荧光成像具有高灵敏度、实时可控和设备简单等优点。目前，阻碍荧光成像大规模临床应用的问题是穿透深度比较浅。实现荧光成像深度的突破对该技术的临床转化具有非常重要的意义。与可见光区（400-700 nm）和传统的近红外I区（700-950 nm）相比，近红外II区（1000-1700 nm）具有更弱的组织吸收、散射、发射和自发荧光，因此有利于提高组织的穿透能力。近年来，近红外I区激发和近红外II区发射的成像模式受到了广泛的关注。另一种相反的成像策略，即近红外II激发、近红外I发射尚无报道。利用长波长近红外光（如1300 nm）的极强穿透能力，人们可以有效地降低生物组织和光的相互作用，实现深层的高分辨率成像。

  最近，香港科技大学的唐本忠院士和浙江大学的钱骏教授合作，首次报道了聚集诱导发光（AIE）材料用于1300 nm近红外II区激发和近红外I区发射的活体双光子成像，在老鼠脑部的成像深度超过1000 μm。在前期的研究工作中，唐本忠院士团队实现了基于AIE材料的近红外光声成像（ACS Nano, 2017,11, 7177）、近红外II区荧光成像（Adv. Mater., 2018, 30, 1706856）以及荧光-光声双模式可控成像及治疗（Nat. Commun., 2018, 9, 1848）等。与普通的荧光成像相比，双光子荧光成像模式具有自身的一些独特优点，包括激发光能量低、光损伤小、组织穿透能力强、成像分辨率高等。传统双光子成像的激发波段主要位于680-1040 nm的波长范围，发射光谱则主要位于700 nm以下的可见光波段，因此其穿透深度只有几百微米（图1）。研究结果表明，1300 nm和1700 nm这两个波长的光具有最小的激发衰减性质，可以实现更好的穿透深度和成像效果。然而，传统有机染料面临“聚集导致荧光淬灭”（ACQ）等问题，尤其是共轭性比较大的近红外分子更会面临这一问题，使长波长激发的双光子成像变得非常困难。

图1. 不同激发光波长的脑部成像深度示意图

  为了解决以上问题，作者设计并合成了“螃蟹”形状的给-受体（D-A）型AIE分子（图2）。该分子的中间部分是具有很强D-A作用的平面结构，有利于实现大的双光子吸收截面。分子上含有多个可以自由转动的分子转子，可以有效地克服ACQ问题，并实现AIE特性，得到高荧光量子产率。作者将该AIE分子包覆成尺寸约为35 nm的纳米粒子，其最大吸收位于635 nm，发射波长则可以覆盖700-1200 nm的范围。该AIE纳米粒子具有很好的稳定性，其抗光漂白和抗活性氧氮（RONS）的能力好于FDA认证的吲哚菁绿（ICG）染料。

图2. “螃蟹”形状的AIE分子结构和纳米粒子的性质

  AIE纳米粒子的最大吸收波长为635 nm，其两倍刚好位于1300 nm的“透明”窗口附近。在1300 nm飞秒激光器的激发下，AIE纳米粒子具有很强的荧光发射（图3）。该AIE纳米粒子的荧光量子产率可以达到13.9%，其双光子吸收截面为1.22×103 GM，高于常用的有机染料。将AIE纳米粒子通过尾静脉注入到老鼠体内后，在1300 nm飞秒激光的激发下，老鼠的脑部双光子荧光显微成像结果表明，1065 μm深度的毛细血管仍然清晰可见，在脑部白质区（>840 μm）和海马体区（>960 μm）都可以实现3.5 μm的超高分辨率（图4），是目前活体内双光子荧光成像的最佳效果。同时，脑部血管的三维结构也清晰可见，包括大血管、毛细血管以及血管连接部位等。该双光子成像结果主要得益于1300 nm近红外II区激发和近红外I区发射的性质，优于传统的近红外I区激发和可见光区发射模式。该研究结果表明，有机AIE材料可以实现与无机半导体量子点等相媲美的成像效果，为有机材料的生物医学应用提供了新的思路。

图3. AIE纳米粒子的双光子激发性质

图4. 活体老鼠脑部的双光子荧光显微成像

  这一成果近期发表在ACS Nano 上，文章的第一作者为香港科技大学的博士后齐迹和浙江大学的研究生孙超伟。

  该论文作者为：Ji Qi, Chaowei Sun, Dongyu Li, Hequn Zhang, Wenbin Yu, Abudureheman Zebibula, Jacky W. Y. Lam, Wang Xi, Liang Zhu, Fuhong Cai, Peifa Wei, Chunlei Zhu, Ryan T. K. Kwok, Lina L. Streich, Robert Prevedel, Jun Qian, Ben Zhong Tang

  论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b02452