CN109943335B - 一种飞秒激光多光子激发长余辉在生物成像中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种飞秒激光多光子激发长余辉在生物成像中的应用，包括以下步骤：（1）将长余辉材料热处理，消除发光缺陷后避光保存，在黑暗环境中将长余辉材料置于飞秒激光平台，将激光焦点聚焦到长余辉材料表面上方，快速连续移动平台，飞秒激光激发长余辉材料发光；（2）将步骤（1）得到的激发后的长余辉材料注入生物体内，然后进行成像检测。本发明克服了传统使用X‑ray等作为生物成像激发源对生物组织损伤大、重复激发难度高等缺点，该方法所用设备简单，近红外激光位于生物窗口，可穿透生物组织，对组织无损伤，在生物成像领域具有重大的意义。

Description

一种飞秒激光多光子激发长余辉在生物成像中的应用
技术领域
本发明涉及生物成像，具体涉及一种飞秒激光多光子激发长余辉在生物成像中的应用。
背景技术
随着现代科技进程的加快，生物成像以光学成像为主，光学成像以光子作为信息源，代表了一个快速延伸的领域并被直接应用于药理学、分子细胞生物学和诊断学。但是这种技术仍然存在许多局限性，尤其是在体内光照时产生的组织自发荧光、在短波激发光照射下的弱的组织渗透性以及余辉衰减快重复激发难度大引起的定向追踪难。为了克服这些困难，科学家不断研究各种新方法和新材料。长余辉材料因为在信号采集过程中没有激发光的干扰，可以极大限度的提高成像精度，而SrAl2O4: Eu2+, Dy3+长余辉材料由于其发光中心单一、发光强、余辉时间长得到了广泛的应用。传统上，过去曾提出用穿透性好的X-ray等作为生物成像激发源，但是其装置庞大，对生物组织会产生损伤，多次激发损伤不可估计。因此，用于生物成像的激发方法很少，发展受限，而基于多光子激发的飞秒激光诱导长余辉发光是一种新颖的解决该问题的方法。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种飞秒激光多光子激发长余辉在生物成像中的应用，利用800 nm近红外飞秒激光激发SrAl2O4: Eu2+, Dy3+长余辉材料，实现中心波长520 nm的长余辉发光在生物成像中得到应用。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种飞秒激光多光子激发长余辉在生物成像中的应用，包括以下步骤：
（1）将长余辉材料进行热处理后避光保存，在黑暗环境中将长余辉材料置于飞秒激光平台，将激光焦点聚焦到长余辉材料表面上方，快速连续移动平台，飞秒激光激发长余辉材料发光；
（2）将步骤（1）得到的激发后发光的长余辉材料注入生物体内，然后进行成像检测。例如需要检测肝脏，将长余辉材料通过注射、口服或靶向标记等方式送入生物体的肝脏位置，然后对该位置进行成像检测。
进一步的，步骤（1）所述的材料为SrAl2O4: Eu2+, Dy3+绿色长余辉粉末材料。
进一步的，步骤（1）所述热处理条件为温度为450-550 ℃，时间为1-2 h。
进一步的，步骤（1）所述热处理温度为500 ℃，热处理时间为1 h。
进一步的，步骤（1）所述飞秒激光的波长为800 nm，重复频率为1 kHz，激光脉宽为150 fs。
进一步的，步骤（1）所述飞秒激光的激光功率为0.5-1 W。
进一步的，步骤（1）所述飞秒激光的激光功率为1 W。
进一步的，步骤（2）将飞秒激光焦点聚焦到长余辉材料上方，具体为：保持飞秒激光焦点在材料上方1 mm以上，防止激光焦点处能量过高损伤材料。
进一步的，步骤（2）中，待长余辉发光衰减完毕后，用飞秒激光透过生物体重新激发，能够再次检测到发光，可重复成像。
附图5为飞秒激光双光子激发长余辉材料发光原理图，飞秒激光激发下，价带的电子吸收两个光子的能量被激发到导带，引起Eu2+能级从基态4f7跃迁到激发态4f65d1中（图5中的①过程）；随后激发的电子被Dy3+陷阱能级捕获并填充能级（图5中的②过程），在光照停止后，陷阱能级所捕获的电子缓慢释放回导带（图5中的③过程），这些电子与已经电离的Eu2+进行复合（④过程），并产生一定时间的长余辉发光。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
