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《自然—光子学》：复旦大学张凡团队开发高亮度近红外探针实现环境光照射下的高信噪比生物成像

2024-9-13 22:55

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复旦大学化学系张凡教授课题组开发了一系列尺寸均一，结构和发射波长可调的新型过渡金属元素铬敏化的镧系纳米发光探针（CLNPs）。与传统镧系敏化纳米粒子相比，CLNPs不需要激光激发，只需要在较弱的环境光照射下即可实现高效近红外发光，其亮度比相同尺寸的传统镧系敏化纳米粒子最多高出三百七十倍。而其他过渡金属（例如Mn²⁺，Ni²⁺）也有类似的敏化能力，这证明了过渡金属对镧系离子敏化在纳米结构中具有一定的普适性。团队基于CLNPs良好的光学性质，仅在环境光或长余辉材料的照射下即可实现近红外窗口的信息加密和高对比度多重成像。

北京时间2024年9月13日17时，上述研究成果以“High-brightness transition metal sensitized lanthanide near-infrared luminescent nanoparticles”为题在线发表于Nature Photonics。

荧光成像由于具有非侵入性、高灵敏度、高时空分辨率等优点，被广泛用于生命科学和临床医学等领域。相对于可见光窗口（400-650 nm）和近红外第一窗口（650-900 nm）而言，生物组织在近红外第二窗口（1000-1700 nm）对于激发光和发射光的吸收与散射作用较小。因此，近红外第二窗口区间的光学信号可以极大地提高活体成像的穿透深度、分辨率和信噪比。近期的临床研究表明，近红外第二窗口荧光成像可以指导医生进行精准的肿瘤切除手术，具有广阔的临床应用前景。镧系发光纳米颗粒由于其结构具有原子级别的可调性和界面能量传递的特性，是最具潜力的近红外第二窗口探针。镧系元素一共有十五个，它们在紫外-可见-近红外区域的宽光谱范围内均具有特征发射。而常规的镧系发光纳米颗粒由敏化剂、激活剂和基质组成。其中敏化剂负责吸收能量并传递给激活剂，激活剂接收到能量后发射出特定波长的光，敏化剂和激活剂装载于惰性的镧系元素基质中构成了光致发光纳米材料。镧系发光纳米颗粒的发光效率在很大程度上取决于镧系敏化剂对外部能量的吸收和转换效率。由于传统镧系敏化剂（Yb³⁺和Nd³⁺等）吸收截面较低，通常需要较高功率的激光才可以点亮。此外，外部激光的辐照往往会造成潜在的过热现象，容易对生物组织造成伤害。因此，如何在低功率条件下，特别是在低照度的环境光激发下高效发出近红外光以扩大近红外发光材料的应用范围，一直是科研人员面临的难题。

针对以上难题，张凡团队开发了一系列尺寸均一，结构和发射波长可调的新型过渡金属元素铬敏化的镧系纳米发光颗粒（Cr³⁺-sensitized lanthanide-doped nanoparticles, CLNPs）。三价铬离子作为人体必需的微量元素，同时具有较高的光吸收截面。其摩尔消光系数是常用的镧系敏化剂Yb³⁺的十四倍，使其对激发光具有更强的收集能力。而本项目所开发的铬金属氟化物纳米基质具有低声子能特性，不仅可以作为承载镧系激活剂的基质，还可以作为敏化剂。团队首次在纳米尺度实现了过渡金属铬离子对于六种镧系激活剂的敏化，发光范围覆盖900-1700 nm。此外，与需要激光激发的传统镧系敏化纳米粒子相比，新型的CLNPs在较弱的环境光照射下即可实现高效近红外发光。CLNPs的亮度比相同尺寸的传统镧系敏化纳米粒子最多高出三百七十倍。而其他过渡金属（例如Mn²⁺，Ni²⁺）也有类似的敏化能力。这证明了过渡金属对镧系离子敏化在纳米结构中具有一定的普适性这一重要科学发现。团队基于CLNPs良好的光学性质，仅在环境光或长余辉材料的照射下即可实现近红外窗口的四色加密和高对比度多重成像。

