综述：基于镧系探针的近红外时间分辨体内成像技术：综述

《CHINESE CHEMICAL LETTERS》：Near-infrared time-resolved in vivo imaging based on lanthanide probes: A review

本文系统综述了镧系离子探针在近红外时间分辨成像中的应用，探讨了其设计原理、发光调控机制及生物成像策略，分析了纳米颗粒尺寸、表面化学等因素对荧光寿命的影响，并总结了纳米温测、多光谱生物成像等应用进展，最后展望了材料优化、仪器创新和临床转化等未来方向。

　　

胡思坤|张新杰|黄加良|张帆|范勇

复旦大学化学系，聚合物分子工程国家重点实验室，分子催化与创新材料上海重点实验室，iChem，上海200433，中国

摘要

时间分辨成像技术通过将长寿命探针的发射与短寿命组织自荧光背景在时间上分离，提供了一种强大的方法。将这种技术与近红外（NIR）光学窗口结合使用，进一步提高了组织的穿透深度和信噪比，使其成为体内成像的关键前沿技术。镧系探针因其独特的光物理特性而备受关注，最近在这一领域展现出了巨大的潜力。本文系统地探讨了镧系探针的设计原理、发光调控机制以及用于时间分辨体内成像的策略，并进一步评估了它们的最新生物应用，并讨论了这项有前景的技术在临床转化中面临的挑战和未来发展方向。

引言

成像技术是现代生物医学研究中的重要工具，为疾病诊断、药物开发以及生物过程的可视化提供了关键支持[[1], [2], [3], [4]]。在各种成像技术中，光学成像因其高灵敏度、高时空分辨率和多通道检测能力而特别突出[[5], [6], [7]]。该领域的发展起源于体外应用，这些应用为研究细胞结构、生物分子相互作用和疾病机制提供了有力手段[8,9]。如今，体内荧光成像技术能够实时监测生理和病理过程，已成为一个研究热点[[10], [11], [12]]。

生物组织中的光衰减是体内荧光成像的主要限制因素[13,14]。理论研究表明，近红外（NIR）光（700-900 nm）相比可见光（400-700 nm）具有更好的组织穿透能力。这是由于NIR光区的光散射和吸收较少，同时自荧光信号也较弱，这些因素共同提高了图像的信噪比（SNR）[15]。由于水对波长的影响，NIR光谱被划分为不同的子窗口：NIR-I（700-900 nm）、NIR-II-S（1000-1400 nm）和NIR-II-L（1500-1900 nm）（图1a）。其中，NIR-II-L子窗口具有适中的水吸收和最小的光散射，特别适合高对比度的体内成像[[15], [16], [17]]。然而，传统的基于强度的成像方法存在显著局限性，覆盖的组织范围和非特异性探针聚集可能会改变强度信号，常常导致“假阳性”结果[18,19]。最近的研究关注了荧光探针的寿命（图1b）。作为固有的光学性质，发光寿命与探针浓度、组织穿透深度和激发功率无关，因此它是深层组织成像更为可靠和稳健的信号[19,20]。此外，时间分辨成像系统的进步实现了寿命复用，这种技术克服了光谱通道拥挤的限制[18]。

体内时间分辨成像的实现依赖于设计具有合适发光寿命的探针[21]。目前的发光探针具有广泛的发光寿命（皮秒到毫秒），其中较长的发光寿命（微秒到毫秒）由于信息传输时间和相机频率的限制而更易于区分[22]。此外，通过时间门控技术可以将短寿命背景信号（如组织自荧光，纳秒级）与长寿命探针信号分离，从而实现高灵敏度和改进的信噪比成像（图2a）[23,24]。

