專利名稱：利用顯出光子雪崩效應(yīng)的探針離子的診斷系統(tǒng)和方法
利用顯出光子雪崩效應(yīng)的探針離子的診斷系統(tǒng)和方法
本公開涉及在執(zhí)行例如光學(xué)活檢的診斷過程中顯出增強(qiáng)的靈敏度和/或選擇 性的系統(tǒng)和方法。尤其，所公開的系統(tǒng)和方法采用了對光激勵顯出高度非線性響
應(yīng)，即"光子雪崩"效應(yīng)的探針離子。所公開的系統(tǒng)和方法顯出了增強(qiáng)的靈il!t 禾口/或選擇性，這是因?yàn)樵赹fi^定探針離子的雪崩閾值的方案中，探針離子密度
禾口/或 功率的小差別轉(zhuǎn)化成上轉(zhuǎn)換鄉(xiāng)弓驢的基本差別。M:寸頓所公開的探 針離子，本公開的系統(tǒng)和方法精確地區(qū)分探針離子濃度很高、例如在所需閾值以 上的位置，同時基本上消除了來自在整個測量體積上以較低濃度分布的探針離子 的背景信號。另外，大體上消除了周圍健康組織的背景自發(fā)熒光。根據(jù)所公開的
系統(tǒng)和方法所使用的典型探針離子包括混合的稀:t/跡度金屬元素磷光體(transition metal phosphor )。
在醫(yī)學(xué)和生物領(lǐng)域，常常^頓熒光材料作為t射己物。通過f柳魏的鵬能 量照射這種材料而生成的熒光，由光學(xué)顯微鏡、光電探測器等則量。例如，已知 抗原一抗體熒光方法，其中抗體結(jié)合有離多發(fā)出熒光的有機(jī)熒光體。由于抗原一 抗體反應(yīng)是高度選擇性的，可以基于熒光強(qiáng)度的分布而識另航原的健。熒光材 料的選擇性結(jié)合和/或定位具有廣泛的可應(yīng)用性，例如，在基因診斷、免疫診斷、
藥物研發(fā)、環(huán)境測試、生物工程學(xué)、熒光檢查等+o
前述基于發(fā)光的技術(shù)的一種典型應(yīng)用是在光學(xué)活檢領(lǐng)域中。在光學(xué)活檢中， 可以以無創(chuàng)和/或微創(chuàng)方式有效地獲得臨麻卩/或診斷信息。因而，典型的光學(xué)活檢 技術(shù)是有禾啲，這是因?yàn)槲磽p傷組織并且根據(jù)f射己物和其它活檢參數(shù)，可以在相 對較大的表面區(qū)域上蝶臨床和/或診斷信息。通常，光學(xué)活檢包括4鄉(xiāng)針離子引
入患者和/或感興趣的解剖區(qū)域中。探針離子通常包 舌官能化端基(fonctionalised end group),其^i^定以優(yōu)先與感興趣的tiS/組織、例如癌組織結(jié)合。然后，Mil 光學(xué)或其它會糧M)技術(shù)，記錄探針離子的發(fā)光并且可以構(gòu)建繪圖以指出標(biāo)記物 在患者中的隨和/殿目對于感興 剖結(jié)構(gòu)的{體。
常規(guī)光學(xué)活檢系統(tǒng)和技術(shù)存在許多問題。首先，從實(shí)踐'賊說，荊哳有的探針離子都轉(zhuǎn)移到和/纖中^^f需的標(biāo)己物位置。時常地，離子的重要部分將不 在所需標(biāo)己物健結(jié)束，而且由于其擴(kuò)散性，將消極地影響活檢結(jié)果的質(zhì)量和域 精輸性，例如通過影響背景信號以使得難以分離出或離析出所需信號。第二，通 常需要光譜在可視區(qū)域中的激發(fā)。在可視區(qū)域中的波長處，人體組織的許多組分 趨向于自發(fā)熒光。其它組織類型的自發(fā)熒光是不合需要的效應(yīng)，這增加了與解析 和/或離析出來自特定標(biāo)己物位置的探針離子的熒光相關(guān)的難度。
文獻(xiàn)中已經(jīng)公開了用于能量Ml熒光的材料禾啦術(shù)。例如，已經(jīng)公開了半導(dǎo)