研究亮点

新型过渡金属元素铬敏化的镧系纳米发光探针的合成

图 1Na₃CrF₆:X性质表征。a. 示意图展示了两种能量传递下转换发光的机制。b. Cr³⁺和传统敏化剂离子(Yb³⁺)在水溶液中的摩尔消光系数。c. Na₃CrF₆:Er（4.2 mol%）纳米颗粒的TEM图像。d. 相应的电子衍射图和高分辨率TEM图像，显示了Na₃CrF₆:Er（4.2 mol%）纳米粒子的晶面间格距。模拟结构模型投影图像和原子分辨率的扫描透射电子显微镜图像。e. 从Er₂O₃、Erfoil和Na₃CrF₆:Er样品中记录的Er_L₃边的X射线吸收近边光谱。f. β-NaErF₄、α-NaErF₄和Na₃CrF₆:Er（4.2 mol%）在Er_L3边的扩展X射线吸收精细结构的傅里叶变换。g. 在655 nm激光激发下，Na₃CrF₆:Er、Na₃CrF₆:Tm、Na₃CrF₆:Yb和Na₃CrF₆:Nd纳米粒子的发光发射光谱。h. 在相同发射范围内，Na₃CrF₆:Er（4.2 mol%）和α-NaYbF₄:Er/Ce（2/2 mol%）的功率依赖性比较。i. 几乎相同尺寸的各种材料的归一化亮度比较。

三价铬离子作为人体必需的微量元素，同时具有较高的光吸收截面。其摩尔消光系数是常用的镧系敏化剂Yb³⁺的十四倍，使其对激发光具有更强的收集能力。鉴于金属氟化物纳米基质具有低声子能特性更利于发光，本研究合成了Na₃CrF₆的纳米颗粒，不仅可以作为承载镧系激活剂的基质，还可以作为敏化剂。团队使用原子级别分辨的STEM、XANES以及DFT计算等先进手段证明了镧系离子的成功掺杂。在精细调控激活剂浓度的基础上，与尺寸相当的常规下转换发光颗粒相比发光有了明显增强。

CLNPs的增敏机制研究

图 2Na₃CrF₆: X 增敏机理的光谱证据。a. Na₃CrF₆（上）和Na₃CrF₆:Er（4.2 mol%，下）在不同时间衰减点（从0到200 ns）的瞬态吸收情况。b. 在655 nm激光激发下，Na₃CrF₆:Er（4.2 mol%）的TRPL。c. 在655nm激光激发下，对Na₃CrF₆:Er（4.2 mol%）在三个特征发射峰（776、980和1540 nm）处进行的时间分辨荧光动力学分析。d. 在655 nm激光激发下，Na₃CrF₆:Er（4.2 mol%）从0.225到5.000 ms的时间分辨荧光光谱衰减图像。e. 在655 nm激光激发下，Na₃CrF₆:Er/Sc（4/17 mol%）的归一化发光强度。f. 从Cr³⁺到X³⁺（X=Er、Tm、Yb和Nd）的高效敏化机制。

研究者系统地研究了过渡金属敏化的镧系元素掺杂纳米晶体的能量传递机理。通过PL，功率依赖性实验，TA，TRPL等实验和技术手段，得到了Cr³⁺对四种镧系激活剂的敏化过程。通过掺杂光学惰性Sc³⁺离子，研究者确定了高浓度Cr³⁺的对高效敏化起到了重要作用。通过时间分辨荧光光谱，研究者首次明确了Cr³⁺和镧系激活剂能量传递发生的具体能级。分别是：Cr^{3+的⁴T₂和Er³⁺的⁴I_11/2（Cr-Er），Tm³⁺的³H₄（Cr-Tm），Yb³⁺的²F_5/2（Cr-Yb）以及Nd³⁺的⁴F_3/2（Cr-Nd）。}

