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(jìn)行組織、細(xì)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(jī)制、進(jìn)行藥物研發(fā)和臨床精確診斷的重要技術(shù)。然而在實(shí)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(jìn)步的重要因素。

         實(shí)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(tuán)。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(jìn)行無串?dāng)_的多重標(biāo)記與成像。稀土鉺離子配合物具有1530 nm左右的特征單色發(fā)光特性，理論上非常適合用來進(jìn)行活體熒光成像研究。然而要在生理環(huán)境下實(shí)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(jìn)行應(yīng)用。

         研究人員發(fā)現(xiàn)自然界中的紫細(xì)菌能夠利用細(xì)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(tuán)隊(duì)提出了以細(xì)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 nm，斯托克斯位移值達(dá)到了760 nm，為活體熒光多重成像的實(shí)現(xiàn)提供了強(qiáng)有力的研究工具。

研究團(tuán)隊(duì)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(jī)理進(jìn)行研究，揭示了細(xì)菌葉綠素和鉺離子之間快速的能量傳遞速率（2×10 ⁹ s ^-1）和高效的能量傳遞效率（Φ _TEnT> 99.9%) 。并且進(jìn)一步通過分子工程調(diào)控了配體的吸收，驗(yàn)證了圍繞鉺-細(xì)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(xì)菌葉綠素配合物的能量傳遞機(jī)理圖；
（b）鉺-細(xì)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，研究團(tuán)隊(duì)基于探針優(yōu)異的光學(xué)特性和生物相容性進(jìn)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(xì)結(jié)構(gòu)及其空間位置關(guān)系，并能實(shí)時(shí)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(zhǔn)的信息。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用新型探針標(biāo)記了小鼠體內(nèi)的癌細(xì)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(xì)胞的運(yùn)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(xì)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(shí)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(shí)現(xiàn)了癌細(xì)胞在小鼠腦部轉(zhuǎn)移的動態(tài)實(shí)時(shí)可視化觀察。  
參考文獻(xiàn)：
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.

| 儀器推薦  
近紅外二區(qū)小動物活體成像系統(tǒng)NIR-II-ST
NIR-II in vivo imaging system
           文中利用近紅外二區(qū)小動物活體成像系統(tǒng)NIR-II-ST完成了體內(nèi)淋巴管和血管的多重成像以及小鼠腦內(nèi)癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移的活體多重成像實(shí)驗(yàn)。這款小動物活體成像系統(tǒng)性能優(yōu)越，可搭配多款深度制冷的InGaAs近紅外相機(jī)，檢測靈敏度高，能夠?qū)崿F(xiàn)大視野及局部小動物高信噪比和高分辨活體成像。配備全自動操作平臺，可實(shí)現(xiàn)電動對焦，多通道小動物麻醉系統(tǒng)，滿足多只小鼠同時(shí)成像。成像系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，可選配多波長激光器、X射線、可見和近紅外LED等多種激發(fā)光源，實(shí)現(xiàn)成像功能升級拓展。 自主開發(fā)的軟件功能一鍵操作，可實(shí)時(shí)反映儀器狀態(tài)，自動化控制，操控與圖像處理一體化。該系統(tǒng)可應(yīng)用于活體小動物熒光手術(shù)導(dǎo)航、血管動態(tài)成像、淋巴成像、腫瘤成像、炎癥的檢測與監(jiān)測、藥物追蹤與活體原位疾病檢測等。