體納米晶體(例如，量子點(diǎn)(QD))，用作分析和生物物理應(yīng)用的生物探針。QD 和熒光有機(jī)染料兩者都是下轉(zhuǎn)換熒光生物探針， 吸收較高能量UV或可見光 子之后激才較低能量的熒光光子。此外，上轉(zhuǎn)換熒形內(nèi)米晶體已經(jīng)從共摻雜有LaF3 的Yb—Er、 Yb—Ho和Yb—Tm化學(xué)地合成。這種納米晶體BMffl于基于980納 X6fi紅夕卜(N1R)皿產(chǎn)生綠、紅和藍(lán)對寸譜帶。參見National university of Singapore 的Guang—Shun Yi禾口 Gan—Moog Chow的"Rare-earth doped LaF3 nanocrystals for upconversion fluorescence"。類似地，授予Matsuura等人的美國專利公開號 No.2005/0014283公開了一種熒光探針，其包括含有稀土的精細(xì)微粒，所述稀土由 500至2000nm范圍內(nèi)的光^]而進(jìn)行上轉(zhuǎn)換o Mateuura的'283公開文本預(yù)期使 用了稀土金屬(例如，Er、 Ho、 Pr、 Tm、 Nd、 Gd、 Eu、 Yb、 Sm或Ce)，其適于 與結(jié)合物質(zhì)相結(jié)合。
現(xiàn)有技術(shù)也已經(jīng)辨別和研究了與"雪崩効應(yīng)"相關(guān)的非線性響應(yīng)。例如，Q.Shu 等人已經(jīng)研究了在富集的Tm: LiYF4中雪崩上轉(zhuǎn)換遷移的雙光束(two beam coupling)耦合測量，這確認(rèn)了無論激發(fā)態(tài)的光學(xué)妊作用的鄉(xiāng)屬性，所感應(yīng)的 響應(yīng)是強(qiáng)烈分散的。參見Q.Shu、 H.Ni和S.CRand在1997年l月15日的Optics Letters第22巻第2號第123至125頁的"Nonlinear dispereion of avalanche upconversion"。在前述公開物中報告的測試結(jié)果示出了 ，在648.2nm處在Tm: LiYF4 中觀察到的雪崩非線性弓胞光束耦合，其在室溫下具有高閾值和分散特性。常規(guī) 的上轉(zhuǎn)換機(jī)制也己經(jīng)在文獻(xiàn)中描述，例如Pascal Gemer等人的2004年的 "Chem.Eur丄,"10， 4735 —4741。
在磷光體材料方面，已經(jīng)關(guān)于包含晶體和玻璃的Tm3+進(jìn)行了研究，并且在 P^+上存在摻雜的自和纖維。參見，例如S.Guy等人的1997年"J.OptSoc.Am.B" 14 (4)第926—34頁；MJVBell等人的2002年"J.Phys.:Condens.Matter" 14第 5651—5663頁；以及J.Chivian等人的1979年"Appl.Phys.Lett." 35， 124?，F(xiàn)有技術(shù)磷光體系統(tǒng)存在兩個重要問題。首先，用于這種磷光體的上轉(zhuǎn)換雪崩對寸位于 藍(lán)光光譜范圍中。在這些波長處，人體組織的許多組^f頃向于吸收和自發(fā)熒光。 結(jié)果，損失了部分戯才光，并且信號變得模糊。第二，雪崩上轉(zhuǎn)換過程對于這些 磷光體是相對效率低下的，需要相對高的激勵密度，這增加了由于激光消融引起 組織損傷的風(fēng)險。
因而，盡管到目前^S進(jìn)行了大量努力，仍然需要在執(zhí)行例如光學(xué)活檢的診 斷過程中顯出增強(qiáng)的靈 和選擇性的系統(tǒng)和方法。此外，需要精確地區(qū)分探針 離子濃度較高、例如在所需閾值之上的位置，并且同時基本上消除了來自在^t 測量體積上以較低濃度分布的探針離子的背景信號的系統(tǒng)和方法。此外，需要在 執(zhí)行例如光學(xué)活檢的診斷過程中減少和/或消除了周圍 組織的背景自發(fā)熒光的 系統(tǒng)和方法。在此公開的系統(tǒng)和方法滿足了這些和其它需求。
