成像技術是現代生物醫學研究中的重要工具，為疾病診斷、藥物開發以及生物過程的可視化提供了關鍵支持[[1], [2], [3], [4]]。在各種成像技術中，光學成像因其高靈敏度、高時空分辨率和多通道檢測能力而特別突出[[5], [6], [7]]。該領域的發展起源于體外應用，這些應用為研究細胞結構、生物分子相互作用和疾病機制提供了有力手段[8,9]。如今，體內熒光成像技術能夠實時監測生理和病理過程，已成為一個研究熱點[[10], [11], [12]]。
生物組織中的光衰減是體內熒光成像的主要限制因素[13,14]。理論研究表明，近紅外（NIR）光（700-900 nm）相比可見光（400-700 nm）具有更好的組織穿透能力。這是由于NIR光區的光散射和吸收較少，同時自熒光信號也較弱，這些因素共同提高了圖像的信噪比（SNR）[15]。由于水對波長的影響，NIR光譜被劃分為不同的子窗口：NIR-I（700-900 nm）、NIR-II-S（1000-1400 nm）和NIR-II-L（1500-1900 nm）（圖1a）。其中，NIR-II-L子窗口具有適中的水吸收和最小的光散射，特別適合高對比度的體內成像[[15], [16], [17]]。然而，傳統的基于強度的成像方法存在顯著局限性，覆蓋的組織范圍和非特異性探針聚集可能會改變強度信號，常常導致“假陽性”結果[18,19]。最近的研究關注了熒光探針的壽命（圖1b）。作為固有的光學性質，發光壽命與探針濃度、組織穿透深度和激發功率無關，因此它是深層組織成像更為可靠和穩健的信號[19,20]。此外，時間分辨成像系統的進步實現了壽命復用，這種技術克服了光譜通道擁擠的限制[18]。
體內時間分辨成像的實現依賴于設計具有合適發光壽命的探針[21]。目前的發光探針具有廣泛的發光壽命（皮秒到毫秒），其中較長的發光壽命（微秒到毫秒）由于信息傳輸時間和相機頻率的限制而更易于區分[22]。此外，通過時間門控技術可以將短壽命背景信號（如組織自熒光，納秒級）與長壽命探針信號分離，從而實現高靈敏度和改進的信噪比成像（圖2a）[23,24]。
鑭系離子（Ln3+）由于其獨特的發光特性，是時間分辨成像的理想材料[25]。其獨特的[Xe]4fn電子構型和豐富的能級在NIR范圍內產生多個高亮度發射峰[26]。此外，它們的4f-4f電子躍遷賦予了較長的發光壽命（微秒到毫秒），比有機染料（納秒級）或量子點（納秒到微秒級）長幾個數量級。這使得它們特別適合在同步攝影模式下進行高效的大面積成像[27,28]。Ln3+在NIR光譜中的可調性和豐富的壽命特性（圖2b及支持信息中的表S1）使得通過時間分辨方法能夠高分辨率地區分不同的生物組織。相比之下，病變組織的發光強度成像常常受到正常組織中積累的探針的強背景干擾，導致信噪比顯著降低（圖2c）。
敏感的光電探測器和納米材料合成技術的進步促進了過去十年基于Ln3+探針的時間分辨體內成像的全面應用[25,29,30]。2013年，Jin等人首次展示了使用摻鑭納米粒子（LnNPs）進行壽命復用的實例，從而通過引入發光信號的時間維度擴展了光學復用能力（支持信息中的圖S1a）[31]。隨后，Rosal等人結合了長壽命LnNPs和時間門控技術來抑制體內自熒光，實現了高對比度和高分辨率成像（支持信息中的圖S1b）[32]。2018年，Ning等人開發了高度穩定且明亮的NIR鑭系染料雜化發光體（LDHLs），凸顯了它們在NIR時間分辨成像中的潛力（支持信息中的圖S1c）[33]。我們的團隊首次實現了在NIR-II-L（1500-1900 nm）區域內的體內復用壽命成像，這一成就得益于Ln3+獨特的發光壽命特性（支持信息中的圖S1d）[19]。我們的團隊還在生物傳感和光強度與壽命的正交調制方面做出了重要貢獻，進一步突顯了Ln3+在NIR時間分辨成像中的實用性（支持信息中的圖S1e和f）[[34], [35], [36]]。
本文全面概述了Ln3+在體內時間分辨成像中的應用研究。首先介紹了時間分辨成像的原理，包括Ln3+壽命信號的基本理論以及成像方法和時域儀器。接下來，我們對常見的基于Ln3+的探針進行了分類和總結，強調了它們不同的壽命特性和響應行為。還討論了它們在納米熱測量、多通道生物成像和生物傳感等領域的應用。最后，我們展望了體內時間分辨成像在材料、儀器和應用層面的未來前景和挑戰。
