反斯托克斯荧光实现实时多模式生物成像

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导读

近日，浙江大学光电科学与工程学院钱骏教授团队发现吲哚菁绿（国食品和药物管理局批准用于临床的染料，见图一a）在915 nm连续激光激发下，由于热带吸收，可以在第一个近红外光谱区产生明亮的反斯托克斯荧光。

这种反斯托克斯荧光强度随温度升高而增强，可用于光热治疗过程中监测皮下肿瘤的热状态变化。

此外，将吲哚菁绿与有机聚合物、纳米颗粒相结合，在915 nm连续波光源激发下，可以实现活体实时先进多模式生物成像。这种方法在术中可视化中很有前景，可避免临床手术中对相邻血管的意外损伤，也可用于其他临床影像场景(如同时识别淋巴系统和泌尿系统)。

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研究背景

反斯托克斯发光是一种光学过程，通过吸收长波长的光子发射短波长的光。反斯托克斯荧光激发为生物医学应用提供了无与伦比的好处，其激发光由于波长较长，因此在组织中的散射较低，可以更深入地穿透生物样品。较长波长的激发光具有较低的光子能量，对生物组织产生较弱的自发荧光，在一定程度上可以避免生物成像过程中的背景干扰。反斯托克斯荧光机理可以通过四种途径产生:

1. 直接多光子吸收(MPA)过程;

2. 基于中间能级多步吸收的上转换过程;

3. 热激活延迟荧光(TADF)过程;

4. 热带吸收(HBA)过程。

多光子吸收过程发生在染料分子、纳米粒子、量子点等材料中，已被广泛应用于多光子显微镜。多光子吸收发射需要极高的激发强度，通常使用昂贵的飞秒或皮秒脉冲激光器来实现。利用廉价的连续波二极管激光器可以获得稀土离子掺杂材料中的上转换过程，或基于上转换的三重-三重态湮灭过程。然而，稀土离子掺杂材料的吸收截面较小，导致上转换效率较低。基于三重-三重态湮没的金属配合物/有机化合物体系具有更大的吸收和更高的量子效率，是比稀土离子掺杂材料更有效的上转换。不幸的是，由于分子氧引起的强猝灭过程，基于三重-三重态湮灭的上转换的光稳定性相对较低。连续波激光激发有机分子中的热激活延迟荧光和热带吸收过程是很有吸引力的反斯托克斯过程。此外，热带吸收反斯托克斯荧光具有提供受激体积温度信息的潜力，使这一机制在生物成像中的应用更具吸引力。

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创新研究

该团队发现，用915 nm连续激光激发吲哚菁绿时，在第一个近红外光谱区域可以产生明亮的反斯托克斯荧光（见图一b）。 研究人员通过对荧光和激发功率、温度的关系和寿命的测量，确定反斯托克斯荧光来源于热带吸收，并实现了生物热传感成像 （见图一d-f和图二）。

研究表明，在915 nm激光激发下，这种反斯托克斯荧光比典型的上转换荧光强得多，对生物组织的热损伤可以忽略不计。研究人员采用吲哚菁绿首次完成了在近红外光谱区域利用反斯托克斯荧光对小鼠进行脑血管深层体层摄影和血流速度测量（见图三）。

通过将吲哚菁绿与荧光有机聚合物点L1057相结合，该团队证明了实时体内多模式成像能够对邻近组织元素进行选择性和高对比度的检测。在单光源激励下，915 nm连续波激光对泌尿器官和血管进行了实验验证（见图四）。这种新型成像技术有助于术中实时监测，避免意外手术损伤。

其他具有热带吸收诱导的反斯托克斯荧光特征的荧光团可以在未来合成用于生物成像、传感、治疗和红外光感知。

图一：二甲基亚砜中吲哚菁绿溶液的反斯托克斯荧光特征。（a）吲哚箐绿分子结构。（b）吲哚菁绿溶液的反斯托克斯荧光光谱和吸收。（c）有机分子的不同反斯托克斯荧光过程。（d）对数图显示了吲哚菁绿反斯托克斯荧光在865 nm激发光(915 nm连续激光)上的功率依赖性。（e）吲哚菁绿的反斯托克斯荧光和斯托克斯荧光寿命。（f）在915 nm连续波激光激发下，吲哚菁绿的吸收光谱(910 nm - 920 nm)和反斯托克斯荧光光谱(800 nm - 900 nm)的温度依赖性。

图二: 光热治疗小鼠皮下乳腺肿瘤中吲哚菁绿荧光强度的变化。

图三：反斯托克斯荧光吲哚菁绿在脑血管断层成像和流速测量中的应用。

图四：单光源激发下泌尿系统及血管的多模式成像。

文章信息：

该文章近日发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》，题为“Hot-band absorption of Indocyanine Green for advanced anti-Stokes fluorescence bioimaging”。

Jing Zhou为论文的第一作者，Jun Qian和Paras N. Prasad为共同通讯作者。