High-sensitivity imaging of time-domain near-infrared light transducer

光子上转换 发光 激发 光学 时域 材料科学 荧光 光电子学 亮度 近红外光谱 信号(编程语言) 物理 计算机科学 兴奋剂 量子力学 程序设计语言 计算机视觉
作者
Yuyang Gu,Zhiyong Guo,Wei Yuan,Mengya Kong,Yulai Liu,Yongtao Liu,Yilin Gao,Wei Feng,Fan Wang,Jiajia Zhou,Dayong Jin,Fuyou Li
出处
期刊:Nature Photonics [Nature Portfolio]
卷期号:13 (8): 525-531 被引量:241
标识
DOI:10.1038/s41566-019-0437-z
摘要

The optically transparent biological window in the near-infrared (NIR) spectral range allows deep-tissue excitation and the detection of fluorescence signals1,2. Spectrum-domain discrimination of NIR contrast agents via an upconversion or downshifting scheme requires sufficient (anti-) Stokes shift to separate excitation and fluorescence emission. Here, we report a time-domain (τ) scheme in which about 5,000 ytterbium signal transducers are condensed within an optically inert and biocompatible CaF2 shell (2.3 nm), which forms a 14.5 nm τ-dot. Because of the long-lived and spectrally narrowly defined excited state of pure ytterbium ions, the NIR τ-dot can convert the NIR pulsed excitation into long-decaying luminescence with an efficiency approaching 100%. Within a safe injection dosage of 13 μg g−1, an excitation power density of 1.1 mW cm−2 was sufficient to image organs with a signal-to-noise ratio of >9. The high brightness of τ-dots further allows long-term in vivo passive targeting and dynamic tracking in a tumour-bearing mouse model. By time-shifting short-pulse excitation photon energy into prolonged luminescent emission in the time domain, both the number of light signal transducers in sub-15 nm nanoparticles and the near-infrared-in to near-infrared-out conversion efficiency can be maximized, advancing in vivo optical bioimaging.
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