在此公開了在執(zhí)行例如光學(xué)活檢的診斷過程中顯出增強(qiáng)的靈敏度和/或選擇 性的系統(tǒng)和方法。所公開的系統(tǒng)和方法所采用的探針離子，顯出了對于光學(xué) 的高度非線性響應(yīng)、即光子雪崩效應(yīng)，由此允許產(chǎn)生具有空前的信噪比的診 掛觀懂結(jié)果。在^ffi^定探針離子的雪崩閾值的方案中，探針離子密度和域激發(fā) 功率的小差別轉(zhuǎn)化成上轉(zhuǎn)換對朽雖度的重要改變，由此可靠、精確和有效地區(qū)分 探針離子濃度較高、例如在所需閾值之上的位置，并且同時基本上消除了來自在
^ii量體積上以較低濃度分布的探針離子的背景信號。所公開的系統(tǒng)和方法還 有利地^>和/或消除了周圍 組織的背景自發(fā)熒光。根據(jù)所公開的系統(tǒng)和方法 4頓的典型探針離，括混合的稀±/跡^屬磷光體。
在本公開內(nèi)容的典型實(shí)施例中，采用了肯辦上轉(zhuǎn)換雪崩$娘的探針離子以改 進(jìn)診ra:程、例如光學(xué)活檢的有效性。在選擇用作根據(jù)本公開內(nèi)容的探針離子的 ^g材料/成分中，選擇離多進(jìn)行上轉(zhuǎn)換并在^^ 能,出雪崩效應(yīng)的材料/成 分。在本公開內(nèi)容的典型實(shí)施例中，采用三價態(tài)的稀土離子作為探針離子。
根據(jù)本公開內(nèi)容，夂鄉(xiāng)針離子引入感興趣的環(huán)境中，例如解剖環(huán)境中?？梢?以多種本領(lǐng)域已知的方式引入探針離子，例如，通過注射、攝取等。基于與選定 探針離子相關(guān)的結(jié)合親和力，通常在所需解剖位置達(dá)到較高濃度的探針離子。通
常，在合適的時間階段允許探針離子優(yōu)先i似有區(qū)別i也聚驗(yàn)感興趣的解剖區(qū)域中，
在該點(diǎn)采取探針離子激發(fā)以有利于描繪/測量解剖環(huán)境中的探針離子濃度。通常在
獲取光學(xué)活檢光譜時在光譜的近紅外區(qū)鄉(xiāng)發(fā)探針離子。在該激發(fā)波長，即NIR波長處，人體組織基本上不產(chǎn)生可見對t光，由此基本上克服和域消除了與常規(guī) 探針離子系繳技斜眹的組織自發(fā)熒光的問題。
通,擇顯出雪崩效應(yīng)的探針離子，本公開內(nèi)容的系統(tǒng)和方法能夠夂 針離 子密度附目對較小的改勞差別轉(zhuǎn)化成上轉(zhuǎn)換激忡相對默的改變虔別。因而， 基于探針離子選擇，可以做出對激發(fā)功率的^^擇以啟動這種探針離子的雪崩 她。通常選擇該激發(fā)功寧能量為閾值或在閾值Pf逝以啟動探針離子的雪崩 娘， 該探針離子已鄉(xiāng)魏擇性地聚^M需1^己物位置處，同時相同的功萄能量有利地 在位于相對于所需標(biāo)記物位置不同的位置處的較低濃度探針離子的啟動對寸的閾 值之下，由J1:爐免了慮小化了破壞性地產(chǎn)生背景信號的可能性。
上轉(zhuǎn)換對躬雖度有利地幾乎呈指數(shù)逐步增加，其中功率方案中探針離子濃度 處于或接近雪崩閾值。因而雪崩效應(yīng)的啟動導(dǎo)致所需標(biāo)記物位置的來自探針離子 的強(qiáng)烈發(fā)光，以及其它位置的來自探針離子的低和域基本上不存在的背景信號。 與不存在自發(fā)熒光相組合，所公開的系統(tǒng)和方法有助于有效、精確和可彰也識別 和/或測量相關(guān)標(biāo)己物部位的探針離子濃度，而不具有與常規(guī)診斷系綴技術(shù)、例如 常規(guī)光學(xué)活檢系統(tǒng)和技術(shù)相關(guān)的不合需要的 M。
