目前常见的分子影像技术如X-射线，断层扫描成像(CT)，磁共振成像(MRI)和超声成像(US)被用于对疾病等的医疗诊断，但这些方法具有较差的空间分辨率及其无法实现动态实时监测等缺点。荧光成像由于实时、非侵入性、时空分辨率高等优点，在生命科学和生物技术领域等领域已经被广泛使用。在过去几年里，研究者们致力于研究近红外第一窗口（700 nm~900 nm）的荧光成像，但是由于生物组织在这个波段范围内有很强的吸收和散射，致使其信噪比和组织穿透深度都比较低。近年来，位于近红外第二窗口（NIR-II，1000 nm~1700 nm）的成像探针得到了广泛的关注。在这个波段，生物组织自身的吸收和散射较弱，可以极大地提高活体成像质量和穿透深度。因此，急需开发激发波长和发射波长都位于NIR-II的染料用于生物成像。在过去的研究中，研究者利用具有近红外二区发射的一些材料，例如单壁碳纳米管、量子点、染料以及稀土掺杂纳米材料应用于生物成像。但是多数材料激发波长位于生物近红外第一窗口。而激发和发射同时位于近红外第二窗口的材料有待研究。

       日前，复旦大学化学系张凡教授团队合成了具有NIR-II激发和发射的有机小分子七甲川菁荧光染料FD-1080。该小分子易与胎牛血清（FBS）结合形成复合物，使其荧光量子产率得到大幅提高（5.94%）。该复合物具有激发波长位于1064 nm和荧光发射波长位于1080 nm的特性（图1）。同时，本文证明了相对于已报道的NIR-II材料所使用的激发波长（650-980 nm），1064 nm作为激发波长具有更好的组织穿透深度和空间分辨率。该复合物不仅能实现小鼠下肢及脑部血管高分辨成像，而且能够动态监测清醒及麻醉状态下的小鼠呼吸情况。相关成果以题为"An Efficient 1064 nm NIR‐II Excitation Fluorescent Molecular Dye for Deep‐Tissue High‐Resolution Dynamic Bioimaging" 发表在Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 7483-7487。

图1. FD染料化学结构式及生物成像示意图

       与此同时，张凡教授团队通过Er敏化的作用，得到了具有近红外二区激发及发射的纳米材料（NaErF₄:Ho@NaYF₄）。该纳米颗粒吸收波长位于1530 nm，并通过能量传递上转换作用将能量传给Ho³⁺，最终得到1180 nm发射。Er³⁺在整个过程中既可以敏化Ho³⁺，自身在980 nm处也有发射。本文将纳米颗粒结合IR1061并置于微针阵列中，利用芬顿反应对1180 nm及980nm强度比率的影响，实现了对炎症部位双氧水的高分辨率实时监测。利用1530 nm的激发波长，巧妙的避免了染料自身荧光对于检测的影响，得到了较好的结果（图2）。该研究为近红外二区探针的开发提供了一个新的思路。这一成果以题“Er³⁺ Sensitized 1530 nm to 1180 nm Second Near-Infrared Window Upconversion Nanocrystals for in Vivo Biosensing”同期发表在Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 7518-7522。

图2.（A）微针的制备过程以及相关扫描电镜、共聚焦等表征；（B）近红外二区活体成像装置示意图；（C）炎症小鼠验证模型动态活体传感成像，分别对980nm，1180nm通道的荧光进行成像采集以及荧光成像比率分析图