纳米科学在生物医学上的一个重要应用方向是分子影像技术。分子影像学（molecular imaging）是运用影像学手段显示组织水平、细胞和亚细胞水平的特定分子，反映活体状态下分子水平变化，对其生物学行为在影像方面进行定性和定量研究的科学。其中荧光成像技术由于具有费用低廉和操作简单等多种优点，在分子影像学中脱颖而出，广泛应用于生物医学研究。在临床上也被用于区分正常组织与病变组织，以指导外科手术切除。该技术在癌症肿瘤前哨淋巴结标记，肿瘤（如乳腺癌、头颈部癌症、脑胶质瘤）及坏死组织手术切除等方面有着广泛的应用[1]。
目前，体内荧光成像至少在两个方面遭遇到技术上的挑战。首先，厚而不透明的动物组织可以吸收或者衍射光子，产生强烈的自体荧光，所有这些都会使信号收集和测量变得模糊不清。其次，复杂的体内环境需要额外的造影剂或成像探针，而且这种造影剂或探针一旦分布于生物体内，必须具备生物稳定性[2]。近几十年以来，单光子荧光在可见光（400–700nm）和近红外（NIR-Ⅰb：750–900nm）的电磁波区域的成像，无法产生清晰图像，用于观察体内深层组织的结构和生理的动态变化[3]。相对于普通可见光和NIR-Ⅰ荧光成像技术，近红外二区（NIR-Ⅱ）荧光成像激发波长和发射波长（1000nm–1700nm）较长，可显著降低光在穿透生物组织中的散射现象，加上其光子自身组织吸收少，引起自荧光效应低等特点，在体内荧光成像中可以穿透前所未有的深部组织，并拥有较高空间分辨率。因而NIR-Ⅱ荧光成像技术在生物活体成像领域展现出巨大的潜力, 已成为国际研究活体荧光成像的最新热点方向[4]。但实际上，只有非常少的NIR-Ⅱb荧光探针能够满足要求。
图1：NaYbF4:Er,Ce@NaYF4 纳米颗粒的结构设计
中国科学院大学中丹学院博士生导师、国家纳米与科学中心研究员胡志远及其团队与美国斯坦福大学终身教授戴宏杰团队的合作研究发现，在Er-RENPs（含有稀土元素Er的纳米颗粒）中掺入Ce3+，并且合理优化壳层的厚度能在NIR-Ⅱb区域够增强材料的下转换发光（图1）。该材料不仅可以迅速对老鼠脑部组织和下肢血脉管进行成像（曝光时间20ms）而且具有良好的生物相容性（图2，图3）。这种非入侵式的NIR-Ⅱb成像能够通过对脑血管异常情况的可视化和实时监控来实现对脑部疾病的诊断和治疗，预示着这种具有高度生物兼容性和化学惰性的材料在临床上的潜在应用前景非常光明。
图2：对Er-RENPs进行表面修饰以满足生物相容性
该研究全文在线发表于2017年9月29日的Nature Communication杂志上[5]。中国科学院大学中丹学院博士生导师、国家纳米科学中心研究员胡志远与美国科学院院士、斯坦福大学终身教授戴宏杰为本文的共同通讯作者。该研究得到科技部和国家基金委的项目资助。
图3：在体内，Er-RENPs@PMH-P在NIR-Ⅱb区域的脑部成像
[1] Schroeder K, Goreham R, Nann T, et al. Graphene quantum dots for theranostics and bioimaging [J] Pharmaceutical Research, 2016,33(10): 2337-2357.
[2]Han R, Li Z, Fan Y, et al. Recent advances in super-resolution fluorescence imaging and its application in biology [J] Journal of Genetics & Genomics, 2013, 40(12):583-595
[3] Hong G, Lee J, Robinson J, et al. Multifunctional in vivo vascular imaging using near-infrared II fluorescence [J] Nature Medicine,2012, 18(12): 1841–1846.
[4] Hong G, Diao S, Chang J, et al. Through-skull fluorescence imaging of the brain in a new nearinfrared window [J] Nature Photonics, 2014,8(9): 723–730.
[5] Zhong Y, Ma Z, Zhu S, et al. Boosting the down-shifting luminescence of rare-earth nanocrystals for biological imaging beyond 1500 nm [J] Nature Communications, 2017, 8(737): 1-7.