根據(jù)下列說明，尤其是結(jié)合隨附附圖一同閱讀時，與所公開的系統(tǒng)和方法相 關(guān)的附加有利特征、功能和益處將^M而易見的。
為了幫助本領(lǐng)域普通技術(shù)人員制造和^^所公開的系統(tǒng)和方法，參考隨附附 圖，其中-


圖1是會獬進(jìn)行雪崩上轉(zhuǎn)換的具有三電子態(tài)的離子的示意性會激圖2是相對于顯出雪崩效應(yīng)的典型探針離子的雪崩效應(yīng)的功率發(fā)散性的圖
示；
圖3是根據(jù)本公開內(nèi)容的Yb3、 Mn"離子對的肖瞳相竊性的圖示；
圖4包括示出標(biāo)準(zhǔn)化對寸光譜的一對圖線左側(cè)圖線示出了低于必需閾值計
算的標(biāo)準(zhǔn)化激寸光譜，而右側(cè)圖線示出了接近必需閾值計算的標(biāo)準(zhǔn)化劃寸光譜；
以及
圖5是示出與所公開的系敏方法的典型實(shí)現(xiàn)方式相關(guān)的步驟的流程圖。
根據(jù)所公開的系統(tǒng)和方法實(shí)現(xiàn)在執(zhí)行例如光學(xué)活檢的診 :程中增強(qiáng)靈1
和/或選擇性，在這種系統(tǒng)和方法中，采用了顯出對光學(xué)鵬的高度非線性響應(yīng)、即光子雪崩效應(yīng)的探針離子。纟鄉(xiāng)針離子引入感興趣的解咅U環(huán)境中，例如M3S注 射、攝取等，并且將、M能量提供至這種環(huán)境。所公開的系統(tǒng)和方法顯出了基于 、鵬能量的弓l入的增強(qiáng)的靈驗(yàn)和/或選擇性，該激勵能量的弓l入有效地啟動選定 探針離子的雪崩 娘。通過雪崩效應(yīng)，探針離子密度和域激發(fā)功率的小差另囀化 成上轉(zhuǎn)^l^，中的SgM^J。
通過使用所公開的探針離子，本公開內(nèi)容的系統(tǒng)和方法精確地區(qū)分探針離子 濃度較高、例如高于所需閾值的位置，同時基本上消除了來自在齡觀糧體積上 以樹氏濃度分布的探針離子的背景信號。另外，通常消除了周圍健康組織的背景 自發(fā)熒光。根據(jù)所公開系統(tǒng)和方制吏用的典型探針離子包括混合的稀±/遺度金屬 磷光體。
為了進(jìn)一步協(xié)助本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解和采用所公開的探針離子，例如，
與執(zhí)行有利的診斷過程結(jié)合f頓，在此提供了關(guān)于上轉(zhuǎn)換雪崩效應(yīng)的附加信息。
上轉(zhuǎn)換雪崩效應(yīng)相對罕見，并艦于顯出禾口域經(jīng)歷這種效應(yīng)的探針離子，M:數(shù)
個競爭吸收和育糧轉(zhuǎn)移過程之間的相互作用，發(fā)生了雪崩效應(yīng)。參考圖i， Mi乓了
育辦謝請崩上轉(zhuǎn)換的具有三電子態(tài)的離子的示意性能級圖。圖l中向上的箭頭
指示吸te移，向下的箭頭m^對t遷移，而虛線箭頭組^^交叉馳ft51程。
需要三個特定條件以觀察上轉(zhuǎn)換雪崩效應(yīng)。首先，激發(fā)輻射不能與從基態(tài)向 中間激發(fā)態(tài)的吸收遷移|0〉 —|1〉共振。第二激發(fā)輻射不能與從中間激發(fā)態(tài)向^h激發(fā)態(tài)的吸收遷移|1〉 —|2〉共振。第三，必須存在相對強(qiáng)烈的交叉馳豫過程
|0，2〉 — |1，1〉，其可以與來自較上激發(fā)態(tài)的輻射馳豫|2〉 —|0〉相比。
