近紅外熒光比率型溫度傳感具有較大的組織穿透深度、較低的背景熒光干擾及無創(chuàng)探測等優(yōu)點，因而在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。為了避免熒光探測信號相互串?dāng)_，傳統(tǒng)的近紅外熒光比率型溫度探測模式采用兩個無交疊的熒光發(fā)射強度之比作為溫敏參數(shù)。然而，光在生物組織中的衰減系數(shù)具有波長依賴性，因而兩個無交疊的熒光發(fā)射強度之比這一溫敏參數(shù)不僅受溫度調(diào)制，還與熒光信號在組織中的衰減系數(shù)及穿透深度有關(guān)。因此，利用傳統(tǒng)的近紅外熒光比率型溫度探測模式進行生物組織內(nèi)溫度探測時，所獲得的溫敏參數(shù)會因為光在組織中的衰減而偏離真實值，導(dǎo)致產(chǎn)生溫度測量偏差。因此，如何實現(xiàn)生物組織內(nèi)準(zhǔn)確的溫度探測依然是一個嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所研究員陳學(xué)元團隊首次提出了利用基于稀土納米晶/量子點復(fù)合物探針的雙激發(fā)解碼策略來實現(xiàn)生物組織內(nèi)精準(zhǔn)溫度探測（圖1）。首先，利用核殼結(jié)構(gòu)NaLuF4: Nd3+, Gd3+@NaGdF4稀土納米晶和PbS@CdS@ZnS量子點在兩親分子形成的膠束中進行自組裝來構(gòu)建稀土納米晶/量子點復(fù)合物微球，并將在808nm激光激發(fā)下，波長均位于1057nm處的兩個分別來自于納米晶中Nd3+離子及量子點的發(fā)射的強度之比定義為溫敏參數(shù)。隨后，該團隊利用Nd3+離子與量子點不同的光吸收特性，選用與808nm激光波長相近且共路的另一束830nm激光來單獨激發(fā)出復(fù)合物中量子點的發(fā)光，最終通過此種雙激發(fā)策略將1057nm處重疊的發(fā)射信號進行分離，并計算其發(fā)射強度比值作為溫敏參數(shù)。

該團隊從實驗上驗證了雙激發(fā)解碼策略相較于傳統(tǒng)近紅外熒光比率型溫度探測模式在生物組織內(nèi)溫度探測的準(zhǔn)確度方面的優(yōu)越性（圖2）。例如，當(dāng)組織探測深度為~1.1 mm 時，若采用傳統(tǒng)的近紅外熒光比率型溫度探測模式，即采用稀土納米晶/量子點復(fù)合物中位于863nm處的Nd3+離子熒光發(fā)射和1025nm處的量子點熒光發(fā)射的強度之比作為溫敏參數(shù)，則所產(chǎn)生的測量偏差為~43°C。在同一實驗條件下，若采用雙激發(fā)解碼策略進行溫度探測，所測溫度與實際溫度偏差僅為~2.3°C。該研究工作突破了傳統(tǒng)的近紅外熒光比率型溫度探測模式在生物組織內(nèi)部溫度探測中存在測量偏差這一瓶頸問題，為實現(xiàn)組織內(nèi)溫度精準(zhǔn)探測提供了新思路，對于其他類型的比率型熒光生物檢測具有方法論意義。相關(guān)成果以全文形式發(fā)表于《先進科學(xué)》上。該論文的第一作者是福建物構(gòu)所博士研究生余少樺和副研究員徐金，通訊作者為副研究員涂大濤和陳學(xué)元。研究得到中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、國家重點研發(fā)專項等項目支持。

此前，陳學(xué)元團隊在近紅外納米熒光材料的電子結(jié)構(gòu)、光學(xué)性能和生物應(yīng)用研究方面取得了一系列進展。例如，揭示了Nd3+在LiLuF4納米晶中的局域電子能級結(jié)構(gòu)并實現(xiàn)高靈敏溫度探測；發(fā)展了一種近紅外雙激發(fā)比率型上轉(zhuǎn)換熒光策略實現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)生物分子的精準(zhǔn)檢測；開發(fā)出CuInSe2基新型高效近紅外二區(qū)發(fā)光量子點生物探針，并將其應(yīng)用于循環(huán)腫瘤細(xì)胞檢測和腫瘤靶向?qū)崟r成像。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202001589

圖1、基于稀土納米晶/量子點復(fù)合材料的雙激發(fā)解碼策略實現(xiàn)精準(zhǔn)溫度探測的示意圖

圖2、a) 生物組織內(nèi)溫度探測的體外模擬實驗光路圖；b) 稀土納米晶/量子點復(fù)合物探針的溫敏特性；c) 復(fù)合物探針在不同厚度組織下的發(fā)射譜；d) 雙激發(fā)解碼策略的溫敏參數(shù)和傳統(tǒng)近紅外熒光比率型溫度探測模式的溫敏參數(shù)隨組織厚度的變化情況；e) 當(dāng)組織厚度為~1.1 mm時，利用傳統(tǒng)近紅外熒光比率型溫度探測模式所產(chǎn)生的溫度偏差達~43°C。