福建物構所近紅外稀土納米晶/量子點雙激發解碼策略實現精準探溫

2020-09-04 小材科研

近紅外螢光比率型溫度傳感具有較大的組織穿透深度、較低的背景螢光幹擾及無創探測等優點，因而在生物醫學領域具有廣闊的應用前景。為了避免螢光探測信號相互串擾，傳統的近紅外螢光比率型溫度探測模式採用兩個無交疊的螢光發射的強度之比作為溫敏參數。然而，光在生物組織中的衰減係數具有波長依賴性，因而兩個無交疊的螢光發射的強度之比這一溫敏參數不僅受溫度調製，還與螢光信號在組織中的衰減係數及穿透深度有關。因此，利用傳統的近紅外螢光比率型溫度探測模式進行生物組織內溫度探測時，所獲得的溫敏參數會因為光在組織中的衰減而偏離真實值，導致產生溫度測量偏差。因此，如何實現生物組織內準確的溫度探測依然是一個嚴峻的挑戰。

圖1、基於稀土納米晶/量子點複合材料的雙激發解碼策略實現精準溫度探測的示意圖

中國科學院功能納米結構設計與組裝/福建省納米材料重點實驗室陳學元團隊首次提出了利用基於稀土納米晶/量子點複合物探針的雙激發解碼策略來實現生物組織內精準溫度探測（圖1）。首先，利用核殼結構NaLuF4: Nd3+, Gd3+@NaGdF4稀土納米晶和PbS@CdS@ZnS量子點在兩親分子形成的膠束中進行自組裝來構建稀土納米晶/量子點複合物微球，並將在808 nm雷射激發下，波長均位於1057 nm處的兩個分別來自於納米晶中Nd3+離子及量子點的發射的強度之比定義為溫敏參數。隨後，該團隊巧妙地利用Nd3+離子與量子點不同的光吸收特性，選用與808 nm雷射波長相近且共路的另一束830 nm雷射來單獨激發出複合物中量子點的發光，最終通過此種雙激發策略將1057 nm處重疊的發射信號進行分離，並計算其發射強度比值作為溫敏參數。

　　

圖2、a) 生物組織內溫度探測的體外模擬實驗光路圖；b) 稀土納米晶/量子點複合物探針的溫敏特性；c) 複合物探針在不同厚度組織下的發射譜；d) 雙激發解碼策略的溫敏參數和傳統近紅外螢光比率型溫度探測模式的溫敏參數隨組織厚度的變化情況；e) 當組織厚度為~1.1 mm時，利用傳統近紅外螢光比率型溫度探測模式所產生的溫度偏差達~43 °C。

進一步地，該團隊從實驗上驗證了雙激發解碼策略相較於傳統的近紅外螢光比率型溫度探測模式在生物組織內溫度探測的準確度方面的優越性（圖2）。例如，當組織探測深度為~1.1 mm 時，若採用傳統的近紅外螢光比率型溫度探測模式，也即採用稀土納米晶/量子點複合物中位於863 nm處的Nd3+離子螢光發射和1025 nm處的量子點螢光發射的強度之比作為溫敏參數，則所產生的測量偏差為~43 °C。在同一實驗條件下，若採用雙激發解碼策略進行溫度探測，所測溫度與實際溫度偏差僅為~2.3 °C。該研究工作突破了傳統的近紅外螢光比率型溫度探測模式在生物組織內部溫度探測中存在測量偏差這一瓶頸問題，為實現組織內溫度精準探測提供了新思路，並對其它類型的比率型螢光生物檢測也具有方法論意義。

相關結果以全文形式發表於《先進科學》雜誌（Advanced Science, 2020, 202001589. DOI: 10.1002/advs. 202001589），該論文的第一作者是福建物構所博士研究生餘少樺和徐金副研究員，通訊作者為塗大濤副研究員和陳學元研究員。研究得到中科院戰略性先導科技專項、國家重點研發專項等項目支持。

此前，陳學元團隊在近紅外納米螢光材料的電子結構、光學性能和生物應用研究方面取得了一系列重要進展。例如，揭示了Nd3+在LiLuF4納米晶中的局域電子能級結構並實現高靈敏溫度探測（Adv. Sci. 2019, 6, 1802282）；發展了一種近紅外雙激發比率型上轉換螢光策略實現細胞內生物分子的精準檢測（Adv. Sci. 2019, 6, 1901874）；開發出了CuInSe2基新型高效近紅外二區發光量子點生物探針，並將其應用於循環腫瘤細胞檢測和腫瘤靶向實時成像（Nano Today 2020, 35, 100943）。

來源：福建物構所

文章連結：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202001589

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