研究背景 

半导体纳米晶体出现在20多年前，作为一种新型造影剂，它突破了传统染料和荧光蛋白的内在限制。目前，第三代半导体纳米晶体在第二个近红外窗口(NIR-II, 1000 - 1700 nm)发射，克服了可见光探针低穿透深度的限制。在该光谱范围内，生物组织的吸收和散射系数被降低到最低，允许在大组织深度的活体实现高对比度、高分辨率成像。NIR-II荧光材料改变了临床前成像领域的游戏规则，使高分辨率解剖成像、肿瘤检测、生物传感、脑血管测绘、图像引导的基因组编辑和手术以及代谢过程的动态跟踪成为可能。不同于在这个光谱范围内工作的其他纳米探测器，NIR-II发光Ag2S纳米晶体不含剧毒重金属离子，减少生物相容性的担忧，使其成为目前报道的NIR-II荧光团中最有前途的系统之一。它们的特性已被广泛应用，包括皮下和经颅测温、光声成像和光热治疗的肿瘤治疗、早期肿瘤诊断、心脏和心血管系统的动态成像。 

为了增强Ag2S点作为NIR-II造影剂的潜力，需对其特性进行大量改进，使其在辐照强度远低于安全阈值的情况下能进行深层组织成像。现有的Ag2S点由于量子子产率低(QY < 1%)和荧光寿命短(<100ns)而受到荧光亮度低的限制。本研究提出了一种新的方法，允许Ag2S点的QY增加80倍。该过程是基于飞秒激光脉冲照射氯仿分散的Ag2S点，导致形成保护性的AgCl壳。这一壳结构减少了表面陷阱，同时最大限度地减少了非辐射事件的点-介质能量转移。在这个过程中产生的NPs的亮度优于所有其他现有的NIR-II造影剂。这一改进使得在超低激发强度下的活体全身成像、血管可视化和生物分布跟踪成为可能。 

实验过程 

在合成的Ag2S量子点上利用飞秒激光照射使其生长保护壳，该壳层减少了结构缺陷，使量子产量提高了80倍。PEG化Ag2S超级点能够在低激发强度(＜10 mW cm-2)和剂量(＜0.5 mg kg -1)下进行体内深层组织成像，成为NIR-II临床前生物成像的无与伦比的对比剂。这些结果建立了一种基于化学合成和超快激光处理的协同作用开发超亮NIR-II造影剂的方法。 

图1 通过超快激光照射调整结构和化学性质。

 

图2 优化Ag2S从圆点到超级圆点的光学转换

 

图3激光诱导点-超点转换的条件和机理

 

图4 Ag2S超点的体内亮度:与其竞争对手的比较。

 

图5 用Ag2S超点进行体内实时分辨成像。 

研究小结 

尽管Ag2S点作为NIR-II光学探针表现出了优异的性能，但其潜在的临床前应用受到其低亮度的限制。传统的合成路线会导致QY通常低于1%的Ag2S点。飞秒激光脉冲可以将这个QY提高一个数量级以上，高达10%以上(图2e)，而不会影响以1200 nm为中心的宽带发射的光谱形状。飞秒激光脉冲触发的dot-to-superdot转换与实验条件密切相关。它需要银NPs和氯仿分子的存在(图3b, c)。大于100 fs的脉冲宽度会导致缓慢和低效的点到超级点的转换(图3d)。本研究得出结论，点到超点的转变是一个连续的过程(图3e):(i)飞秒激光脉冲诱导银NPs的库仑爆炸，(ii)银原子与溶剂分子发生反应，(iii) AgCl保护壳包围Ag2S点。这种保护外壳(由电子显微镜证明，图1)大大减少了表面相关的非辐射过程，并导致亮度增加和更长的荧光寿命(图2f)。超快激光脉冲的能力可以改善NPs的发光性能，这一发现刺激了新的合成程序的发展，将促进传统化学路线和光物质相互作用过程的协同作用。 

 

参考文献：Santos, Harrisson D. A. , et al. "Ultrafast photochemistry produces superbright short-wave infrared dots for low-dose in vivo imaging." Nature Communications (2020).                        

领域：结构生物学,生物成像,细胞生物学,分子生物学,其他生命科学

标签：红外成像