納米熒光探針：在體腫瘤血管成像新突破
研究背景與技術挑戰
近紅外二區成像技術的優勢與局限
近紅外成像技術在生物醫學領域具有重要的應用前景，尤其是在近紅外二區區域（1000-1700nm），其深組織穿透能力和低光散射特性使其在活體成像中具有顯著優勢。與傳統的可見光和近紅外一區（NIR-I）成像相比，近紅外二區成像能夠顯著減少生物組織的自熒光干擾，降低光散射，從而提高成像深度和分辨率。然而，現有的近紅外二區成像探針在亮度和光穩定性方面仍存在諸多挑戰，限制了其在生物醫學成像中的應用效果。
納米熒光探針的潛力與挑戰
納米熒光探針因其在近紅外二區區域的發光特性而備受關注。這些納米顆粒通過摻雜特定的稀土離子（如Er³⁺、Yb³⁺等），能夠在近紅外二區區域發出特定波長的光，從而實現深組織成像。然而，納米熒光探針也存在一些固有缺陷，例如低消光系數、窄激發光譜以及在水環境中易猝滅等問題，這些問題限制了其在活體成像中的應用效果。此外，納米熒光探針的發光效率和光穩定性不足，使得在活體成像中難以實現長時間、高分辨率的成像。
研究目標與創新方向
為了克服這些挑戰，研究人員一直在探索新的材料和技術，以提高近紅外二區成像的性能。新型染料敏化的洋蔥狀Nd摻雜稀土納米熒光探針（Nd-RENP），正是為了解決這些技術難題而設計的。通過獨特的結構設計和材料組合，該納米熒光探針在近紅外二區成像中展現出顯著的亮度提升和光穩定性增強，為生物醫學成像提供了一種新的解決方案。
技術創新與應用
洋蔥狀Nd-RENP納米熒光探針的設計原理
新型的洋蔥狀Nd-RENP納米熒光探針通過巧妙的結構設計和材料選擇，實現了在近紅外二區成像中的性能突破。該納米熒光探針的核心是由摻雜了Yb³⁺、Er³⁺和Ce³⁺的NaYF₄納米顆粒組成，通過多層殼結構的包裹，形成了類似洋蔥的多層結構。這種結構不僅提高了能量傳遞效率，還顯著減少了表面猝滅現象，從而增強了近紅外二區區域的發光強度。此外，通過在納米熒光探針的最外層包裹一層含有IR783染料的膠束層，進一步提高了納米熒光探針的光穩定性和發光效率。
這種染料敏化策略不僅提高了納米熒光探針的亮度，還通過減少光漂白現象，延長了成像時間。實驗結果表明，洋蔥狀Nd-RENP納米熒光探針在1525nm處展現出顯著增強的近紅外二區發光強度，且隨著殼層數量的增加，發光強度逐漸增強。這表明多層殼結構有效地提高了能量傳遞效率和減少了表面猝滅。此外，IR783染料的加入進一步增強了納米熒光探針的光穩定性，使其在長時間成像中表現出色。
實際應用中的潛力
在實際應用中，這種新型納米熒光探針展現出了巨大的潛力。在活體成像實驗中，與傳統的近紅外二區染料相比，洋蔥狀Nd-RENP納米熒光探針能夠實現高達75倍的亮度提升和9倍的光穩定性增強。這些特性使得該納米熒光探針能夠在超過一小時的時間內保持高分辨率的成像能力，為動態血管成像和腫瘤靶向成像提供了可能。此外，該納米熒光探針還支持成功的三維成像重建，為生物組織的詳細結構分析提供了有力工具。這種創新的納米熒光探針不僅在技術上取得了突破，更為未來的生物醫學成像技術發展提供了新的方向。其在提高成像亮度和光穩定性方面的顯著優勢，使其有望在臨床診斷和疾病監測中發揮重要作用，尤其是在需要高分辨率和長時間監測的領域。
成像實驗與結果分析
實驗設計與方法
為了驗證新型洋蔥狀Nd-RENP納米熒光探針的成像性能，研究人員進行了一系列的實驗。實驗設計包括納米熒光探針的合成與表征、光學性能測試、體外細胞實驗以及體內成像實驗。通過透射電子顯微鏡（TEM）、X射線衍射（XRD）、傅里葉變換紅外光譜（FTIR）和X射線光電子能譜（XPS）等技術對納米熒光探針的結構和表面特性進行了詳細的表征。光學性能測試則通過光致發光光譜（PL）和時間分辨熒光衰減測量來評估納米熒光探針的發光效率和光穩定性。
實驗結果表明，洋蔥狀Nd-RENP納米熒光探針具有良好的晶體結構和均勻的多層殼結構。TEM圖像顯示，納米熒光探針的尺寸隨著殼層數量的增加而逐漸增大，從核心的15nm逐漸增加到三層殼結構的27nm。XRD結果進一步確認了納米熒光探針的晶體結構與標準的β-NaYF₄一致，表明多層殼結構的包裹并未改變其基本的晶體特性。光學性能測試結果顯示，納米熒光探針在1525nm處展現出顯著增強的近紅外二區發光強度，且隨著殼層數量的增加，發光強度逐漸增強。這表明多層殼結構有效地提高了能量傳遞效率和減少了表面猝滅。
體外細胞實驗與體內成像實驗
在體外細胞實驗中，研究人員通過細胞毒性測試評估了納米熒光探針的生物相容性。結果顯示，洋蔥狀Nd-RENP納米熒光探針具有良好的生物相容性，細胞存活率超過90%，表明其在生物醫學應用中具有較高的安全性。在體內成像實驗中，研究人員通過將納米熒光探針注射到小鼠體內，觀察其在血管和腫瘤組織中的分布和成像效果。洋蔥狀Nd-RENP納米熒光探針能夠在體內實現長時間的高分辨率成像。與傳統的近紅外二區染料相比，該納米熒光探針在體內成像中展現出更高的亮度和光穩定性。在長達一小時的成像過程中，納米熒光探針能夠保持清晰的血管和腫瘤圖像，為動態監測提供了可能。此外，通過三維成像重建技術，研究人員還成功地重建了生物組織的三維結構，進一步證明了該納米熒光探針在復雜生物組織成像中的應用潛力。
使用不同長波通擬合器對小鼠模型中血管結構的NIR-l成像
時間依賴性NIR-IIb成像
總結與展望
新型洋蔥狀Nd-RENP納米熒光探針的出現，不僅為近紅外二區成像技術的發展提供了新的思路，也為生物醫學成像領域帶來了新的希望。其在提高成像亮度和光穩定性方面的顯著優勢，使其有望在臨床診斷和疾病監測中發揮重要作用，尤其是在需要高分辨率和長時間監測的領域。未來，隨著技術的進一步完善和應用的不斷拓展，洋蔥狀Nd-RENP納米熒光探針有望成為生物醫學成像領域的重要工具，為疾病的早期診斷、精準治療和療效評估提供有力支持。
聲明：本文僅用作學術目的。
Lin SL, Su SP, Yang YZ, Chiang CY, Chi HY, Chang CA, Liu TY, Chiang HK. Enhanced brightness and photostability of dye-sensitized Nd-doped rare earth nanocomposite for in vivo NIR-IIb vascular and orthotopic tumor imaging. J Nanobiotechnology. 2025 Feb 7;23(1):91.
DOI: 10.1186/s12951-025-03145-z.