过渡金属敏化界面能量转移

图 3 过渡金属敏化稀土杂化纳米结构及其组成的控制。a. H₂O伸缩振动跃迁对Cr³⁺的⁴T₂能级猝灭效应的示意图。b. 壳层厚度对光致发光（绿线）和发光猝灭（紫线）的影响。c. 有无壳层涂层的Er掺杂CLNP和DSNP之间归一化亮度的比较。d. 核-壳纳米粒子中提出的界面能量转移机制。e. α-NaYF₄:Er（5 mol%）@Na₃CrF₆纳米粒子的透射电子显微镜图像。f. α-NaYF₄@Na₃CrF₆的示意图。g. 原子分辨率的α-NaYF₄@Na₃CrF₆纳米粒子的STEM图像。h. 在655、808或980 nm激光激发下，α-NaYF₄:X@Na₃CrF₆（X=10 mol% Er、5 mol% Tm、5 mol% Yb和10 mol% Nd）纳米粒子的发光发射光谱。i. 在396 nm氙灯激发下Mn²⁺敏化的镧系掺杂纳米粒子和在1150nm激光激发下Ni²⁺敏化的镧系掺杂纳米粒子的发光发射光谱。

纳米材料的优势就是可以在纳米尺度对材料结构进行调控。研究者对过渡金属敏化镧系离子发光体系进行了多维度的创新拓展，这不仅为构建高效且低成本的近红外第二窗口探针提供了典范性研究方法，还深化了相关领域的探索路径，丰富了镧系发光工具盒。在Na₃CrF₆:Yb，X（X代表Ho，Pr，Tm或Er）体系中，巧妙引入Yb³⁺作为能量传递的桥梁，极大地促进了Cr³⁺对Ho³⁺或者Pr³⁺的能量敏化效率。此外，通过精心调整核壳结构CLNPs的反应溶剂和温度条件，实现了CLNPs荧光强度的增强，并显著提升了其抗溶剂淬灭能力，为实际应用中的稳定性奠定了坚实基础。进一步地，研究者们采用前沿的外延生长技术，在传统立方相镧系纳米晶的表面上巧妙覆盖了一层Na₃CrF₆壳层。这一创举不仅极大地拓宽了镧系纳米晶的合成边界，还标志着镧系纳米晶体合成领域迈入了一个崭新的阶段。通过精准调控内核中镧系元素的掺杂比例，成功实现了从Cr³⁺到镧系离子能量传递过程的精细优化与灵活调控，为定制功能化发光材料开辟了新途径。值得注意的是，除Cr³⁺外，其他过渡金属离子如Mn²⁺、Ni²⁺等也被证实具备相似的敏化潜力，这为未来探索更多元化的能量传递体系提供了宝贵的启示。

低照度环境光下的高对比度成像

图 4 CLNP 用于多路加密和生物成像。a. 在重复的WLED照明（100 mW cm^-2）下，经过140个开/关循环后，基于Na₃CrF₆:Er（4.2 mol%）的图标的光稳定性。b. 在连续的WLED辐照（100 mW cm^-2, 200小时）下，基于Na₃CrF₆:Er（4.2 mol%）的图标的光稳定性。c. CLNP吸收与WLED发射光谱的重叠。d. 使用CLNP构建超细颜料进行NIR加密的示意图。使用喷笔将不同的CLNPs（分别为Na₃CrF₆:Er（4.2 mol%）、Na₃CrF₆:Tm（4.1 mol%）、Na₃CrF₆:Yb（3.5 mol%）和Na₃CrF₆:Nd（5.6 mol%））喷涂到四片叶子上。e. NIR加密的树叶在可见通道（左）和NIR通道（右）中的图像。f. 在不同深度和功率密度的980 nm激光或WLED下，DSNP-CLNP的NIR图像示意图。g, h. 在不同深度和功率密度的WLED（g）或980 nm激光（h）下，DSNP-CLNP-cRGD的信噪比。i. 使用DSNP-CLNP-cRGD在NIR-II窗口中进行肿瘤手术导航切除的示意图。j. 在不同功率密度的WLED或980 nm激光下，活鼠中肿瘤的NIR-II图像。k. 在WLED或980 nm激光照射下，不同功率密度的肿瘤与正常组织的信号比值。