镧系离子（Ln³⁺）由于其独特的发光特性，是时间分辨成像的理想材料[25]。其独特的[Xe]4fⁿ电子构型和丰富的能级在NIR范围内产生多个高亮度发射峰[26]。此外，它们的4f-4f电子跃迁赋予了较长的发光寿命（微秒到毫秒），比有机染料（纳秒级）或量子点（纳秒到微秒级）长几个数量级。这使得它们特别适合在同步摄影模式下进行高效的大面积成像[27,28]。Ln³⁺在NIR光谱中的可调性和丰富的寿命特性（图2b及支持信息中的表S1）使得通过时间分辨方法能够高分辨率地区分不同的生物组织。相比之下，病变组织的发光强度成像常常受到正常组织中积累的探针的强背景干扰，导致信噪比显著降低（图2c）。

敏感的光电探测器和纳米材料合成技术的进步促进了过去十年基于Ln³⁺探针的时间分辨体内成像的全面应用[25,29,30]。2013年，Jin等人首次展示了使用掺镧纳米粒子（LnNPs）进行寿命复用的实例，从而通过引入发光信号的时间维度扩展了光学复用能力（支持信息中的图S1a）[31]。随后，Rosal等人结合了长寿命LnNPs和时间门控技术来抑制体内自荧光，实现了高对比度和高分辨率成像（支持信息中的图S1b）[32]。2018年，Ning等人开发了高度稳定且明亮的NIR镧系染料杂化发光体（LDHLs），凸显了它们在NIR时间分辨成像中的潜力（支持信息中的图S1c）[33]。我们的团队首次实现了在NIR-II-L（1500-1900 nm）区域内的体内复用寿命成像，这一成就得益于Ln³⁺独特的发光寿命特性（支持信息中的图S1d）[19]。我们的团队还在生物传感和光强度与寿命的正交调制方面做出了重要贡献，进一步突显了Ln³⁺在NIR时间分辨成像中的实用性（支持信息中的图S1e和f）[[34], [35], [36]]。

本文全面概述了Ln³⁺在体内时间分辨成像中的应用研究。首先介绍了时间分辨成像的原理，包括Ln³⁺寿命信号的基本理论以及成像方法和时域仪器。接下来，我们对常见的基于Ln³⁺的探针进行了分类和总结，强调了它们不同的寿命特性和响应行为。还讨论了它们在纳米热测量、多通道生物成像和生物传感等领域的应用。最后，我们展望了体内时间分辨成像在材料、仪器和应用层面的未来前景和挑战。

部分摘录

镧系离子的时间分辨成像原理

时间分辨成像是一种根据荧光信号的时间特性来区分它们的技术。与传统光学成像不同，这种方法有效抑制了来自自荧光和光散射的背景干扰。此外，其信号与生物组织厚度无关，特别适合体内多通道和定量检测。

用于时间分辨NIR发光成像的镧系探针

基于镧系的探针特别适合体内时间分辨成像，因为它们具有丰富的NIR发射（700-1700 nm）和较长的可调寿命（微秒到毫秒）。这些特性使得在同步摄影模式下能够进行高效的大面积成像（>1 cm²），并有效减轻了体内的自荧光和组织散射，从而比传统荧光成像具有更高的对比度和分辨率[32,72]。根据其工作原理，我们

生物应用

时间分辨NIR成像通过根据探针的发光寿命而非强度来区分它们，从而增强了深层组织成像的效果。这种方法减少了光漂白现象，并更准确地反映了生理信息。具有可调且长发光寿命的NIR-II LnNPs在纳米热测量、多通道生物成像和生物传感中显示出显著的价值。

总结与展望

在这篇综述中，我们总结了基于镧系探针的体内NIR时间分辨成像的最新进展。尽管Ln³⁺的优异NIR发光特性取得了显著进展，但未来仍面临一些挑战。

1.

发光机制和探针设计。未来的一个关键方向是明确颗粒大小、表面化学和核壳界面对Ln³⁺发光的影响，以指导高性能探针的制备。

未引用的参考文献

[38,39,42,43,[45], [46], [47], [48],50,[81], [82], [83]]

CRediT作者贡献声明

胡思坤：撰写——初稿，资源获取，项目管理，数据整理。张新杰：撰写——初稿，形式分析。黄加良：撰写——审稿与编辑。张帆：指导，审稿与编辑，项目管理，资金获取。