【人物与科研】香港科技大学唐本忠院士和浙江大学钱骏教授合作新成果：AIE纳米晶体用于活体深层高分辨三次谐波成像

导语

在非线性光学生物成像中，三次谐波成像（THG）相比于双光子荧光（2PF）成像具有更高的空间分辨率、更好的光学切片能力和更高的信噪比。然而，受到材料的限制，对于活体深层血管三次谐波成像的研究鲜有报道。近日，香港科技大学唐本忠院士和浙江大学钱骏教授合作，利用AIE纳米晶体的聚集诱导非线性光学效应成功实现了小鼠皮层血管的深层高分辨三次谐波成像。相关成果以“Aggregation-Induced Nonlinear Optical Effects of AIEgen Nanocrystals for Ultradeep In Vivo Bioimaging”为题发表于Advanced Materials（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。

前沿科研成果

AIE纳米晶体用于

活体深层高分辨三次谐波成像

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发光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具有相同的激发光功率依赖性，但三次谐波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。近日，唐本忠院士和钱骏教授合作制备出一种具有聚集诱导非线性光学性质（包括双光子/三光子荧光和三次谐波）的AIE纳米晶体。进一步研究发现，AIE纳米晶体可用于活体小鼠脑部深层高分辨三次谐波成像，其成像效果远远优于其双光子和三光子荧光成像。该研究大大拓展了AIE材料在非线性光学成像领域的应用潜力。

图1. DCCN分子的合成、结构和基本的光物理性质

（来源：Adv. Mater.）

研究人员首先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（图1）。该分子表现出扭曲的分子内电荷转移（TICT）和聚集诱导发光（AIE）的性质。实验结果表明，DCCN固体粉末具有近红外发射（704 nm），其荧光量子产率可达12%。此外，该研究显示：DCCN具有结晶诱导荧光增强的性质。

图2. 纳米晶体的制备优化、晶体结构和光物理性质

（来源：Adv. Mater.）

为了进一步探究在结晶诱导荧光增强过程中DCCN的形貌变化，研究人员利用SEM对这一过程中DCCN的形貌演变进行了跟踪（图2）。实验结果显示，在50%水含量的水/丙酮混合体系中，随着时间的推移，DCCN可由一开始形成的纳米聚集体逐渐形成纤维状聚集体，然后形成薄的微棒状结构，最后呈现出微块状形貌。研究进一步发现，降低混合体系中的水含量和延长时间可以有效地减小所形成块状聚集体的尺寸。在80%水含量混合体系中，所形成块状聚集体的尺寸为129 nm，可用于生物成像。X射线衍射实验进一步证实了纳米块状聚集体的结晶特征。研究结果表明，AIE纳米晶体（CDs）比其无定型纳米颗粒（ADs）具有更强的荧光发射强度。

图3. DCCN在溶液、无定型态和晶态状态下的非线性光学性质

（来源：Adv. Mater.）

紧接着，研究人员对DCCN在溶液、ADs和CDs三种状态下的非线性光学性质进行了研究。研究结果显示，DCCN具有聚集诱导非线性光学效应的特性。而且，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。

图4. 小鼠脑血管的三次谐波成像和双光子荧光成像比较

（来源：Adv. Mater.）

鉴于AIE纳米晶体CDs的优异非线性光学性质，研究团队通过小鼠尾静脉注射CDs，利用三种不同非线性成像模式对CDs的成像效果展开了研究（图4）。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。这一实验结果与理论预期相符合。

图5.活体小鼠脑血管的三次谐波显微成像

（来源：Adv. Mater.）

最后，研究团队为了优化CDs在三次谐波显微成像中的最佳性能，选择了毛细血管丰富的区域用于深层组织成像。结果显示，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思路。该工作的第一作者为香港科技大学郑正博士，浙江大学的李东宇博士为论文的共同第一作者。通讯作者为香港科技大学的唐本忠院士和浙江大学的钱骏教授（论文作者：Zheng Zheng, Dongyu Li, Zhiyang Liu, Hui-Qing Peng, Herman H. Y. Sung, Ryan T. K. Kwok, Ian D. Williams, Jacky W. Y. Lam, Jun Qian, and Ben Zhong Tang）。

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