3年再发Nature Nanotechnology，复旦大学这个课题组了解下！
奇物论
2021-06-13
近红外II区光学成像（NIR-II，1000–1700 nm）窗口由于其高灵敏度和高时空分辨率，在生物和医学领域有着广泛的应用。最近，一项临床研究还强调了术中 NIR-II荧光成像和 NIR-II 图像引导手术的有希望的临床潜力。然而，由于不可避免的实时激发光所产生的组织自发荧光背景，影响了活体组织的成像质量和特异性，以及宽视场成像中可能出现的光致过热和光照不均匀等问题，仍然存在局限性。长余辉发光（Persistent luminescence (PL)）是一种独特的光学现象，在激发停止后，还可以持续发光数分钟甚至数小时。因此，它在体内生物成像、生物传感、体内安全加密和信息存储等方面具有广阔的应用前景。然而，目前这一代的光致发光材料主要是大晶体，采用合成方法生长，包括在极高温度（>1000℃）下进行固态退火，还缺乏纳米结构的调控和表面性质的可调性。这些缺点由于可见光（400–700）的排放而变得更加复杂 （参考文献19,21）和第一次近红外（NIR-I，700–900 nm）窗口，这阻碍了深层组织的高对比度成像。另一方面，这些材料通常需要紫外线或可见光充电，这限制了它们的能量富集，特别是在存在组织散射和吸收的情况下。相比之下，用于放射治疗和生物成像的高能X射线可以激活大禁带宽材料并激发PL，但其发射仍局限于紫外和可见光窗口。迄今为止，在 NIR-II 窗口中具有可调发光的 X 射线激活的纳米尺寸 PL 材料的开发，以及用于体内成像的良好控制的多功能纳米结构，构成了一个显著的挑战，并且仍有待探索。鉴于此，复旦大学张凡、凡勇和河北大学杨艳民等人报道了一系列可被x射线激活的掺杂镧系元素的纳米颗粒（Ln-PLNPs），其在近红外II区窗口具有超过 72 小时的发光寿命。成果发表在Nature Nanotechnology上。研究人员通过引入低声子能量 NaY(Gd)F4 作为主体材料和各种稀土掺杂剂作为活化剂，通过热注射溶液法合成具有核壳结构的 Ln-PLNPs。研究人员首先研究了 Ln-PLNPs 的结构参数和温度对其 PL 强度的影响，并提出了 X 射线激活 Ln-PLNPs 的合理机制。即：在 X 射线照射下，受激电子通过光电电离、俄歇效应和能量碰撞进入氟化物材料的导带，产生电子-空穴对（Frenkel激子）。这些稳定的自由激子可以在主体基质中转移并被能量陷阱捕获，这些能量陷阱可能是由于材料合成和 X 射线辐射过程中的热解离而形成的氟化物空位和氟化物 Frenkel 缺陷（空位-间隙对）。纳米氟化物的高禁带宽和约束效应意味着捕获的自由激子形成有界激子。由于热扰动，它们再次作为自由激子缓慢释放，随后被激活剂（Nd3+、Ho3+、Tm3+ 或 Er3+）捕获。电子和空穴分别逃逸到导带和价带，然后向活化剂迁移。捕获的电子-空穴对重新组合以将能量转移到活化剂以产生 PL。整个 NIR-II PL 过程由大禁带、精细调整的结构和氟化物主体材料主导。这些因素可以极大地增强能量存储并抑制有害的非辐射能量转移，从而提高PL效率。利用这种机制，还实现了掺杂其他稀土（例如 Yb3+、Pr3+、Tb3+、Dy3+ 和 Sm3+）的高禁带主体材料 (NaYF4) 的 PL。与传统的体发光材料相比，具有可控核-壳结构的Ln-PLNPs具有优异的光学性能，因为它们能够在NIR-II窗口发射出明亮且可精确调谐的发射。独立设计的NIR-II PL信号实现了不同载波的NIR-II PL编码，因此提供了比传统NIR-II FL成像具有更高信噪比和精确度的高多路复用水平。且使用高对比度NIR-II PL图像在深层组织中对编码珠进行明确解码。此外还发现，来自多层 Ln-PLNP 不同发射带的 NIR-II PL 信号的比率随时间（> 60 分钟）是恒定的，并且与它们的浓度和温度无关。这种同时、动态、稳定的发光可以提高编码能力和加密水平。在 NIR-II 窗口中具有 PL 发射的 Ln-PLNP 是体内高对比度成像的理想选择，并且它们在生物介质中的稳定性和生物相容性证实了它们对生物应用的适用性。因此，研究人员评估了 Ln-PLNPs 在多个体内成像应用中的光学性能，包括高对比度腹部血管、肿瘤成像和输尿管跟踪，与常规NIR II发光对比，其信噪比要高出4倍，清晰度提高3倍。这些设计合理的纳米粒子还允许对内脏进行高对比度多重成像和对鼠肿瘤进行多模态 NIR-II 长余辉发光-磁共振-正电子发射断层扫描成像。尽管用于体内生物成像和生物传感的 NIR-II 窗口中的 FL 光谱已经研究了十多，但在同一窗口中对 PL 的研究很少见。综上所述，本文报告了一系列 X 射线激活的 Ln-PLNP，具有可调谐的 NIR-II PL、可控的纳米结构和灵活的多功能结构，在深部组织中显示出高对比度和高分辨率生物成像的前景。尽管 Ln-PLNPs 成功解决了由激发光和组织之间相互作用引起的背景自发荧光问题，并将 PL 波长扩展到 NIR-II 窗口以进行高对比度的体内成像，但 Ln-PLNPs 的 PL 效率仍然需要提高为更先进的生物应用而改进。使用更亮的Ln-PLNPs，可以直接应用更低的X射线剂量（低于安全阈值）和更深的穿透深度为活体组织中的探针激活，从而实现纳米探针的长期跟踪和监测。此外，还可以将功能分子可以附着在高发射纳米粒子上，不仅用于在更复杂的成像情况下具有更高积累效率的主动靶向，还可以作为智能可激活探针来监测病理过程。值得注意的是，复旦大学张凡团队于2018年同样在Nature Nanotechnology上发表关于NIR-II 纳米粒子用于多重体内成像。
Pei, P., Chen, Y., Sun, C. et al. X-ray-activated persistent luminescence nanomaterials for NIR-II imaging. Nat. Nanotechnol. (2021).https://doi.org/10.1038/s41565-021-00922-3
张凡，教授，博士生导师，中组部青年拔尖人才。2008年在复旦大学化学系博士毕业后赴美国加州大学圣塔芭芭拉分校化学与生物化学系进行博士后研究。2010年8月通过复旦大学人才引进计划加入化学系。张凡教授主要从事于稀土近红外荧光纳米探针和有机分子探针的设计合成以及生物医学诊断分析。发表SCI论文100余篇，多篇以通讯作者发表在Nat.Nanotechnol, Nat. Commun，J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Mater.，Nano. Lett.等生物化学相关国际一流期刊上发表了一系列有影响的研究论文，引用超过17000次。25篇论文入选ESI高被引论文，2018-2020年入选科睿唯安全球高被引学者。撰写出版英文专著2部(英国皇家化学会出版社和德国Springer-Nature出版社)。获得教育部自然科学一等奖、侯德榜化工科技奖、上海市科技进步奖、上海市青年英才科技奖等荣誉。
