Hot-band absorptionsbaserad anti-Stokes fluorescens (ASF) av Indocyanine Green (ICG), mycket ljusare än luminescens från jondopade nanopartiklar med sällsynta jordartsmetaller, observerades och studerades nyligen av forskare i Kina och USA. De fann att ASF av ICG kan användas för tomografi och blodflödeshastighetsmätning av cerebrala kärl, återspeglar temperaturförändringen, och uppnå multiorgan simultan avbildning, och har betydande tillämpningsmöjligheter inom biologisk avbildning, avkänning och till och med klinisk översättning.

Det finns fyra vanliga typer av anti-Stokes fluorescens (ASF):(i) process för direkt multifotonabsorption (MPA), (ii) uppkonverteringsprocess (UC) baserad på flerstegsabsorption genom mellanliggande energinivåer, (iii) termiskt aktiverad fördröjd fluorescensprocess (TADF), och (iv) hot-band absorption (HBA) process. Förekomsten av MPA-fluorescens kräver i allmänhet extremt hög excitationsintensitet och uppnås vanligtvis genom att använda dyra femto- eller pico-sekundspulsade lasrar. UC-processer i sällsynta jordartsmetalljondopade nanopartiklar (UCNPs), eller triplet-triplet annihilation (TTA) baserad UC, kan erhållas genom att använda billiga kontinuerliga vågor (CW) diodlasrar. Dock, absorptionstvärsnittet av UCNP är relativt litet, vilket resulterar i låg UC-effektivitet. TTA-baserade system för metallkomplex/organiska föreningar har större absorption och högre kvanteffektivitet för att vara mer effektiva uppkonverterare än UCNP. Tyvärr, fotostabiliteten hos TTA-baserade uppkonverterare är relativt låg på grund av starka släckningsprocesser orsakade av molekylärt syre. TADF- och HBA-processer i organiska molekyler exciterade av CW-lasern är attraktiva anti-Stokes-processer. Vad mer, potentialen hos dem att ge information om temperatur i exciterad volym, gör dem mer attraktiva för tillämpning inom bioavbildning.

I en ny artikel publicerad i Ljusvetenskap och tillämpning , ett team av forskare, ledd av professor Jun Qian från State Key Laboratory of Modern Optical Instrumentations, College of Optical Science and Engineering, Zhejiang University, Kina, och professor Paras N Prasad från Institute for Lasers, fotonik och biofotonik, State University of New York i Buffalo, U.S., upptäckte och studerade den HBA-baserade ASF i Food and Drug Administration (FDA)-godkänd Indocyanine Green (ICG). Baserat på termisk känslighet, de använde ICG:s ASF för att utvärdera det termiska tillståndet hos subkutana tumörer hos möss under fototermisk behandling. Förutom, ICG:s ASF är mycket starkare än typisk UC-fluorescens i UCNP exciterade vid 980 nm, med försumbar termisk skada på biologiska vävnader. Djupvolymtomografi av cerebrala blodkärl och mätning av blodflödeshastighet hos möss utfördes med användning av ASF av ICG. Dessutom, i kombination med L1057 nanopartiklar (NP), som absorberar ASF för ICG och avger mer än 1100 nm, dessa två prober genererar multi-mode bilder i två fluorescerande kanaler under excitation av en enda 915 nm CW laser. En kanal används för att övervaka två överlappande organ, urinvägar och blodkärl hos råttan, medan den andra endast visar urinvägarna.

I HBA-processen, elektroner i ICG -molekyler absorberar fotoner från det övre, termiskt befolkad, vibrationsnivåer av marktillstånd. Excitationen avtar till de lägre vibrationsnivåerna i marktillståndet, sänder således ut fotoner med högre energi jämfört med den som absorberades från början. Dessa forskare sammanfattar det huvudsakliga arbetet med HBA-baserad ASF av ICG:

"Vi upptäckte ljus ASF i ICG under excitation av en 915 nm CW-laser, och jämförde det med ASF av UCNP exciterade av CW-laser. Resultatet är att ASF för ICG är mycket ljusare än UCNPs, som starkt väckte vår uppmärksamhet. För att ta reda på genereringsmekanismen för ICG:s ASF, vi utförde rigorösa verifieringsexperiment och kom fram till att dess genereringsmekanism var HBA. Sedan undersökte vi dess möjlighet i termiska avkänningsapplikationer. Utvärdering av det termiska tillståndet för subkutana tumörer under fototermisk behandling och indikation på hög temperatur uppnåddes med användning av ICG:s ASF. Cerebral blodkärlstomografi och blodströmshastighetsmätning av möss utfördes också. Med tanke på den kirurgiska operationen, vi bevisade ett koncept för realtids in vivo multi-mode avbildning som möjliggör hög kontrast och selektiv detektering av intilliggande organ (urinvägar och blodkärl) genom att kombinera ICG med fluorescerande organiska polymerprickar L1057 under en enda 915 nm CW laserexcitation. Denna nya avbildningsteknik kan vara till hjälp för intraoperativ övervakning i realtid och för att undvika oavsiktlig operationsskada."

"Intressant, vi fann att ICG kunde generera synlig ASF ( <700 nm) under 915 nm CW laserexcitering. Det kan hjälpa människan att uppfatta infrarött ljus med blotta ögon." tillägger de.

"Vi förväntar oss att ASF av ICG kommer att användas mer djupt och allmänt och andra fluoroforer med HBA-inducerade ASF-egenskaper kan syntetiseras för bioavbildning, avkänning, terapeutiska och infraröda ljusuppfattningar i framtiden." förutspår forskarna.