（1）本发明克服了传统上使用穿透性好的高能射线X-ray等作为生物成像激发源对生物组织损伤大、重复激发难度高等缺点，此方法设备简单，近红外激光位于生物窗口，可穿透生物组织，对组织无损伤，在生物成像领域具有重大的意义；
（2）本发明摆脱传统上寻找成像新材料难的束缚，利用飞秒激光的峰值能量高、脉宽短的特性，通过多光子激发实现对常见材料的长余辉发光，利用单一的方法可以实现对多种长余辉材料的激发以及重复激发，为生物成像提供了一种新手段，且激发1h之后长余辉发光仍然可检测到；
（3）本发明不局限于上述长余辉材料，理论上可以应用于能被飞秒激光激发的所有长余辉材料，如CaAl2O4: Eu2+, Nd3+等材料。
附图说明
图1中的a-e为实施例1中飞秒激光首次照射后不同时间内的光学图像；
图1f为实施例1中长余辉材料发光衰减完后飞秒激光重新激发后的光学图像；
图2为长余辉材料的激发光谱和发射光谱图；
图3为长余辉材料的余辉衰减曲线图；
图4a为长余辉材料在不同激光功率激发下的发射光谱图；
图4b为由图4a拟合的功率依赖性图；
图5为飞秒激光双光子激发长余辉材料的发光原理图；
图6中的a-e为实施例2中飞秒激光首次照射后不同时间内的光学图像；
图6f为实施例2中长余辉材料发光衰减完后飞秒激光重新激发后的光学图像。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本实施例采用的长余辉材料为SrAl2O4: Eu2+, Dy3+，飞秒激光多光子激发长余辉在生物成像中的应用，包括以下步骤：
（1）将SrAl2O4: Eu2+, Dy3+长余辉粉末材料压片制成样品后置于马弗炉内于500℃热处理1.5 h，消除发光缺陷；
（2）将步骤（1）得到的样品避光保存，避免其他光源对样品的影响，在黑暗环境中将样品置于飞秒激光平台，将激光焦点聚焦到样品表面上方1 mm左右，防止激光焦点处能量过高损伤样品，快速连续移动平台，飞秒激光双光子激发长余辉材料发光；其中：飞秒激光的波长为800 nm，重复频率为1 kHz，激光功率为1 W，激光脉宽为150 fs，采用的物镜NA=0.3；
（3）将步骤（2）得到的激发后的长余辉材料用尺寸为3.5 cm × 3 cm × 5 mm的猪肉组织覆盖，利用相机检测长余辉发光；待长余辉发光衰减完毕后，用飞秒激光透过猪肉组织重新激发，再次检测发光。
图1中的a-e为飞秒激光照射样品1min之后，相机透过覆盖的猪肉组织获得的图像，图1中的a-e依次为激光停止照射后1min、5 min、10 min、30 min以及60 min的图像，可以看出1h之后长余辉发光仍然可检测到。图1f为上述长余辉发光衰减完全之后，利用飞秒激光透过猪肉组织对样品重新激发3 min之后获得的图像，可以看出样品又重新发光。图2中EX为监测520 nm发光SrAl2O4: Eu2+, Dy3+长余辉材料的激发光谱，EM和MEEM分别为360nm紫外激发下和800 nm飞秒激光激发下所述长余辉材料的发射光谱，LPP为飞秒激光激发停止后的长余辉样品发射光谱，说明不同光源激发以及停止激发后，样品发光峰都在520nm，发光原理类似。图3为样品的飞秒激光激发后的余辉衰减曲线，反应飞秒激光激发下仍有较长的长余辉发光时间。图4a为不同激光功率下样品的发射光谱，对功率和光强进行拟合获得图4b的功率依赖性图，斜率接近于2，说明是双光子激发过程。
实施例2
本实施例采用的长余辉材料为SrAl2O4: Eu2+, Dy3+，飞秒激光多光子激发长余辉在生物成像中的应用，包括以下步骤：
（1）将SrAl2O4: Eu2+, Dy3+长余辉粉末材料压片制成样品后置于马弗炉内于550℃热处理1 h，消除发光缺陷；
