新型稀土近红外荧光探针用于活体多重成像

doi:10.7503/cjcu20240181

摘要/Abstract

摘要：

提出了激发/发射双维度的荧光编码和活体多通道成像技术, 开发了用于三通道活体成像的稀土近红外二区(NIR-II, 1000~1700 nm)荧光探针 α-NaYbF₄∶8%Tm@NaYbF₄@NaYF₄(Yb/Tm), α-NaYbF₄∶2%Er@ NaYbF₄@NaYF₄(Yb/Er)和 β-NaErF₄@NaYF₄(Er@Y). 其中, 纳米颗粒Yb/Tm在915 nm激光激发下, 可发射出1640 nm的长波近红外二区(NIR-II-L, 1500~1900 nm)荧光, 在808 nm激光激发下几乎无荧光输出; Yb/Er在915 nm激光激发下, 可发射出1532 nm的NIR-II-L荧光, 在808 nm激光激发下几乎无荧光输出; Er@Y在808 nm激光激发下, 可发射出1525 nm的NIR-II-L荧光, 在915 nm激光激发下仅有微弱信号输出. 通过稀土核壳纳米结构的设计实现了荧光强度216倍的增强, 在不同功率激发下, 纳米颗粒可保持独立激发和独立发射. 基于上述纳米颗粒的独特光学性质, 实现了三通道信息光学编码和活体高分辨检测, 该方法为光学信息存储和活体多重分析提供了新的工具和思路.

关键词: 稀土荧光探针, 近红外二区, 活体成像, 多重成像

Abstract:

Fluorescence encoding and in vivo multiplexed imaging with dual-dimensions of excitation and emission are proposed. A series of second near-infrared（NIR-II， 1000—1700 nm） fluorescent probes［ α-NaYbF₄∶8%Tm@NaYbF₄@NaYF₄（Yb/Tm）， α-NaYbF₄∶2%Er@NaYbF₄@NaYF₄（Yb/Er） and β-NaErF₄@NaYF₄（Er@Y）］ were developed for triple-channel in vivo imaging. Among them， Yb/Tm nanoparticles can emit 1640 nm long-wave second near-infrared fluorescence（NIR-II-L， 1500—1900 nm） under 915 nm laser excitation while no fluorescence signal can be detected under 808 nm excitation. Yb/Er can emit NIR-II-L fluorescence at 1532 nm under excitation of 915 nm laser while no fluorescence signal can be detected under 808 nm excitation. In contrast， Er@Y nanoparticles excited by an 808 nm laser can emit NIR-II-L fluorescence at 1525 nm， while a very weak signal can be detected under the excitation of 915 nm. The design of rare earth core-shell nanostructures successfully enhances the fluorescence intensity by 216 times. Under different power density excitations， the nanoparticles still maintain excellent optical properties of independent excitation/emission. Based on the unique optical properties of these nanoparticles， optical encoding and in vivo high-resolution detection with three channels have been achieved， providing new tools and solutions for optical information storage and in vivo multiplexed analysis.

Key words: Rare earth fluorescent probe, Second near-infrared window, In vivo imaging, Multiplexed imaging

中图分类号:

O657

TrendMD:

李红雨, 张洪新. 新型稀土近红外荧光探针用于活体多重成像. 高等学校化学学报, 2024, 45(12): 20240181.

LI Hongyu, ZHANG Hongxin. Novel Rare Earth Near-infrared Fluorescent Probes for in vivo Multiplexed Imaging. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(12): 20240181.

图/表 5

Fig.1 TEM images of β⁃NaErF4(A), β⁃NaErF4@NaYF4(B), α⁃NaYbF4∶8%Tm(C), α⁃NaYbF4∶8%Tm@NaYbF4(D), α⁃NaYbF4∶8%Tm@NaYbF4@NaYF4(E), α⁃NaYbF4∶2%Er(F), α⁃NaYbF4∶2%Er@NaYbF4(G) and α⁃NaYbF4∶2%Er@NaYbF4@NaYF4(H) nanoparticles

Fig.2 Absorption spectra of Er 3+ and Yb 3+ ions from 700 nm to 1300 nm(A), emission spectra of Er@Y, Yb/Tm and Yb/Er nanoparticles excited by 808 nm and 915 nm lasers(B), emission intensity of Er@Y, Yb/Tm and Yb/Er nanoparticles excited by 808 nm(C) and 915 nm(D) laser with increased power density

Fig.3 Dependence of emission intensities of Er@Y, Yb/Tm and Yb/Er on laser power density(A), the energy transfer pathway of Er@Y nanoparticles excited 808 nm laser(B) and the energy transfer pathway of Yb/Tm and Yb/Er nanoparticles excited 915 nm laser(C)

Fig.4 Independent NIR⁃II luminescence imaging of Er@Y, Yb/Tm and Yb/Er samples(A), the profile intensities of the red dashed lines in (A)(B), decoding results of the encoded characters(F, D and U) by Er@Y, Yb/Tm and Yb/Er nanoparticles(C) and encrypted luminescence images of the characters by employing Er@Y, Yb/Tm and Yb/Er nanoparticles(D)Scale bar： 8 mm.

Fig.5 Simplified schematic of the NIR⁃II multiplexed imaging system(A), three different delivery methods of Er@Y, Yb/Tm and Yb/Er nanoprobes(B), three channels imaging and merged results by using Er@Y, Yb/Tm and Yb/Er nanoprobes(C) and the intensity profiles of the lines in C(D)Scale bar： 8 mm.

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