Fluolab【Adv.Mater.】突破1745微米！半导体低聚物THG探针助力超深层脑成像
近年来，多光子显微镜（MPM）凭借其高时空分辨率和深层组织穿透能力，在生物影像领域展现出巨大潜力。其中，第三谐波成像（THG）技术因其无荧光漂白特性，在深层脑成像方面具有独特优势。然而，目前市面上的THG探针数量有限，成像性能也较为受限。本文介绍了一种基于半导体低聚物（BTICs）的高效THG探针，其在近红外IIb（NIR-IIb，1700nm）激发下展现出强烈的THG响应，并成功实现了前所未有的深层脑血管成像。
多光子显微技术：突破光学限制
MPM包括双光子显微镜（2PM）和三光子显微镜（3PM），相比于单光子显微镜，它具有以下优势：
- 更长波长的激发（700–1000nm的NIR-I，1000–1700nm的NIR-II），减少自发荧光和光散射；
- 三维光学切片，提高组织穿透能力；
- 降低光漂白和光毒性，增强成像质量。
尤其是NIR-IIb（1600–1840nm）激发，在深层组织成像中表现突出。然而，由于荧光漂白问题，传统荧光成像在深层组织可视化方面受限。因此，利用THG技术进行非荧光多光子成像成为突破深层组织成像瓶颈的关键策略。
THG成像的优势与挑战
THG成像依靠非线性光学现象，即三个光子通过相干相互作用形成一个频率三倍的光子，产生图像对比度。这种成像方式相比于荧光成像，具有以下独特优势：
- 无光漂白现象，可实时观测频率上转换信号；
- 利用光散射而非光吸收，增强成像稳定性。
尽管如此，THG技术在生物组织中的特异性仍然较弱。为了增强THG的对比度和特异性，科学家们探索了多种外源探针，如氧化铁纳米颗粒、铋铁氧化物纳米颗粒、金属-有机框架等。然而，这些探针的THG响应仍然有限，且设计原则尚不清晰。因此，开发高性能THG探针仍是当前研究的重点。
半导体低聚物（BTICs）：突破性THG探针
为解决上述问题，研究人员首次合成了具有NIR-IIb（1700nm）响应的半导体低聚物（BTICs），用于高分辨率脑血管成像。BTICs探针采用卤素化学合成，制备了不同卤素取代的纳米颗粒（NPs），并发现这些NPs在不同聚集态下均展现出极强的THG响应。具体而言：
- BTICs NPs的THG转换效率高达1215 × 10⁻⁸⁴ cm⁶ s² photon⁻²；
- 具有极高抗光漂白能力；
- 具备优异的生物相容性，可安全用于体内成像。
体内实验：突破性的1745微米成像深度
为验证BTICs NPs的成像性能，研究团队进行了体内深层脑血管THG成像实验，成功实现了创纪录的1745微米成像深度。在所有已报道的THG探针中，该成像深度是目前最深的记录。此外，BTICs NPs标记的脑血管在不同深度均展现出高信噪比（SNR），即使在超过1300微米的深度，SNR仍保持在7.1以上。这一突破表明BTICs NPs在深层组织成像中的卓越性能。
生物安全性验证
BTICs NPs在体内外均展现出极佳的生物安全性：
- 细胞实验：L929细胞存活率在不同浓度下无明显变化；
- 血液分析：血常规与生化指标均未显示异常；
- 组织切片检测：主要脏器未出现病理性改变。
此外，BTICs NPs在体内代谢主要通过肝脏和脾脏进行，并能有效排泄，不会长期积累，进一步证明其良好的生物相容性。
未来展望
本研究首次开发了基于半导体低聚物的高性能THG探针，实现了超深层脑血管成像。未来，BTICs NPs或将进一步优化，用于更多生物医学成像应用，如肿瘤标记、神经成像等。此外，该研究也为设计下一代THG成像平台提供了新的思路，推动非线性光学材料的创新发展。
通过这一突破，科学家们不仅解决了深层组织成像的挑战，也为下一代生物光学技术奠定了基础。随着技术不断进步，我们有望在不久的将来看到更多超高分辨率、超深层生物成像的新突破。
参考文献
Zhao, Q.; Tang, S.; Zhong, J.; Kan, L.; Wei, Y.; Yang, Y.; Qian, X.; Li, N.; Wang, Y.; Wang, K.; Li, S. Rational Design of Semiconducting Oligomer for Third Harmonic Generation Bioimaging of Ultradeep Brain Imaging with NIR‐IIb Excitation. Advanced Materials 2025, 2417085. https://doi.org/10.1002/adma.202417085.