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【材料】Chem. Mater.┃生物体可代谢的近红外二区稀土纳米晶实现高分辨动态血管成像
2020-04-16 22:10  

相对于近红外一区(NIR-I, 700-950 nm)成像,近红外二区光学成像(NIR-II, 1000-1700 nm)在成像灵敏度、穿透深度和空间分辨率方面有着显著提高。另外,红外光波长越长,生物组织散射则越低。因为这两个原因,近年来,位于近红外第二窗口(NIR-II, 1000 nm~1700 nm)的探针材料得到了广泛的关注。目前报道的最长发射波长为含铒的探针材料,发射波长位于1525 nm。因而,富含铒离子的NaErF4无机纳米晶有望成为新型高效的近红外二区探针。然而,迄今为止还缺少对NaErF4纳米晶的近红外二区下转换发光性能的系统研究,同时该无机材料不具有生物可降解性,会在生物体内滞留和富集,从而引起潜在的生物毒性。

针对于此,哈尔滨工业大学陈冠英教授和湖南师范大学曾松军教授合作制备了小尺寸NaErF4纳米晶(7.4 nm),采用材料晶相和核壳结构精准调控策略,实现了高效近红外二区发射,并同时实现了小鼠及全身血管的高分辨动态血管成像。另外,利用纳米晶的小尺寸效应,实现了探针在生物体内的快速代谢清除。

该工作的主要要点如下:(1)系统探究晶相、内核与壳层基质材料的晶格失配度、壳层厚度对NaErF4纳米晶近红外二区发光的影响。尺寸为13 nm的六角相β-NaErF4@NaYF4核壳纳米晶量子产率高达10%。(2)水溶性配体(PAA)修饰优化六角相β-NaErF4@NaYF4核壳纳米晶,制备水相纳米探针,成功实现高空间分辨率(58微米)小鼠脑部及全身血管动态荧光成像。(3)经尾静脉注射β-NaErF4@ NaYF4纳米晶,定量分析不同时间段(0-14天)纳米探针在体内各个器官的分布及在排泄物(尿液及粪便)的含量。研究结果表明纳米探针进入生物体后,于半天时间内几乎首先全部聚集到肝脏和脾脏两大排毒器官中,并随后在14天内从体内基本完全清除。其中~90%的纳米晶经肝脏代谢以粪便的形式排出体外,而仅3%的注射纳米晶通过肾脏以尿液的形式排出体外。

这一成果近期发表于Chemistry of Materials 上,哈尔滨工业大学博士研究生李慧王鑫以及湖南师范大学博士研究生李小龙是文章共同第一作者,哈尔滨工业大学陈冠英教授和湖南师范大学曾松军教授为共同通讯作者。

原文:Clearable Shortwave-Infrared-Emitting NaErF4 Nanoparticles for Noninvasive Dynamic Vascular ImagingHui Li, Xin Wang, Xiaolong Li, Songjun Zeng*, Guanying Chen*Chem. Mater., 2020, DOI: 10.1021/acs.chemmater.9b04784Publication Date: March 18, 2020Copyright © 2020 American Chemical Society

导师介绍:

陈冠英,哈尔滨工业大学教授/博士生导师,教育部长江学者奖励计划青年学者。2004年本科和2009年博士均毕业于哈尔滨工业大学。主要围绕新型稀土发光材料中的关键科学问题开展相关基础研究, 取得系列原创性成果,作为第一/通讯作者在Chem.Rev.、JACS、Adv. Mater.等期刊发表SCI论文80余篇,累计引用约9千余次。多项工作曾被美国《发现》频道、美国《每日科学》、《C&EN》、德国《Materials Views》等几十余家海外科学媒体做新闻亮点报道。担任Theranostics、Nanomaterials、Scientific Reports等多个国际期刊的客座编辑和编委。曾获得全国百篇优博提名、国家万人计划青年拔尖等荣誉。
    曾松军,湖南师范大学教授/博士生导师。主要从事新型稀土基多功能纳米探针的构筑及其生物医学应用研究,取得了系列研究成果。作为第一/通讯作者在iScience, ACS Nano, Adv. Funct. Mater., Nanoscale Horizons, Biomaterials等期刊上发表论文70余篇,累计引用约3500余次。担任湖南省光学学会理事,中国稀土学会光电材料与器件专业委员会理事。曾获得湖南省 “湖湘青年英才”,湖南省自然科学奖二等奖1项(第一完成人)。
(本稿件来自ACS Publications

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