Energy-Looping Nanoparticles: Harnessing Excited-State Absorption for Deep-Tissue Imaging

材料科学 激发态 纳米颗粒 镧系元素 显微镜 吸收(声学) 近红外光谱 纳米技术 光电子学 光学 化学 原子物理学 物理 离子 复合材料 有机化学
作者
Elizabeth S. Levy,Cheryl Tajon,Thomas S. Bischof,Jillian Iafrati,Ángel Fernández-Bravo,David J. Garfield,Maysamreza Chamanzar,Michel M. Maharbiz,Vikaas S. Sohal,P. James Schuck,Bruce E. Cohen,Emory M. Chan
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:10 (9): 8423-8433 被引量:145
标识
DOI:10.1021/acsnano.6b03288
摘要

Near infrared (NIR) microscopy enables noninvasive imaging in tissue, particularly in the NIR-II spectral range (1000–1400 nm) where attenuation due to tissue scattering and absorption is minimized. Lanthanide-doped upconverting nanocrystals are promising deep-tissue imaging probes due to their photostable emission in the visible and NIR, but these materials are not efficiently excited at NIR-II wavelengths due to the dearth of lanthanide ground-state absorption transitions in this window. Here, we develop a class of lanthanide-doped imaging probes that harness an energy-looping mechanism that facilitates excitation at NIR-II wavelengths, such as 1064 nm, that are resonant with excited-state absorption transitions but not ground-state absorption. Using computational methods and combinatorial screening, we have identified Tm3+-doped NaYF4 nanoparticles as efficient looping systems that emit at 800 nm under continuous-wave excitation at 1064 nm. Using this benign excitation with standard confocal microscopy, energy-looping nanoparticles (ELNPs) are imaged in cultured mammalian cells and through brain tissue without autofluorescence. The 1 mm imaging depths and 2 μm feature sizes are comparable to those demonstrated by state-of-the-art multiphoton techniques, illustrating that ELNPs are a promising class of NIR probes for high-fidelity visualization in cells and tissue.

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