Hot-band absorption af Indocyanine Green til avanceret anti-Stokes fluorescens biobilleddannelse

Hot-band absorptionsbaseret anti-Stokes fluorescens (ASF) af Indocyanine Green (ICG), meget lysere end luminescens fra ion-dopede nanopartikler med sjælden jord, blev observeret og undersøgt af forskere i Kina og USA for nylig. De fandt ud af, at ASF af ICG kan bruges til tomografi og blodgennemstrømningshastighedsmåling af cerebrale kar, afspejler temperaturændringen, og opnå multi-organ simultan billeddannelse, og har betydelige anvendelsesmuligheder inden for biologisk billeddannelse, sansning og endda klinisk oversættelse.

Der er fire almindelige typer af anti-Stokes fluorescens (ASF):(i) direkte multifoton absorption (MPA) proces, (ii) upconversion (UC) proces baseret på absorption i flere trin gennem mellemliggende energiniveauer (iii) termisk aktiveret forsinket fluorescens (TADF) proces, og (iv) hot-band absorption (HBA) proces. Forekomsten af ​​MPA-fluorescens kræver generelt ekstrem høj excitationsintensitet og opnås sædvanligvis ved at bruge dyre femto- eller pico-sekunds pulserende lasere. UC-processer i sjældne jordarters ion-doterede nanopartikler (UCNP'er), eller triplet-triplet annihilation (TTA) baseret UC, kan opnås ved at bruge billige kontinuerlige bølgediodelasere (CW). Imidlertid, absorptionstværsnittet af UCNP'er er relativt lille, hvilket resulterer i lav UC-effektivitet. TTA-baserede metalkomplekser/organiske forbindelser har større absorption og højere kvanteeffektivitet for at være mere effektive opkonverterere end UCNP'er. Desværre, fotostabiliteten af ​​TTA-baserede opkonverterere er relativt lav på grund af stærke quenching-processer forårsaget af molekylært oxygen. TADF- og HBA-processer i organiske molekyler exciteret af CW-laseren er attraktive anti-Stokes-processer. Hvad mere er, deres potentiale til at give oplysninger om temperatur i spændt volumen, gør dem mere attraktive til anvendelse inden for bioimaging.

I et nyt blad udgivet i Lysvidenskab og anvendelse , et hold af videnskabsmænd, ledet af professor Jun Qian fra State Key Laboratory of Modern Optical Instrumentations, College of Optical Science and Engineering, Zhejiang Universitet, Kina, og professor Paras N Prasad fra Institute for Lasers, Fotonik og Biofotonik, State University of New York i Buffalo, OS., opdagede og studerede den HBA-baserede ASF i Food and Drug Administration (FDA) -godkendt Indocyanine Green (ICG). Baseret på termisk følsomhed, de anvendte ICG's ASF til vurdering af den termiske tilstand af subkutane tumorer hos mus under fototermisk behandling. Udover, ICG's ASF er meget stærkere end typisk UC-fluorescens i UCNP'er exciteret ved 980 nm, med ubetydelig termisk skade på biologiske væv. Dyb volumentomografi af cerebrale blodkar og måling af blodgennemstrømningshastighed hos mus blev udført ved at bruge ASF af ICG. I øvrigt, i kombination med L1057 nanopartikler (NP'er), som absorberer ASF for ICG og udsender mere end 1100 nm, disse to prober genererer multi-mode billeder i to fluorescerende kanaler under excitation af en enkelt 915 nm CW laser. En kanal bruges til at overvåge to overlappende organer, rottens urinveje og blodkar, mens den anden kun viser urinsystemet.

I HBA -processen, elektroner i ICG -molekyler absorberer fotoner fra det øvre, termisk befolket, vibrationsniveauer af grundtilstand. Excitationen henfalder til de lavere vibrationsniveauer i grundtilstanden, udsender således fotoner med højere energi sammenlignet med den, der blev absorberet i begyndelsen. Disse videnskabsmænd opsummerer hovedarbejdet i HBA-baseret ASF af ICG:

"Vi opdagede lysstærk ASF i ICG under excitation af en 915 nm CW laser, og sammenlignede det med ASF for UCNP'er, der blev begejstret af CW -laser. Resultatet er, at ASF af ICG er meget lysere end UCNP'er, hvilket stærkt tiltrak vores opmærksomhed. For at finde ud af genereringsmekanismen for ICG's ASF, vi udførte strenge verifikationseksperimenter og konkluderede, at dens genereringsmekanisme var HBA. Derefter undersøgte vi dens mulighed i termiske sensing-applikationer. Evaluering af den termiske tilstand af subkutane tumorer under fototermisk behandling og høj temperaturindikation blev opnået ved at bruge ICG's ASF. Cerebral blodkarstomografi og blodstrømshastighed af mus blev også udført. I betragtning af den kirurgiske operation, vi beviste et koncept for real-time in vivo multi-mode billeddannelse, der muliggør høj kontrast og selektiv påvisning af tilstødende organer (urinsystemet og blodkar) ved at kombinere ICG med fluorescerende organiske polymer prikker L1057 under en enkelt 915 nm CW laser excitation. Denne nye billedbehandlingsteknik kan være nyttig til intraoperativ overvågning i realtid og undgå utilsigtet kirurgisk skade."

"Interessant nok, vi fandt ud af, at ICG kunne generere synlig ASF ( <700 nm) under 915 nm CW laser excitation. Det kan hjælpe mennesker til at opfatte infrarødt lys med blotte øjne." tilføjer de.

"Vi forventer, at ASF af ICG bliver mere dybt og mere udbredt, og andre fluoroforer med HBA-inducerede ASF-funktioner kan syntetiseres til biobilleddannelse, sansning, teranostik og perception af infrarødt lys i fremtiden." prognoser forskerne.