為了求導(dǎo)數(shù)，4頓P指示激光功率；Ni是狀態(tài)l/〉的種群密度；a。J際基態(tài)吸 收(|0〉—|1〉)的吸收截面；而cr,指示激發(fā)態(tài)吸收(|1〉 — |2〉)的吸收截面。遷移 (2〉 —(1〉的輻射率記作77及2，而遷移|2卜|0〉的輻射率記作(1-7)及2，其中;;是分支 比(branching ratio)。遷移|1〉 —|0〉的輻射率記作^ 。最終，交叉馳予魏率常量由
W指示。值得注意的是，馳 皿率常量(W)強(qiáng)烈f^于探針離子的濃度，因?yàn)?交叉馳豫是兩離子對過程?；谇笆龆x，描述了所有三個能量狀態(tài)的種群的速 率等式組是N。
，=—(T。iWo —勝。乂 +《M + (1 - (1)
~1 = CT。iW。 — o"!/W, + 2『A^。iV2 -戊M + "i 2iV2 (2 )值得注意的是，等式(2)中的因子"2"是兩離子 馳 :程|0,2〉—lu〉的
直接結(jié)果。在穩(wěn)態(tài)割牛d = ^L = ^ = 0)下，當(dāng)4頓 《1用于近似(即，
& & & o
不考慮基態(tài)漂白)時，速率等式組的解是
iV2=~^~A^~^A^ (4)
諸。+; 2 『+ A
禾口
^ =^^+,。 -(1-^2 乂《^ +『-(卜 )i 2 ^ (5)。 ^ i , i
M31將等式(5)并入等式(4)，獲得下列結(jié)果
7V2=__ (6)
i ,(『+及2) - CVP(『-(1 - T7)/ 2 )
值得注意的是，暗示臨界功率/^是
尸—，2+『) (7)
e C7,(『-(1-,
對于其等式(6)發(fā)散。在圖2中圖示了等式(6)的發(fā)散性和隨后的雪崩 她(對 于o",l， CTl=5，及,=1， i 2=10， W=100， 7=0.5進(jìn)《 i十算)。
更特另哋，圖2示出狀態(tài)|2〉的種群作為典型探針離子的標(biāo)準(zhǔn)激發(fā)功率的函數(shù)。 根據(jù)等式(6)和(7)，對于功率尸aA可觀察到雪崩效應(yīng)。如可從等式(6)中觀
察到的，當(dāng)與W與^相比較大時，將最容易、:ta3i/容易發(fā)^L轉(zhuǎn)換魏的發(fā)散。
存在大量黝多進(jìn)行根據(jù)本公開內(nèi)容的上轉(zhuǎn)換的探針離子，紫臠足前述標(biāo)準(zhǔn)。
例如，顯出如本文中所述的所需上轉(zhuǎn)換屬性的探針離子包括稀土離子(其中 從較上m^:態(tài)的輻射馳m3I率通常在104—106s—1的范圍中，并且^X馳,率可 以大至10V""。根據(jù)所公開的系統(tǒng)和方法，三價態(tài)的稀土尤其 。
在本公開內(nèi)容的又一典型實(shí)施例中，可以在例如光學(xué)活檢的診斷過程中采用 包括混合的稀±/遺臉屬磷光體的探針離子系統(tǒng)。根據(jù)這種典型實(shí)施例，激發(fā)能 量由包括在所公開的混合物中的稀土離子所吸收，并且這種'鵬能量隨后轉(zhuǎn)移至 逾錢屬離子。在所公開的探針離子中i頓的典型稀土金屬包含Yb3+和Tm2+，至 少部分由于這種金屬具有僅一種激發(fā)態(tài)(大約在10000cm—i)，其包含完全的f一f 振蕩器SM，并J^^S著的吸收截面。
在選擇包含在所公開的探針離子的迚渡金屬離子過程中，雌的迚渡金屬在 近紅外范圍中不顯出吸收頻帶，而該范圍中稀土離子吸收初始激發(fā)光子。然而，優(yōu)選的過渡金屬有利地顯出大約兩倍于激發(fā)能量、，在寬能量范圍上的強(qiáng)吸收 頻帶。顯出這種屬性的過渡金屬允許選#/利用激發(fā)旨激，該激發(fā)能級最大化雪崩 效應(yīng)，即這種跡度金屬有助于"調(diào)整"所公開的系統(tǒng)和方法以得到增強(qiáng)的性能。
