Hot-band absorptie gebaseerde anti-Stokes fluorescentie (ASF) van Indocyanine Green (ICG), veel helderder dan luminescentie van met zeldzame aarde gedoteerde nanodeeltjes, werd onlangs waargenomen en bestudeerd door wetenschappers in China en de VS. Ze ontdekten dat de ASF van ICG kan worden gebruikt voor tomografie en meting van de bloedstroomsnelheid van cerebrale vaten, als gevolg van de verandering van temperatuur, en het bereiken van gelijktijdige beeldvorming met meerdere organen, en heeft aanzienlijke toepassingsmogelijkheden in biologische beeldvorming, sensing en zelfs klinische vertaling.

Er zijn vier veelvoorkomende soorten anti-Stokes-fluorescentie (ASF):(i) direct multiphoton-absorptieproces (MPA), (ii) opconversieproces (UC) gebaseerd op absorptie in meerdere stappen door middel van tussenliggende energieniveaus, (iii) thermisch geactiveerd vertraagd fluorescentie (TADF) proces, en (iv) hot-band absorptie (HBA) proces. Het optreden van MPA-fluorescentie vereist over het algemeen een extreem hoge excitatie-intensiteit en wordt meestal bereikt door dure femto- of pico-seconde gepulseerde lasers te gebruiken. UC-processen in met zeldzame-aarde ionen gedoteerde nanodeeltjes (UCNP's), of triplet-triplet annihilatie (TTA) gebaseerde UC, kan worden verkregen met behulp van goedkope continue golf (CW) diodelasers. Echter, de absorptiedoorsnede van UCNP's is relatief klein, wat resulteert in een lage UC-efficiëntie. Op TTA gebaseerde metaalcomplexen / organische verbindingen hebben een grotere absorptie en hogere kwantumefficiëntie om efficiëntere upconverters te zijn dan UCNP's. Helaas, De fotostabiliteit van op TTA gebaseerde upconverters is relatief laag als gevolg van sterke uitdovingsprocessen veroorzaakt door moleculaire zuurstof. TADF- en HBA-processen in organische moleculen die door de CW-laser worden geëxciteerd, zijn aantrekkelijke anti-Stokes-processen. Bovendien, het potentieel van hen om informatie te verstrekken over de temperatuur in het aangeslagen volume, maakt ze aantrekkelijker voor toepassing in bio-imaging.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Lichtwetenschap en toepassing , een team van wetenschappers, onder leiding van professor Jun Qian van State Key Laboratory of Modern Optical Instrumentations, College van optische wetenschappen en techniek, Zhejiang-universiteit, China, en professor Paras N Prasad van het Instituut voor Lasers, Fotonica en Biofotonica, Staatsuniversiteit van New York in Buffalo, ONS., ontdekte en bestudeerde het op HBA gebaseerde ASF in door de Food and Drug Administration (FDA) goedgekeurde Indocyanine Green (ICG). Op basis van thermische gevoeligheid, ze pasten ICG's ASF toe voor het evalueren van de thermische toestand van subcutane tumoren van muizen tijdens fotothermische behandeling. Daarnaast, ICG's ASF is veel sterker dan typische UC-fluorescentie in UCNP's die zijn geëxciteerd bij 980 nm, met verwaarloosbare thermische schade aan biologische weefsels. Diepe volumetomografie van cerebrale bloedvaten en meting van de bloedstroomsnelheid van muizen werden uitgevoerd met behulp van de ASF van ICG. Bovendien, in combinatie met L1057 nanodeeltjes (NP's), die de ASF van ICG absorberen en meer dan 1100 nm uitzenden, deze twee sondes genereren multi-mode beelden in twee fluorescerende kanalen onder de excitatie van een enkele 915 nm CW-laser. Eén kanaal wordt gebruikt om twee overlappende organen te monitoren, urinewegen en bloedvat van de rat, terwijl de andere alleen het urinestelsel toont.

In het HBA-proces elektronen in ICG-moleculen absorberen fotonen van de bovenste, thermisch bevolkt, trillingsniveaus van de grondtoestand. De excitatie vervalt naar de lagere trillingsniveaus van de grondtoestand, dus het uitzenden van fotonen met een hogere energie in vergelijking met die van aanvankelijk geabsorbeerd. Deze wetenschappers vatten het belangrijkste werk van op HBA gebaseerde ASF van ICG samen:

"We ontdekten heldere ASF in ICG onder de excitatie van een 915 nm CW-laser, en vergeleek het met ASF van UCNP's geëxciteerd door CW-laser. Het resultaat is dat de ASF van ICG veel helderder is dan die van UCNP's, die sterk onze aandacht trok. Om het generatiemechanisme van ICG's ASF te achterhalen, we voerden rigoureuze verificatie-experimenten uit en concludeerden dat het generatiemechanisme HBA was. Vervolgens hebben we de mogelijkheid onderzocht in toepassingen voor thermische detectie. Evaluatie van de thermische toestand van subcutane tumoren tijdens fotothermische behandeling en indicatie van hoge temperatuur werd bereikt met behulp van ICG's ASF. Cerebrale bloedvattomografie en bloedstroomsnelheidsmeting van muizen werden ook uitgevoerd. Gezien de chirurgische ingreep, we hebben een concept bewezen van real-time in vivo multi-mode beeldvorming die een hoog contrast en selectieve detectie van aangrenzende organen (urinestelsel en bloedvaten) mogelijk maakt door ICG te combineren met fluorescerende organische polymeerpunten L1057 onder een enkele 915 nm CW-laserexcitatie. Deze nieuwe beeldvormingstechniek kan nuttig zijn voor intraoperatieve real-time monitoring en het voorkomen van accidentele chirurgische verwondingen."

"Interessant, we ontdekten dat ICG zichtbare ASF kon genereren ( <700 nm) onder 915 nm CW laserexcitatie. Het kan mensen helpen om infrarood licht met het blote oog waar te nemen", voegen ze eraan toe.

"We verwachten dat ASF van ICG dieper en breder zal worden gebruikt en dat andere fluoroforen met HBA-geïnduceerde ASF-kenmerken kunnen worden gesynthetiseerd voor biobeeldvorming, voelen, theranostics en infrarood lichtperceptie in de toekomst", voorspellen de wetenschappers.