时间分辨成像技术是一种在时域层面区分荧光信息的成像方法。相对于传统光学成像，该技术能有效地消除自体荧光和光散射等背景干扰，且不依赖于生物组织的厚度，十分适用于生物活体多通道定量检测。稀土发光纳米材料具有独特的发光性质，不仅在生物窗口内存在多个近红外窄带发射，而且具备长荧光寿命（微秒-毫秒范围，长于生物内源性荧光团3个数量级以上），是目前最佳的活体时间分辨成像生物探针。
近日，哈尔滨工业大学的陈冠英教授团队在《发光学报》上发表了题为“基于稀土发光纳米材料的时间分辨成像”的综述文章。该综述重点介绍了稀土发光纳米材料荧光寿命的精准调控策略，简述和分析了其在时间门成像和寿命编码多通道成像方面的应用进展，以期为从事纳米生物医学和生物成像研究的同行提供借鉴。
光学成像技术广泛应用于疾病诊断、生物传感和防伪等领域，特别是随着近红外荧光成像技术的发展，光学成像的检测灵敏度和成像分辨率得到了极大程度的提高。然而，大多数近红外荧光探针的发光波长均小于1200 nm，同时背景荧光干扰难以彻底消除，且发光颜色单一，很难通过发光颜色实现波长可分辨的多通道复合成像。
时间分辨成像技术可利用荧光探针的长寿命特点进行无背景光学分析成像，从而有效解决传统荧光强度成像遇到的问题，但其对光学探针的设计和制备提出了更高的要求。稀土发光纳米材料具备可调谐长寿命的光学性能，广泛应用于时间分辨成像技术中，不仅能够进行体内的定量成像研究，还能同时对多个寿命信号在时域内进行平行多通道复合成像。
稀土发光纳米材料的荧光寿命可通过核壳结构、掺杂浓度、颗粒尺寸、荧光共振能量转移和纳米晶内能量迁移过程等五种基本策略进行精确调控（如图1所示），从而满足不同时间尺度时域成像的需求。
图1 稀土发光纳米材料调控荧光寿命的方法：（a）核壳结构；（b）掺杂浓度；（c）颗粒尺寸；（d）荧光共振能量转移；（e）纳米晶内能量迁移过程。
在这些荧光寿命的调控方法中，调节离子掺杂浓度是最容易实现的一种调控策略，但需要考虑荧光浓度猝灭效应等因素，因此，通常需要包覆惰性壳层以减少与表面相关的浓度猝灭效应的影响。在通过尺寸效应调节寿命的方案中，单核纳米晶的可控合成具有一定的局限性，然而，通过构建核壳结构纳米晶策略可打破这一限制，即通过精准改变壳层的厚度精准控制纳米晶尺寸，进而精准调控其荧光寿命。荧光共振能量转移策略能对寿命进行精确调控，但寿命调节范围较小（几百微秒），而控制纳米晶内能量迁移过程则可以实现较大范围（从微秒到毫秒）的寿命调控。
目前，时间分辨成像技术包括时间门成像技术和在其基础上发展的寿命编码多通道成像技术两种。时间门成像是一类直接利用衰减荧光信号进行成像的时间分辨技术，其本质还是荧光成像，由于荧光探针的发光寿命远大于自体荧光或散射信号的荧光寿命，时间门成像可在脉冲激光激发后通过延迟一定时间再进行荧光信号的采集，从而屏蔽发生在该延迟时间内的背景荧光信号（如图2（a）所示）。时间门成像可以实现自体荧光和散射背景的有效抑制，同时可以定量监测体内微环境如pH、温度、一氧化氮分子、酶的活性和各种自由基等，为生物医学的原位无损活体研究提供了一种有效工具。
寿命编码成像是利用不同荧光寿命信号作为密码进行成像的时间分辨技术（如图2（b）所示）。在寿命编码成像中，目标分子与寿命编码的荧光探针特异性结合后可获得该探针的寿命信息，通过对图像的数据处理可解码标记物的寿命信息，从而实现目标分子的特异识别。寿命编码的多通道成像则能利用多个寿命信号对不同标记物同时进行分析，实现生物检测中的高通量分析或防伪领域的高阶加密。基于时域的寿命编码成像和基于频域的多色成像未来将会有效结合，从而实现生物高通量分析研究的飞跃。
总之，基于稀土发光纳米材料的时间分辨成像技术能显著提高生物体内标记物检测的灵敏度和成像对比度，适用于生物活体组织成像、微环境监测和疾病标记物的定量检测。特别是寿命编码的多通道成像技术能在同一样品中检测多个样本，有望实现高通量分析体内的生理和病理信息，为临床诊断提供精准、全面的判断依据。然而，目前关于稀土发光纳米材料的时间分辨活体成像技术的相关研究才刚刚起步，在实际应用过程中仍然存在一些挑战，如稀土纳米材料发光效率低、微环境响应的能量供体-受体对有限、商用活体寿命成像设备欠缺等问题。这些问题还亟待感兴趣的跨学科研究人员共同协作解决。
陈冠英，《发光学报》第一届青年编委，教授，博士研究生导师，国家万人计划“青年拔尖人才”，黑龙江省青年科技协会副会长。2009年于哈尔滨工业大学获得博士学位，同年就职于哈尔滨工业大学，工作至今。2009-2012年在美国纽约州立大学布法罗分校从事博士后研究，2013-2017年兼任美国纽约州立大学布法罗分校激光光子与生物光子研究所（ILPB）稀土上转换课题组组长。目前主要从事稀土发光材料及其生物光子学应用研究。已出版英文专著1部、英文章节7章；作为第一／通讯作者在Chem. Rev., Adv. Mater., JACS, ACS Nano等国际学术期刊发表SCI论文82篇，研究成果得到同行专家的广泛引用和积极评价，他引累计10250次，单篇SCI最高他引1150次，他引100次以上27篇。主持和参与国家自然科学基金、科技部重大国际合作项目等16项，获批哈尔滨工业大学青年科学家工作室。
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