通常，出于所公開的探針離子的目的，最低激發(fā)態(tài)應(yīng)當(dāng)在13000cm—1之上。 在前述激發(fā)參數(shù)閾值可用的情況下，基本上采用具有下列電子結(jié)構(gòu)的過渡金屬離 子3d2、 3d3、 3c^和3d8 (例如，基于Tanabe—Sugano圖)。顯出所需電子結(jié)構(gòu)的 a^度金屬離賴?yán)?，但不局限于，Cr^+、 Mn4+、 V2+、 Mn2+、 Ni4+、 Fe2+、 V3+、 Cr4 +、 Cu2，Ni2+。另外，顯出3cf和3cf電子結(jié)構(gòu)的離子可以有效地結(jié)合在根據(jù)本公 開內(nèi)容的探針離子中，但是這種金屬離子可以預(yù)期僅在非常狹窄的晶體場范圍中 有效，在該范圍中金屬離子的第一激發(fā)態(tài)處于足夠的能量處。根據(jù)準(zhǔn)確的部m 稱性和晶體場強(qiáng)度，根據(jù)本公開內(nèi)容的過渡金屬離子所對t的顏色可以是跨越綠 色、黃色、跪和紅色光譜范圍的幾乎倒可波長。
為了最大化雪崩上轉(zhuǎn)換過程的效率，一i^I彌土和過渡金屬離子，以使得 處于良好定義的距離處。根據(jù)本公開內(nèi)容的 實(shí)施例，稀土和迚渡金屬離子處 于良好定義的距離處，這種距離盡可能接近在一起。另外，兩個離子一即稀土離 子和過渡金屬離子一之間的橋接角度(bridging angle)優(yōu)選為角共享(corner sharing)。角共享結(jié)構(gòu)有利iM大化波函ifS疊，其轉(zhuǎn)化和/^生了兩個離子之間 的超交軀相作用。
根據(jù)本公開內(nèi)容的典型實(shí)施例，樹共了探針離子系統(tǒng)，其包括Yb3，n Mn2+ 離子對。圖3中示出了前述離子對的能量相關(guān)性育^響應(yīng)(其獲自Pascal Gemer等 人2004年的"Chem.Eur丄,"10， 4735 —4741)。在非諧振基態(tài)吸收(GSA)之后， 將Yb3+—Mn2+二聚物僅僅輕微也激發(fā)為Yb3+占優(yōu)勢的乍5/2激發(fā)態(tài)。在吸,二激 發(fā)光子之后，還將Yb3+—Mn2+二聚物,為Mn2+占優(yōu)勢的4/T2頻帶。精確的 #^態(tài)取決于二聚 收的激發(fā)能量。隨后的快速熱化將Mn2+留在其紅何鄉(xiāng)tfe發(fā) 射、激發(fā)態(tài)。鎌光的精確顏色可Mil晶體場S艘而調(diào)整，這允許理想的磷光體 的設(shè)計中的自由度。隨后，例如在溴化物(例如，MnBr2: Yb3+)、氯化物(MnCl2: Yb3+)以及其它卣化物(諸如RbMnCl3: Yb3+， CsMnCl3: Yb3+， CsMnBr3: Yb3 +， RbMnBr3: Yb3+， Rb2MnCl4: Yb3+)中應(yīng)當(dāng)可以觀察到典型的雪崩上轉(zhuǎn)換激寸。
所公開的系統(tǒng)和方法利用雪崩效應(yīng)，以從相對于所需位置分離定位的背景探 針離子濃度中區(qū)分所需位置處的探針離子。根據(jù)WJ能量與必需閾值的接近度， 與上轉(zhuǎn)換相關(guān)的鄉(xiāng)幅度將穀膨響。雪崩上轉(zhuǎn)換離子濃度的小改變轉(zhuǎn)化*導(dǎo)致交叉馳離率常量W的駄改變。纖而將顯著地改變較上激發(fā)態(tài)的種群(假設(shè) 激發(fā)功率保持恒定)。
圖4中圖示了與本公開內(nèi)容相關(guān)的雪崩上轉(zhuǎn)換效應(yīng)的典型實(shí)例。計算標(biāo)準(zhǔn)化 激才光譜以在左偵鵬線中的必需閾值之下，并且計算標(biāo)準(zhǔn)化劃寸光譜以接近右側(cè)
