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　　近年來，近紅外（波長700~1700 nm）窗口逐漸地被證實(shí)是一個(gè)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(shí)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(dòng)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(dòng)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納米左右的特征單色發(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納米，斯托克斯位移值達(dá)到了760納米，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。

　　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（2×109 s-1）和高效的能量傳遞效率（ΦTEnT> 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(dòng)力學(xué)過程。

　　最后，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(dòng)。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(dòng)、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(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)可視化觀察。

　　最后，研究人員認(rèn)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(xiàng)研究為研究活體水平的細(xì)胞相互作用提供無創(chuàng)簡易的解決方案。

　　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.