（2）将步骤（1）得到的样品避光保存，避免其他光源对样品的影响，在黑暗环境中将样品置于飞秒激光平台，将激光焦点聚焦到样品表面上方1 mm左右，防止激光焦点处能量过高损伤样品，快速连续移动平台，飞秒激光双光子激发长余辉材料发光；其中：飞秒激光的波长为800 nm，重复频率为1 kHz，激光功率为0.5 W，激光脉宽为150 fs，采用的物镜NA=0.3；
（3）将步骤（2）得到的激发后的长余辉材料用尺寸为3.5 cm × 3 cm × 5 mm的猪肉组织覆盖，利用相机检测长余辉发光；待长余辉发光衰减完毕后，用飞秒激光透过猪肉组织重新激发，再次检测发光。
图6中的a-e为飞秒激光照射样品1min之后，相机透过覆盖的猪肉组织获得的图像，图6中的a-e依次为激光停止照射后1min、5 min、10 min、30 min以及60 min的图像，可以看出1h之后仍有微弱的长余辉发光。图6f为上述长余辉发光衰减完全之后，利用飞秒激光透过猪肉组织对样品重新激发3 min之后获得的图像，可以看出样品又重新发光。
实施例3
本实施例采用的长余辉材料为SrAl2O4: Eu2+, Dy3+，飞秒激光多光子激发长余辉在生物成像中的应用，包括以下步骤：
（1）将SrAl2O4: Eu2+, Dy3+长余辉粉末材料压片制成样品后置于马弗炉内于450℃热处理2 h，消除发光缺陷；
（2）将步骤（1）得到的样品避光保存，避免其他光源对样品的影响，在黑暗环境中将样品置于飞秒激光平台，将激光焦点聚焦到样品表面上方1 mm左右，防止激光焦点处能量过高损伤样品，快速连续移动平台，飞秒激光双光子激发长余辉材料发光；其中：飞秒激光的波长为800 nm，重复频率为1 kHz，激光功率为0.75 W，激光脉宽为150 fs，采用的物镜NA=0.3；
（3）将步骤（2）得到的激发后的长余辉材料用尺寸为3.5 cm × 3 cm × 5 mm的猪肉组织覆盖，利用相机检测长余辉发光；待长余辉发光衰减完毕后，用飞秒激光透过猪肉组织重新激发，再次检测发光。
此参数下飞秒激光照射样品后，相机透过覆盖的猪肉组织获得的图像与上述实施例情况相似，激光停止照射后1h仍然可以拍摄到长余辉发光，并且在发光衰减完全之后再次激发又重新发光。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限定。凡本领域的技术人员利用本发明的技术方案对上述实施例作出的任何等同的变动、修饰或演变等，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种飞秒激光多光子激发长余辉在生物成像中的应用，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将长余辉材料进行热处理后避光保存，在黑暗环境中将长余辉材料置于飞秒激光平台，将激光焦点聚焦到长余辉材料表面上方，快速连续移动平台，飞秒激光激发长余辉材料发光；
(2)将步骤(1)得到的激发后发光的长余辉材料注入生物体内，然后进行成像检测；
步骤(1)所述的材料为SrAl2O4:Eu2+,Dy3+绿色长余辉粉末材料；
步骤(1)所述热处理的温度为450-550℃，热处理时间为1-2h；
步骤(1)所述飞秒激光的波长为800nm，重复频率为1kHz，激光脉宽为150fs；
步骤(1)所述飞秒激光的激光功率为0.5-1W；
步骤(1)中将飞秒激光焦点聚焦到长余辉材料上方，保持飞秒激光焦点在长余辉材料上方1mm以上，防止激光焦点处能量过高损伤材料；
步骤(2)中，待长余辉发光衰减完毕后，用飞秒激光透过生物体重新激发，可重复成像。
2.根据权利要求1所述的飞秒激光多光子激发长余辉在生物成像中的应用，其特征在于，所述热处理温度为500℃，热处理时间为1h。
3.根据权利要求1所述的飞秒激光多光子激发长余辉在生物成像中的应用，其特征在于，所述飞秒激光的激光功率为1W。
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