基于长寿命硅量子点纳米粒子探针的高性能光机械时间门控荧光成像

来源：X一MOL资讯

荧光成像作为非侵入式的成像技术被广泛应用于生物医学，可以帮助人们观察活体生物内的生化过程。成像方法包括探针、光谱以及普遍使用的显微成像。而荧光又可以分为内源自发荧光和外源荧光。内源自发荧光，来源于生物体内物质，比如一些氨基酸、辅酶、黄素。外源荧光通常来源于荧光团，比如有机染料罗丹明系列、荧光蛋白、量子点和金属配体络合物。这些荧光物质有着不同性质，荧光激发波长、斯托克斯位移、荧光发射波长和荧光寿命都不尽相同。

通常来说，采用不同波长的激发光源和对应的滤波片就可以有效区分这些荧光信号。但是当荧光激发光源的波长选择有限甚至单一，外源荧光团根据其功能以及生物相容性的限制选择也有限时，如果它们的斯托克斯位移差别不够大，荧光发射波长比较接近，就会缺乏合适的滤波片组合来对不同的荧光信号进行区分，即使用滤波片区分，也会因为重叠的光谱损失信号强度导致成像对比度低，图像质量差。比如在免疫荧光成像技术中，背景自荧光，即自发荧光就像背景噪声一样干扰人们观察外源荧光团标记，从而降低诊断的准确性。过去也使用了近红外发光的荧光有机染料如吲哚菁绿来解决这种问题，它有更大的斯托克斯位移，因此荧光发射波长通常在650纳米到900纳米，可以方便地使用滤波片将其和其他荧光信号区分开来。但长时间或延时探测时，它的稳定性容易受到光漂白的影响。而荧光寿命τ是荧光强度衰减到初始强度的1/e的时间。荧光寿命是绝对值，其与激发光强度、荧光团浓度和光漂白无关。因此，可以利用荧光寿命的差异来区分使用强度成像方法难以辨别的不同荧光物质。

时间门控成像便是这样一种有效抑制背景自发荧光的方法。时间门控技术应用于各种领域，在荧光成像上的应用主要开始于上世纪80，90年代。简单来说，以脉冲的形式激发荧光，荧光信号强度会在达到最大后由于脉冲结束而快速衰减，对应不同荧光寿命的荧光信号，它们的衰减速率以及衰减至1/e的时间长短不一，采集信号设置合适的短暂的延迟，就可以等到其中一个荧光信号几乎消失再开始对另一个信号进行采集，从而形成时间门控。重复这一采集过程便可以积分的形式提高图像信号强度。另外，值得注意的是，目前报道的时间门控成像系统主要使用脉冲激光器、像增强器的成像设备、和同步电路等，价格不菲，这限制了时间门空成像的广泛应用。

近日，上海交通大学密西根学院的陈松良团队和杜长庆团队利用光学斩波器对激发和采集进行时间上的调控，因而只需使用连续激光器作为激发光源和普通成像设备，实现了一种低成本的时间门控成像系统。并利用相对于自发荧光寿命更长的硅量子点纳米颗粒材料作为外源荧光标记探针，展示了高性能的时间门控荧光成像。硅量子点纳米颗粒探针还具有良好的生物相容性，无毒害；其荧光寿命达十几微秒，和几十纳秒荧光寿命的自发荧光相比，容易使用时间门控方法将两者区分。此外，该成像系统通过改变激发光路和采集光路经过光学斩波器时的相对位置，从而实现时间门控时序中脉冲长度以及相位的调控。因此，可以实现延迟采集，使成像设备只对长寿命的外源荧光标记发出的荧光信号采集，抑制了短寿命的背景自荧光或者其他非标记荧光信号的干扰，得到高对比度的荧光图像。

我们利用了该成像系统和硅量子点纳米颗粒探针得到了高对比的斑马鱼胚胎荧光图像和转基因绿荧光蛋白斑马鱼幼体荧光图像。在斑马鱼胚胎活体实验中，利用硅量子点纳米颗粒探针对胚胎细胞进行标记，调制时间门控系统抑制了胚胎中卵黄囊的自发荧光信号。最终时间门控荧光图像中，细胞中的标记物信号与卵黄囊的自发荧光信号的比值比起普通荧光图像提高了40倍以上。在斑马鱼幼体实验中，该成像系统抑制了幼体身体上的绿荧光和卵黄囊的背景自发荧光信号，硅量子点纳米颗粒探针标记的头部，卵黄囊和尾部三处位置均在时间门控荧光图像中清晰可见，对比度极高。

该成像系统利用硅量子点纳米颗粒探针可以实现高对比度的时间门控荧光图像，还具有较高的性价比，可以和成熟的显微镜系统组合使用，从而服务于免疫荧光成像技术，提高诊断准确性，也可应用于其它基于荧光成像的生物医学应用。

这一成果近期发表在Analytical Chemistry上，文章的第一作者是上海交通大学的博士研究生杨文钊。