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超快光化學(xué)實(shí)現(xiàn)體內(nèi)低劑量短波紅外成像
研究背景
半導(dǎo)體納米晶體出現(xiàn)在20多年前，作為一種新型造影劑，它突破了傳統(tǒng)染料和熒光蛋白的內(nèi)在限制。目前，第三代半導(dǎo)體納米晶體在第二個(gè)近紅外窗口(NIR-II, 1000 - 1700 nm)發(fā)射，克服了可見光探針低穿透深度的限制。在該光譜范圍內(nèi)，生物組織的吸收和散射系數(shù)被降低到zuidi，允許在大組織深度的活體實(shí)現(xiàn)高對(duì)比度、高分辨率成像。NIR-II熒光材料改變了臨床前成像領(lǐng)域的游戲規(guī)則，使高分辨率解剖成像、腫瘤檢測(cè)、生物傳感、腦血管測(cè)繪、圖像引導(dǎo)的基因組編輯和手術(shù)以及代謝過程的動(dòng)態(tài)跟蹤成為可能。不同于在這個(gè)光譜范圍內(nèi)工作的其他納米探測(cè)器，NIR-II發(fā)光Ag2S納米晶體不含劇毒重金屬離子，減少生物相容性的擔(dān)憂，使其成為目前報(bào)道的NIR-II熒光團(tuán)中最有前途的系統(tǒng)之一。它們的特性已被廣泛應(yīng)用，包括皮下和經(jīng)顱測(cè)溫、光聲成像和光熱治療的腫瘤治療、早期腫瘤診斷、心臟和心血管系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)成像。
為了增強(qiáng)Ag2S點(diǎn)作為NIR-II造影劑的潛力，需對(duì)其特性進(jìn)行大量改進(jìn)，使其在輻照強(qiáng)度遠(yuǎn)低于安全閾值的情況下能進(jìn)行深層組織成像。現(xiàn)有的Ag2S點(diǎn)由于量子子產(chǎn)率低(QY < 1%)和熒光壽命短(<100ns)而受到熒光亮度低的限制。本研究提出了一種新的方法，允許Ag2S點(diǎn)的QY增加80倍。該過程是基于飛秒激光脈沖照射氯仿分散的Ag2S點(diǎn)，導(dǎo)致形成保護(hù)性的AgCl殼。這一殼結(jié)構(gòu)減少了表面陷阱，同時(shí)最大限度地減少了非輻射事件的點(diǎn)-介質(zhì)能量轉(zhuǎn)移。在這個(gè)過程中產(chǎn)生的NPs的亮度優(yōu)于所有其他現(xiàn)有的NIR-II造影劑。這一改進(jìn)使得在超低激發(fā)強(qiáng)度下的活體全身成像、血管可視化和生物分布跟蹤成為可能。
實(shí)驗(yàn)過程
在合成的Ag2S量子點(diǎn)上利用飛秒激光照射使其生長(zhǎng)保護(hù)殼，該殼層減少了結(jié)構(gòu)缺陷，使量子產(chǎn)量提高了80倍。PEG化Ag2S超級(jí)點(diǎn)能夠在低激發(fā)強(qiáng)度(＜10 mW cm-2)和劑量(＜0.5 mg kg -1)下進(jìn)行體內(nèi)深層組織成像，成為NIR-II臨床前生物成像的wuyulunbi的對(duì)比劑。這些結(jié)果建立了一種基于化學(xué)合成和超快激光處理的協(xié)同作用開發(fā)超亮NIR-II造影劑的方法。
圖1 通過超快激光照射調(diào)整結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)。
圖2 優(yōu)化Ag2S從圓點(diǎn)到超級(jí)圓點(diǎn)的光學(xué)轉(zhuǎn)換
圖3激光誘導(dǎo)點(diǎn)-超點(diǎn)轉(zhuǎn)換的條件和機(jī)理
圖4 Ag2S超點(diǎn)的體內(nèi)亮度:與其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的比較。
圖5 用Ag2S超點(diǎn)進(jìn)行體內(nèi)實(shí)時(shí)分辨成像。
研究小結(jié)
盡管Ag2S點(diǎn)作為NIR-II光學(xué)探針表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，但其潛在的臨床前應(yīng)用受到其低亮度的限制。傳統(tǒng)的合成路線會(huì)導(dǎo)致QY通常低于1%的Ag2S點(diǎn)。飛秒激光脈沖可以將這個(gè)QY提高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，高達(dá)10%以上(圖2e)，而不會(huì)影響以1200 nm為中心的寬帶發(fā)射的光譜形狀。飛秒激光脈沖觸發(fā)的dot-to-superdot轉(zhuǎn)換與實(shí)驗(yàn)條件密切相關(guān)。它需要銀NPs和氯仿分子的存在(圖3b, c)。大于100 fs的脈沖寬度會(huì)導(dǎo)致緩慢和低效的點(diǎn)到超級(jí)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換(圖3d)。本研究得出結(jié)論，點(diǎn)到超點(diǎn)的轉(zhuǎn)變是一個(gè)連續(xù)的過程(圖3e):(i)飛秒激光脈沖誘導(dǎo)銀NPs的庫(kù)侖爆炸，(ii)銀原子與溶劑分子發(fā)生反應(yīng)，(iii) AgCl保護(hù)殼包圍Ag2S點(diǎn)。這種保護(hù)外殼(由電子顯微鏡證明，圖1)大大減少了表面相關(guān)的非輻射過程，并導(dǎo)致亮度增加和更長(zhǎng)的熒光壽命(圖2f)。超快激光脈沖的能力可以改善NPs的發(fā)光性能，這一發(fā)現(xiàn)刺激了新的合成程序的發(fā)展，將促進(jìn)傳統(tǒng)化學(xué)路線和光物質(zhì)相互作用過程的協(xié)同作用。
參考文獻(xiàn)：Santos, Harrisson D. A. , et al. "Ultrafast photochemistry produces superbright short-wave infrared dots for low-dose in vivo imaging." Nature Communications (2020).