Qumi系列合作成果｜AFM：NIR‑II镧系纳米复合探针，实现RNAi骨修复诊疗一体化

本文为Qumi系列设备合作产出第一篇顶刊成果，利用Qumi-2000单光子共聚焦显微镜完成NIRII长波发光光谱、荧光寿命表征与活体在体成像，相关工作发表于Advanced Functional Materials。

NIRIIb（15001700 nm）生物窗口凭借组织散射更低、穿透深度更深、自发荧光背景微弱的优势，是活体无创成像的理想波段。但镧系稀土纳米晶探针长期存在两大痛点：敏化染料聚集淬灭（ACQ）、溶剂诱导淬灭，造成发光量子产率偏低；同时，如何把成像示踪和核酸药物递送结合，实现治疗过程的原位可视化监测，一直是骨损伤修复领域的难题。

近期，同济大学附属口腔医学院康非吾教授团队、上海科技大学朱幸俊研究员团队通过共沉淀辅助敏化剂组装策略，将镧系纳米材料的NIR-IIb相对量子产率提升至5.94%，同时作为siRNA递送载体，实现小鼠骨缺损模型中监测核酸药物递送与胞内释放。本工作的长波发光光谱、荧光寿命、离体与活体NIRIIb显微测量，依托Qumi系列单光子共聚焦显微镜备完成。

01 材料创新：共沉淀CaP壳层，破解染料敏化淬灭难题

NIR-IIb覆盖1500–1700 nm波段，较低的组织散射有利于深部成像。但镧系纳米材料吸光能力有限，表面缺陷和周围分子振动还会消耗激发能量。引入有机染料虽可增强吸光，染料聚集及溶剂诱导猝灭又会限制发光效率。

团队将IR-806染料与磷酸钙共同沉淀，在含铥纳米晶表面形成复合壳层，构建CaP-Assembly。这层结构减少纳米晶的非辐射能量损失，同时抑制染料聚集与溶剂诱导猝灭。

在808 nm激发下，其NIR-IIb相对量子产率达到5.94%，对照TmNP为0.27%，仅组装IR-806的TmNP@IR-806为2.10%。1630 nm发光寿命由TmNP的0.70 ms延长至1.15 ms，为能量损失受到抑制提供了实验依据。


图1：CaPAssembly中共沉淀辅助敏化实现NIRIIb发光增强

02 功能升级：成像示踪 + RNAi 药物递送二合一

CaP壳层不止是发光探针，同时是核酸药物载体：

装载HIF-1α siRNA之后，纳米颗粒进入巨噬细胞，壳层降解并释放药物，促进巨噬细胞向促修复M2表型极化；

同步释放HIF1α siRNA，沉默靶基因，抑制破骨细胞过度活化，改善骨缺损部位缺氧炎症微环境，协同促进成骨分化。

巧妙的比率成像设计：

808 nm激发：信号来自IR806染料敏化发光，CaP壳降解之后染料流失，信号发生衰减；

980 nm激发：信号来自Tm³⁺本征发光，不受壳层降解影响，作为内参基准。

研究团队利用两种激发条件下的发光比值，监测载体降解与释放过程。在小鼠胫骨缺损模型中，材料在注射后约3小时快速积累于骨髓区域，随后比值信号下降。结合细胞实验和骨组织评价，负载siRNA的体系表现出抑制破骨细胞分化、促进骨修复的作用。


图 2：活体NIR‑IIb窗口下CaP‑Assembly:HIF‑1αsiRNA生物成像

03 Qumi系列：面向NIR‑IIb/IIc 前沿生物材料的探测底座

这是Qumi系列设备产出的第一篇顶刊合作论文。镧系稀土纳米晶、量子点等新型长波荧光探针，发光往往处于15002000 nm区间，发光强度弱、寿命多处于百微秒毫秒量级，对探测系统提出严苛要求。传统InGaAs、PMT很难同时满足以上全部条件。Qumi系列依托自研超导单光子探测技术，可以对外提供：

NIRIIb/NIRIIc 波段共聚焦荧光成像；

弱光稳态光谱测试；

荧光寿命（PL lifetime）时间分辨测量；

比率成像、多通道光子计数等定制化实验支撑。

我们的上海Qumi Demo实验室已经对外开放，不管是稀土纳米晶、量子点、新型长波有机染料，都可以来上机实测、方案预研，利用量子极限探测能力赋能材料与生命科学交叉研究。


图3：包含皮质骨与骨髓的胫骨切片显微 NIR‑IIb 发光成像