圖線中的閾值。值得注意的是，所需探針離子在550nm處的對寸在右側(cè)圖譜中， 與左側(cè)圖譜相比更顯著。這些光譜之間的唯一差別是交叉馳豫的影響(其繼而確 定比例P/Pc)。在左側(cè)圖中，觀察到強(qiáng)背景上在550nrn處的所需發(fā)光，正如正常/ 常規(guī)光學(xué)活檢過程中的情況。完全相反地，在圖4右側(cè)的圖形中，當(dāng)根據(jù)本公開 內(nèi)容的典型雪崩上轉(zhuǎn)換憐光體暴露于激發(fā)功率時，示出了位于550nm處的所需發(fā)
光，其中最高的強(qiáng)度信號接近閾值。清楚地，用本公開內(nèi)容的雪崩上轉(zhuǎn)換1^， 使得550nm的對寸^M著，而背景信號更弱。因而，M31實(shí)施所公開的系統(tǒng)和方 法，更好地^i辛550nm對寸，如圖4的右側(cè)圖上戶標(biāo)。
參考圖5，衝共了用于實(shí)施所公開的系統(tǒng)和方法的典型流程圖。如其中戶際， 用于識別、測量和/或監(jiān)視探針離子發(fā)射以識別較高濃度區(qū)域的典型方法/技術(shù)包 括(i)掛共顯出雪崩上轉(zhuǎn)換 鵬的探針離子，(ii)纟鄉(xiāng)針離子引入感興趣的解剖 和域臨床環(huán)境，(iii)允i權(quán)針離子聚餘感興趣區(qū)域中，(iv)鵬針離子暴驗(yàn) 處于或m可應(yīng)用閾值的激勵能量下以啟動雪崩上轉(zhuǎn)換，以及(v)識別、測量和 /鵬視探針離子對t以識別較高濃度區(qū)域。所公開的方法(以及支微種方法的 系統(tǒng))具有更寬范圍的可應(yīng)用性，例如，在基因診斷、免疫診斷、藥物研發(fā)、環(huán) 境觀賦、生物工程、熒光檢查等中。所公開的方法和相關(guān)的系統(tǒng)的尤其有利應(yīng)用 包括診iSl，呈，例如光學(xué)活檢。
雖然已經(jīng)參考典型實(shí)施例描述了本公開內(nèi)容的系統(tǒng)和方法，本公開內(nèi)容不受 到這種典型實(shí)施例的限制。相反地，所公開的典型實(shí)施例僅說明與所公開的系統(tǒng)
和方法相關(guān)的應(yīng)用、實(shí)施方式以及優(yōu)點(diǎn)。事實(shí)上，本公開內(nèi)容意于包括所公開系 統(tǒng)和方法的修改、增強(qiáng)和改變，正如對于本領(lǐng)域技術(shù)人員基于本公開內(nèi)容將顯而 易見的，并且欺體敬了本公開內(nèi)容的衞申和范圍。
權(quán)利要求
1、一種用于識別感興趣區(qū)域或位置的方法，包括a.提供顯出雪崩上轉(zhuǎn)換效應(yīng)的一個或多個探針離子；b.將所述探針離子暴露于激勵能量以啟動雪崩上轉(zhuǎn)換效應(yīng)；以及c.基于至少部分與所述雪崩上轉(zhuǎn)換效應(yīng)相關(guān)的發(fā)射確定較高濃度所述探針離子的一個或多個區(qū)域。
2、 根據(jù)權(quán)利要求i戶腿的方法，其中，將戶;M探針離子引入解剖和/或臨床環(huán)境中。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2戶腿的方法，其中，^f妙誠探針離子官能化以使得其聚集在感興趣的區(qū)鄉(xiāng)n/或位置。
4、 根據(jù)前述任意一項權(quán)利要求戶腿的方法，其中，在位于或艦閾值的能級處釋方處， 能量，以啟動戶;M探針離子的上轉(zhuǎn)換雪崩效應(yīng)。
5、 根據(jù)前述任意一項權(quán)禾腰求戶腿的方法，其中，由戶;f^鵬育瞳啟動的發(fā) 射 較高濃度探針離子的區(qū)敏位置和探針離子的背景等級之間進(jìn)行區(qū)分中是有 效的。
