Adv. Mater.：具有聚集誘導非線性光學效應的AIE納米晶用于活體深層高分辨三次諧波成像

【研究背景】

非線性光學成像由于其獨特的深度光學切片能力，高空間分辨率和對生物樣本的三維重建能力，已成為生物成像研究領域的熱點方向。此前的非線性光學成像研究工作主要集中在雙光子熒光成像。在雙光子激發熒光過程中，雙光子熒光強度與激發光功率的二次方成正比。與之相比，三光子熒光和三次諧波產生的強度均與激發光的三次方成正比。因此，三光子熒光成像和三次諧波成像相比于雙光子熒光成像具有更高的空間分辨率；此外，由于三光子熒光與三次諧波產生所用的激發波長相較于雙光子更長，因此具有更大的成像深度。另一方面，盡管三光子熒光和三次諧波產生具有相同的激發光功率依賴性，但三次諧波產生屬于三階非線性光學現象，而三光子熒光屬于五階非線性光學過程。這表明三次諧波產生的激發閾值比三光子熒光低得多。這些特征使三次諧波成像在深層組織和高分辨生物成像領域具有重要的應用前景。

【成果簡介】

近日，香港科技大學唐本忠院士與浙江大學錢駿教授聯合報道了一種基于具有明亮近紅外發射的聚集誘導發光（AIE）分子（DCCN）制備有機納米晶的簡單方法。在納米顆粒中觀察到了DCCN的聚集誘導非線性光學效應，包括雙光子熒光、三光子熒光和三次諧波產生。成功地將DCCN納米晶應用于1040 nm近紅外光激發的雙光子熒光顯微成像和1560 nm近紅外光激發的三次諧波顯微成像，重建了小鼠腦血管的三維血管系統。實驗結果顯示，三次諧波成像具有比雙光子熒光成像和三光子熒光成像更高的的空間分辨率和亮度。三次諧波成像的最大成像深度為800 μm，并且，在800 μm深度的毛細血管仍然清晰可見，可以實現2.7 μm的超高分辨率。這一研究成果大大拓展了AIE材料在非線性光學成像領域的應用潛力。該成果近日以題為“Aggregation‐Induced Nonlinear Optical Effects of AIEgen Nanocrystals for Ultradeep In Vivo Bioimaging”發表在知名期刊Adv. Mater.上。

【圖文導讀】

圖一：DCCN分子的合成、結構和基本的光物理性質

圖二：DCCN納米晶體的制備優化、晶體結構和光物理性質

圖三：DCCN在溶液、無定型態和晶態狀態下的非線性光學性質

圖四：小鼠腦血管的三次諧波成像和雙光子熒光成像比較

圖五：活體小鼠腦血管的三次諧波顯微成像

【小結】

綜上所述，通過構筑推拉電子結構，在富電子咔唑的2, 7位分別引入給電子基團和強拉電子基團，設計合成了一種新型的具有D-π-A結構的聚集誘導發光材料DCCN。DCCN具有近紅外發射（704 nm）和結晶誘導熒光增強的性質。作者研究發現，DCCN可以在水/丙酮混合溶劑中形成晶體，并且通過調節混合溶劑中溶劑與反溶劑的比例和儲存時間可以很好地調節所得晶體的尺寸，獲得適用于生物學應用的納米晶體。在飛秒激光激發下，相比于無定型態，DCCN在晶態下具有更高的非線性光學強度，包括雙光子熒光、三光子熒光和三次諧波產生。活體小鼠腦部成像結果顯示，相比于雙光子和三光子熒光成像，小鼠腦部血管的三次諧波成像具有更高的空間分辨率和信噪比。三次諧波成像的最大成像深度為800 μm，并且，在800 μm深度的毛細血管仍然清晰可見，可以實現2.7 μm的超高分辨率。這項工作不僅展示了基于具有良好結晶性的AIE分子制備納米晶體的簡單方法，提出了AIE分子的聚集誘導非線性效應，而且首次成功利用AIE材料實現了活體小鼠腦血管的深層高分辨三次諧波成像，為制備多模式非線性生物成像材料提供了新的思路。

文獻鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201904799 (Adv. Mater. 2019, 1904799)

【唐本忠院士簡介】

唐本忠，中國科學院院士，（英國）皇家化學會會士，香港科技大學張鑒泉理學教授、化學系與生物醫學工程系講座教授，廣州華南理工大學教授，深圳大學AIE研究中心名譽主任。現為科技部973計劃項目首席科學家、國家自然科學基金基礎科學研究中心項目負責人、廣東省引進創新科研團隊帶頭人，以及中國化學會和英國皇家化學會聯合期刊Materials Chemistry Frontiers主編。唐本忠教授累計發表學術論文1000余篇，論文被引用近80000余次，H指數為131，并于2014-2017年連續入選化學和材料雙領域高被引科學家。

唐院士先后獲得多項榮譽及獎勵，包括國家自然科學二等獎、Croucher基金會高級研究員獎、中國化學會王葆仁獎和Elsevier雜志社馮新德獎、何梁何利基金科學與技術進步獎。2016年，AIE納米粒子被Nature列為支撐即將來臨的納米光革命的四大納米材料之一，并是唯一一種由中國科學家原創的新材料；同年，美國CNBC電視臺以“Year of Cancer”的主題，實況專訪唐院士，向全球直播介紹AIE熒光探針在識別癌癥細胞等領域的應用；2018年初，以第一項目完成人身份憑“聚集誘導發光”項目獲得2017年度國家自然科學一等獎。

【錢駿教授簡介】

錢駿，博士，浙江大學光電學院教授，博士生導師，浙江大學醫學院附屬邵逸夫醫院兼聘教授。浙江大學現代光學儀器國家重點實驗室主任助理，浙江大學信息學部學術交流與合作專門委員會委員，中國生物材料學會影像材料分會委員，中國生物醫學工程學會生物醫學光子學分會青年工作組副組長，浙江省轉化醫學學會核醫學與分子影像分會委員。浙江省杰出青年基金獲得者。

2009年9月在浙江大學光電系獲博士學位，2006年至2007年在美國紐約州立大學布法羅分校“激光、光子學、生物光子學研究中心”學術訪問。2016年11月至12月在香港科技大學唐本忠院士課題組學術訪問。一直從事“大深度、高分辨的光學活體生物成像”研究，近幾年重點開展了“多光子熒光顯微成像”和“近紅外二區熒光成像”的工作。共發表SCI論文80多篇。其中，第一/通訊作者論文50多篇(包括Cell子刊Chem綜述論文1篇，IF>10的期刊論文17篇，“ESI高被引論文”4篇)。被包括Nat. Methods, Nat. Commun., Nat. Rev. Chem.等在內的期刊SCI他引2000多次(單篇最高250多次)，H-index為31。獲浙江省自然科學一等獎1項。一項工作入選了“2012中國光學重要成果”。申請中國發明專利14項（授權5項），撰寫了英文學術專著三章節。入選浙江省“新世紀151人才工程”第二層次培養人員。主持了國家自然科學基金面上、青年項目，973子課題，863子課題，主參了國家自然科學基金重點項目。

本文由大兵哥供稿。

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