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　　近年來，近紅外（波長700~1700 nm）窗口逐漸地被證實是一個生物組織的光學(xué)“透明”窗口。近紅外光在穿透皮膚、脂肪和骨骼等生物組織時發(fā)生的散射和吸收現(xiàn)象均較少，因而相對于可見光而言其“折損率”更低。不僅如此，在近紅外區(qū)域，來自于生物體內(nèi)各種色素的自發(fā)熒光也極大地降低。在這兩大優(yōu)勢的助力下，近紅外區(qū)域內(nèi)的熒光成像在活體動物研究中有著較好的表現(xiàn)與巨大的發(fā)展前景。

　　活體熒光多重成像分析可以對小動物活體狀態(tài)下的生物過程進行組織、細胞和分子水平的定性和定量研究，是輔助科研人員理解疾病發(fā)生機制、進行藥物研發(fā)和臨床精確診斷的重要技術(shù)。然而在實際應(yīng)用中，該技術(shù)仍面臨著成像深度淺、分辨率差、對比度低和可檢測通道數(shù)量少等諸多挑戰(zhàn)，其中缺乏光譜分離的近紅外熒光探針是制約這一技術(shù)進步的重要因素。

　　實現(xiàn)近紅外光譜分離的關(guān)鍵在于構(gòu)筑窄帶吸收、發(fā)射以及大斯托克斯位移的近紅外熒光團。當(dāng)前使用的熒光探針普遍光譜較寬，吸收發(fā)射挨的近，因而無法對生物組織進行無串?dāng)_的多重標記與成像。稀土鉺離子配合物具有1530納米左右的特征單色發(fā)光特性，理論上非常適合用來進行活體熒光成像研究。然而要在生理環(huán)境下實現(xiàn)這一發(fā)光卻并不容易。傳統(tǒng)的分子構(gòu)建策略不僅容易導(dǎo)致鉺離子的發(fā)光被水分子淬滅，而且分子的激發(fā)波長常常在紫外光區(qū)，無法在活體成像中進行應(yīng)用。

　　研究人員發(fā)現(xiàn)自然界中的紫細菌能夠利用細菌葉綠素高效地捕捉近紅外光并將光能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能。受此啟發(fā)，團隊提出了以細菌葉綠素作為天線配體敏化稀土鉺離子的新穎策略，所構(gòu)造出的熒光探針不僅能在水相中發(fā)射出明亮的近紅外熒光，而且其吸收和發(fā)射半峰寬小于32納米，斯托克斯位移值達到了760納米，為活體熒光多重成像的實現(xiàn)提供了強有力的研究工具。

　　團隊利用超快瞬態(tài)吸收技術(shù)和低溫磷光光譜對絡(luò)合物中能量傳遞機理進行研究，揭示了細菌葉綠素和鉺離子之間快速的能量傳遞速率（2×109 s-1）和高效的能量傳遞效率（ΦTEnT> 99.9%) 。并且進一步通過分子工程調(diào)控了配體的吸收，驗證了圍繞鉺-細菌葉綠素體系開發(fā)多色可調(diào)近紅外熒光探針工具的可行性。

圖1：（a）鉺-細菌葉綠素配合物的能量傳遞機理圖；

（b）鉺-細菌葉綠素配合物的代表性分子EB766的化學(xué)結(jié)構(gòu)式；

（c）EB766的單晶結(jié)構(gòu)；

（d）EB766的吸收和發(fā)射光譜圖；

（e）超快瞬態(tài)吸收光譜表征EB766的激發(fā)態(tài)動力學(xué)過程。

　　最后，團隊基于探針優(yōu)異的光學(xué)特性和生物相容性進行了生物成像研究。探針較窄的吸收光譜特性使得通過正交激發(fā)控制的多重成像方法可以清晰地勾勒出小鼠血管和淋巴管的精細結(jié)構(gòu)及其空間位置關(guān)系，并能實時顯現(xiàn)胃腸道消化系統(tǒng)和血液循環(huán)系統(tǒng)的代謝活動。該方法有望為手術(shù)導(dǎo)航和臨床診斷提供更精準的信息。團隊進一步利用新型探針標記了小鼠體內(nèi)的癌細胞，探針較窄的發(fā)射光譜特性也讓正交發(fā)射控制的多重成像方法得以在小鼠腦部以無創(chuàng)傷的方式清晰地觀察到癌細胞的運動、遷移、以及在血管壁上駐扎等過程。相比于原先的研究方法，這種方法有效地避免了開視窗造成的組織損傷，以及昂貴的成像設(shè)施，為活體水平的細胞相互作用研究提供了新的研究平臺。

圖2：（a-c）基于新型近紅外熒光探針構(gòu)建的激發(fā)光譜分離多重成像方案，實現(xiàn)了小鼠血管和淋巴管結(jié)構(gòu)的高分辨率成像；

（d-g）基于新型近紅外熒光探針構(gòu)建的發(fā)射光譜分離多重成像方案，實現(xiàn)了癌細胞在小鼠腦部轉(zhuǎn)移的動態(tài)實時可視化觀察。

　　最后，研究人員認為，該工作首次構(gòu)筑了能夠在水里發(fā)射出近紅外熒光的，吸收和發(fā)射半峰寬都極窄的，斯托克斯位移極大的，適用于活體熒光多重成像的熒光探針。這一探針為開發(fā)多色可調(diào)的近紅外熒光探針提供策略。這項研究為研究活體水平的細胞相互作用提供無創(chuàng)簡易的解決方案。

　　參考文獻:

　　Ting Wang+, Shangfeng Wang+*, Zhiyong Liu+, Zuyang He, Peng Yu, Mengyao Zhao, Hongxin Zhang, Lingfei Lu, Zhengxin Wang, Ziyu Wang, Weian Zhang*, Yong Fan, Caixia Sun, Dongyuan Zhao, Weimin Liu, Jean-Claude G. Bünzli and Fan Zhang*. A hybrid erbium(III)–bacteriochlorin near-infrared probe for multiplexed biomedical imaging. Nature Materials , 2021, 20, 1571–1578.