現(xiàn)標記。在1550 nm飛秒激光的激發(fā)下，標記了AIE納米探針的小鼠置于搭建的三光子熒光成像系統(tǒng)下進行活體穿顱顯微成像，可觀察到非常完整的血管結構，成像深度可達到顱骨下300 μm，實現(xiàn)非常理想的穿透深度和成像分辨率。相比于此前普遍使用的開顱或磨顱骨的多光子熒光成像方法，該技術實驗過程簡單，且最大限度地保持了小鼠腦部的完整性，對于進一步研究腦部活動以及血管與神經(jīng)之間的聯(lián)系具有非常積極的意義。

  這一成果發(fā)表在ACS Nano 上，文章的第一作者是浙江大學的汪亞倫博士和香港科技大學的陳明博士。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.7b05645