研究者使用新开发的CLNPs进行了在低激发功率的NIR-II荧光加密编码。在考察了CLNPs的光学稳定性后，研究者使用四种不同发射波长的CLNPs实现了室内环境光下的NIR-II防伪。Na₃CrF₆:X（其中X代表不同的稀土离子，如Er³⁺、Tm³⁺、Yb³⁺或Nd³⁺）可以被设计成发射不同波长的颜料，在环境光下即可实现多重加密。当这些纳米颗粒作为涂层喷涂于叶片表面时，它能够保持叶片的自然绿色，且肉眼无法察觉到任何可见的变化。然而，在WLED激发（100 μW cm^-2）下，通过InGaAs CCD仍然可以检测到加密信号。为了公平的比较DSNP于CLNP的发光亮度，研究者巧妙地使用核壳结构的DSNP-CLNP材料进行了肿瘤的手术切除导航实验。在单一颗粒中，使用手术室无影灯激发的CLNP比使用980 nm激光器激发的DSNP激发阈值低11倍。

长余辉光激发下的高信噪比生物成像

图 5 以商业化余辉荧光粉为内激发源的无创双通道高对比度生物显像。a. CLNP吸收光谱与PL发射光谱的重叠情况。b. PL材料（上）的衰减光谱和受PL激发的Na₃CrF₆:Er（下）的衰减光谱。c. PL衰减与Na₃CrF₆:Er衰减之间的相关性。d. 在不同深度和时间下，WLED或PL材料激发下Na₃CrF₆:Er的NIR图像示意图。e, f. 在不同深度和时间下，WLED（e）或PL（f）激发下Na₃CrF₆:Er的信噪比。g. 原位胃癌模型双通道近红外成像示意图。口服商业化长余辉荧光粉作为“内照射”光源的小鼠胃部与原位胃癌肿瘤的双通道近红外成像。h-j. 在PL或WLED激发下，原位胃癌模型双通道体内发光成像的比较（h）。通过不同激发方式，h中选定的线在Nd（左）和Er（右）通道中的归一化信号（i）。胃（左）和肿瘤（右）的信噪比（SNR）随时间的变化（j）。

长余辉发光是一种独特的光学现象，其特点是在激发停止后仍可持续数分钟甚至数小时。由于长余辉发光不受组织自发荧光和激发光散射的影响，因此在高对比度生物成像领域具有广阔的应用前景。受商业蓝色长余辉发光材料（特别是掺杂Eu²⁺和Dy³⁺的Sr₂MgSi₂O₇）发射与CLNPs吸收之间高度匹配（86.2%）的启发，研究者探究了在低功率密度蓝色长余辉发光材料激发下CLNPs的NIR-II成像能力。结果表明，CLNPs发射的NIR信号强度变化与长余辉发光衰减模式密切相关，在60分钟内表现出超过90%的强相关性。这一证据表明，长余辉发光材料可以有效激发CLNPs并产生NIR信号。为了进一步验证这一概念，研究者探究了填充有Na₃CrF₆:Er（4.2 mol%）并被不同厚度组织模拟材料覆盖的毛细管的成像结果。值得注意的是，在长余辉发光激发下获得的NIR-II图像的信噪比（SNR）始终优于WLED激发的图像，尤其是在最初的5分钟内。受胃独特生物结构的启发，研究者利用口服商业化长余辉荧光粉作为“内照射”光源的小鼠胃部与原位胃癌肿瘤的双通道近红外成像。

复旦大学化学系博士生明江为第一作者；复旦大学化学系教授张凡为通讯作者。研究工作得到了复旦大学化学系、聚合物工程国家重点实验室、国家重点研发计划、国家自然科学基金委员会、科学探索奖、上海市科学技术委员会、上海市教委创新计划等机构与项目的大力支持。