6、 根據(jù)前述任意一項權(quán)利要求戶脫的方法，其中，戶;M娜會糧在足以干擾 戶;M確定步驟的等級處不啟動組織的自發(fā)熒光。
7、 根據(jù)前述任意一項權(quán)利要求戶腿的方法，其中，至少一個戶腿探針離子包括稀土和逾度金屬離子的組合。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述稀土離子是Yb3+。
9、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，至少一個戶;fti探針離子是混合的稀土 湖臉屬磷光體。
10、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所^3^度金屬離子選自包括下列的 組Cr3+、 Mn4+、 V2+、 Mn2+、 Ni4+、 Fe2+、 V3+、 Cr4+、 Cu2，Ni2+。
11、 根據(jù)權(quán)禾腰求7戶脫的方法，其中，戶;f^l渡金屬離子的特征在于3d2、 3d3、 3d5或3d8的電子態(tài)。
12、 根據(jù)前述任意一項權(quán)禾腰求所述的方法，還包括卣化物主晶格以包括稀 土離子和M^度金屬離子(例如，溴化物(例如，MnBr2: Yb3+)、氯化物(MnCl2: Yb3+)鄉(xiāng)它卣化物(諸如RbMnCl3: Yb3+， CsMnCl3: Yb3+， CsMnBr3: Yb3+， RbMnBr3: Yb3+， Rl^MnCU: Yb3+))。
13、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述劍七物主晶格對于艦戶艦確 定步驟的EM是有效的。
14、 根據(jù)前述任意一項權(quán)利要求所述的方法，其中，所述確定步驟與應(yīng)用相 關(guān)，所述應(yīng)用諸如基因診斷、免疫診斷、藥物研發(fā)、環(huán)境測試、生物工程、熒光 檢査和光學(xué)活檢。
15、 根據(jù)前述任意一項權(quán)利要求戶服的方法，還包括使用晶體場調(diào)^^f^激 勵能量的雪崩激t波長。
16、 根據(jù)前述任意一項權(quán)利要求所述的方法，其中，選擇戶;M稀土和過渡金屬離子以位于良好定義的距離處。
17、 根據(jù)前述任意一項權(quán)利要求戶誠的方法，其中，所述稀土離子和戶;M31 #屬離子之間的 角度包括角共享。
18、 一種系統(tǒng)，包括用于將所述探針離子暴露于激勵能量的裝置，以及用于確定與戶;M探針離子相關(guān)的激摘裝置，以支持前述任意一項權(quán)利要求戶腿的方 法。
全文摘要
本發(fā)明提供了用于顯著增加例如光學(xué)活檢的診斷過程的靈敏度和選擇性的有利系統(tǒng)和方法。所公開的系統(tǒng)和方法使用高度非線性效應(yīng)，所謂的光子雪崩。在接近雪崩閾值的方案中，在研究中的探針離子的密度或激發(fā)功率的小差別可以導(dǎo)致上轉(zhuǎn)換發(fā)射強(qiáng)度的非常大的改變。通過該效應(yīng)，可以僅僅精確地測量在離子濃度最高的位置處光學(xué)活檢探針離子的信號，同時，顯著地減少或消除了來自在整個測量體積上以稍低濃度分布的探針離子的背景信號的測量。同樣，利用這種技術(shù)，基本上不存在周圍健康組織的背景自發(fā)熒光。
文檔編號A61K49/00GK101410141SQ200780011503
公開日2009年4月15日 申請日期2007年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月29日
發(fā)明者J·F·蘇伊吉維爾 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司