Adv. Mater.：具有聚集诱导非线性光学效应的AIE纳米晶用于活体深层高分辨三次谐波成像

【研究背景】

非线性光学成像由于其独特的深度光学切片能力，高空间分辨率和对生物样本的三维重建能力，已成为生物成像研究领域的热点方向。此前的非线性光学成像研究工作主要集中在双光子荧光成像。在双光子激发荧光过程中，双光子荧光强度与激发光功率的二次方成正比。与之相比，三光子荧光和三次谐波产生的强度均与激发光的三次方成正比。因此，三光子荧光成像和三次谐波成像相比于双光子荧光成像具有更高的空间分辨率；此外，由于三光子荧光与三次谐波产生所用的激发波长相较于双光子更长，因此具有更大的成像深度。另一方面，尽管三光子荧光和三次谐波产生具有相同的激发光功率依赖性，但三次谐波产生属于三阶非线性光学现象，而三光子荧光属于五阶非线性光学过程。这表明三次谐波产生的激发阈值比三光子荧光低得多。这些特征使三次谐波成像在深层组织和高分辨生物成像领域具有重要的应用前景。

【成果简介】

近日，香港科技大学唐本忠院士与浙江大学钱骏教授联合报道了一种基于具有明亮近红外发射的聚集诱导发光（AIE）分子（DCCN）制备有机纳米晶的简单方法。在纳米颗粒中观察到了DCCN的聚集诱导非线性光学效应，包括双光子荧光、三光子荧光和三次谐波产生。成功地将DCCN纳米晶应用于1040 nm近红外光激发的双光子荧光显微成像和1560 nm近红外光激发的三次谐波显微成像，重建了小鼠脑血管的三维血管系统。实验结果显示，三次谐波成像具有比双光子荧光成像和三光子荧光成像更高的的空间分辨率和亮度。三次谐波成像的最大成像深度为800 μm，并且，在800 μm深度的毛细血管仍然清晰可见，可以实现2.7 μm的超高分辨率。这一研究成果大大拓展了AIE材料在非线性光学成像领域的应用潜力。该成果近日以题为“Aggregation‐Induced Nonlinear Optical Effects of AIEgen Nanocrystals for Ultradeep In Vivo Bioimaging”发表在知名期刊Adv. Mater.上。

【图文导读】

图一：DCCN分子的合成、结构和基本的光物理性质

图二：DCCN纳米晶体的制备优化、晶体结构和光物理性质

图三：DCCN在溶液、无定型态和晶态状态下的非线性光学性质

图四：小鼠脑血管的三次谐波成像和双光子荧光成像比较

图五：活体小鼠脑血管的三次谐波显微成像

【小结】

综上所述，通过构筑推拉电子结构，在富电子咔唑的2, 7位分别引入给电子基团和强拉电子基团，设计合成了一种新型的具有D-π-A结构的聚集诱导发光材料DCCN。DCCN具有近红外发射（704 nm）和结晶诱导荧光增强的性质。作者研究发现，DCCN可以在水/丙酮混合溶剂中形成晶体，并且通过调节混合溶剂中溶剂与反溶剂的比例和储存时间可以很好地调节所得晶体的尺寸，获得适用于生物学应用的纳米晶体。在飞秒激光激发下，相比于无定型态，DCCN在晶态下具有更高的非线性光学强度，包括双光子荧光、三光子荧光和三次谐波产生。活体小鼠脑部成像结果显示，相比于双光子和三光子荧光成像，小鼠脑部血管的三次谐波成像具有更高的空间分辨率和信噪比。三次谐波成像的最大成像深度为800 μm，并且，在800 μm深度的毛细血管仍然清晰可见，可以实现2.7 μm的超高分辨率。这项工作不仅展示了基于具有良好结晶性的AIE分子制备纳米晶体的简单方法，提出了AIE分子的聚集诱导非线性效应，而且首次成功利用AIE材料实现了活体小鼠脑血管的深层高分辨三次谐波成像，为制备多模式非线性生物成像材料提供了新的思路。

文献链接：

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

【唐本忠院士简介】

唐本忠，中国科学院院士，（英国）皇家化学会会士，香港科技大学张鉴泉理学教授、化学系与生物医学工程系讲座教授，广州华南理工大学教授，深圳大学AIE研究中心名誉主任。现为科技部973计划项目首席科学家、国家自然科学基金基础科学研究中心项目负责人、广东省引进创新科研团队带头人，以及中国化学会和英国皇家化学会联合期刊Materials Chemistry Frontiers主编。唐本忠教授累计发表学术论文1000余篇，论文被引用近80000余次，H指数为131，并于2014-2017年连续入选化学和材料双领域高被引科学家。

唐院士先后获得多项荣誉及奖励，包括国家自然科学二等奖、Croucher基金会高级研究员奖、中国化学会王葆仁奖和Elsevier杂志社冯新德奖、何梁何利基金科学与技术进步奖。2016年，AIE纳米粒子被Nature列为支撑即将来临的纳米光革命的四大纳米材料之一，并是唯一一种由中国科学家原创的新材料；同年，美国CNBC电视台以“Year of Cancer”的主题，实况专访唐院士，向全球直播介绍AIE荧光探针在识别癌症细胞等领域的应用；2018年初，以第一项目完成人身份凭“聚集诱导发光”项目获得2017年度国家自然科学一等奖。

【钱骏教授简介】

钱骏，博士，浙江大学光电学院教授，博士生导师，浙江大学医学院附属邵逸夫医院兼聘教授。浙江大学现代光学仪器国家重点实验室主任助理，浙江大学信息学部学术交流与合作专门委员会委员，中国生物材料学会影像材料分会委员，中国生物医学工程学会生物医学光子学分会青年工作组副组长，浙江省转化医学学会核医学与分子影像分会委员。浙江省杰出青年基金获得者。

2009年9月在浙江大学光电系获博士学位，2006年至2007年在美国纽约州立大学布法罗分校“激光、光子学、生物光子学研究中心”学术访问。2016年11月至12月在香港科技大学唐本忠院士课题组学术访问。一直从事“大深度、高分辨的光学活体生物成像”研究，近几年重点开展了“多光子荧光显微成像”和“近红外二区荧光成像”的工作。共发表SCI论文80多篇。其中，第一/通讯作者论文50多篇(包括Cell子刊Chem综述论文1篇，IF>10的期刊论文17篇，“ESI高被引论文”4篇)。被包括Nat. Methods, Nat. Commun., Nat. Rev. Chem.等在内的期刊SCI他引2000多次(单篇最高250多次)，H-index为31。获浙江省自然科学一等奖1项。一项工作入选了“2012中国光学重要成果”。申请中国发明专利14项（授权5项），撰写了英文学术专著三章节。入选浙江省“新世纪151人才工程”第二层次培养人员。主持了国家自然科学基金面上、青年项目，973子课题，863子课题，主参了国家自然科学基金重点项目。

本文由大兵哥供稿。

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