上转换，连续7篇顶刊！

奇物论

2021-11-30

1. Nano. Lett：利用分子工程化近红外染料的协同效应增强混合上转换纳米系统的发光

混合上转换纳米系统可以提高镧系掺杂上转换纳米粒子(UCNPs)的吸收效率。然而，近红外染料的低量子产率和光稳定性较差等问题也给其实际应用造成了困难。悉尼科技大学金大勇教授引入了一个庞大的4-(1,2,2-三苯基乙烯基)-1,1-联苯(TPEO)部分，进而通过抑制键旋转来提高其量子产率，并能够减弱光诱导氧化以提高其稳定性。

本文要点：

（1）与传统的IR806相比，实验构建的近红外染料TPEO-Cy具有3倍高的量子产率和7倍高的光稳定性。此外，实验也利用TPEO-Cy上的磺酸盐链的强亲和力以将其结合到UCNPs的表面。

（2）综合这些协同效应，实验在IR806敏化系统的基准上实现了242倍的上转换发射增强，并且比单纯的UCNPs提高了80万倍。综上所述，这一研究可为设计近红外染料以用于构建更高效的混合上转换纳米系统提供一个新的参考。

Guochen Bao. et al. Enhancing Hybrid Upconversion Nanosystems via Synergistic Effects of Moiety Engineered NIR Dyes. Nano Letters. 2021

DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c02391

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c02391

2. Adv Sci：上转换纳米粒子-MOF复合材料的进展

通过两种不同性质的单组分纳米粒子构建异质结构纳米粒子，这种异质结构纳米材料实现了多种功能，近些年间得到广泛的关注。在各种异质结构材料中，由上转换材料纳米粒子和MOF材料组装形成的异质结构材料不仅能够实现集成MOF材料的多孔和结构规则，而且能够通过协同效应形成单一组分无法实现的独特光学、电子学现象。目前，人们设计合成发展了多种多样的上转换纳米粒子-MOF异质结构材料，具有生物传感、成像、药物输送、光动力学诊疗等领域的应用。

有鉴于此，北京科技大学李梦圆、北京理工大学黄渊余、国家纳米科学中心李乐乐等首次总结和报道了上转换纳米粒子-MOF复合结构纳米粒子目前的挑战和未来的发展前景，尤其是关注于生物医疗领域的应用，特别是光动力学诊疗、癌症等方面的应用。作者希望本文综述有助于促进上转换纳米粒子-MOF异质结构材料的最近进展。

本文要点：

（1）在近些年间，由于纳米技术的快速发展，促进上转换纳米粒子与MOF结合形成的多功能异质结构的发展，这种上转换纳米粒子与MOF形成的复合结构材料实现了上转换纳米粒子的优异的光学性质（可调控的上转换荧光、优异的光稳定性、深层组织穿透性光传感器）、MOF材料的性质（比如可调控的多孔性、合成可调控、结构规则性），因此这种上转换纳米粒子-MOF复合结构材料能够作为理想的结构材料用于生物传感、成像、药物输送、PDT等。

（2）目前人们通过多种策略实现了合成上转换纳米粒子-MOF复合材料，这种复合结构材料能够保持每个单独部分的性质，而且能够通过协同作用产生未曾预料的性质，因此导致促进了生物相关领域的应用。

Qing Liu, Bo Wu, Mengyuan Li*, Yuanyu Huang*, Lele Li*, Heterostructures Made of Upconversion Nanoparticles and Metal–Organic Frameworks for Biomedical Applications, Adv. Sci. 2021, 2103911

DOI: 10.1002/advs.202103911

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202103911

3. ACS Nano：DNA表面工程上转换纳米颗粒用于生物分析和治疗

湖南大学谭蔚泓院士和中科院肿瘤与基础医学研究所渠凤丽研究员对用于生物分析和治疗的DNA表面工程上转换纳米颗粒的相关研究进行了综述。

本文要点：

（1）利用生物分子对无机纳米材料进行表面改性是开发多功能复合材料的有效策略之一。镧系离子掺杂的上转换纳米粒子(UCNPs)是一类重要的无机纳米材料，其能够将低能量光子转化为高能量光子的性能。此外，DNA寡核苷酸具有与多种纳米材料形成多功能拓扑结构的性能。通过合理的设计和纳米技术，基于DNA的UCNPs能够实现多种功能，并具有广阔的应用潜力。目前，已有多种DNA- UCNPs复合材料被开发以用于诊断和治疗。

（2）作者在文中介绍了UCNPs和在UCNPs表面偶联DNA链的相关研究，综述了DNA- UCNPs复合材料的最新进展，并重点介绍了其在生物分析和治疗领域的应用。

Dailiang Zhang. et al. Engineering DNA on the Surface of Upconversion Nanoparticles for Bioanalysis and Therapeutics. ACS Nano. 2021

DOI: 10.1021/acsnano.1c08036

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c08036

4. Angew：通过重原子效应，增强上转换发射

在生物应用领域中备受关注的镧系(Ln³⁺)元素掺杂的上转换(UC)纳米探针具有吸收截面小和发光强度弱等不足。中科院福建物构所陈学元研究员构建了一系列具有可控合成、基于CsLu₂F₇:Yb/Er纳米晶体（NCs）的Ln³⁺掺杂UC纳米探针,它可通过重原子效应以有效提高IR808从单线态激发态到三重激发态的系统交叉(ISC)效率（99.3%）。

本文要点：

（1）由于IR808具有高效的三重态敏化效率，因此IR808修饰的CsLu₂F₇:Yb/Er NCs的最佳UC发光强度（808 nm激发）可提高1309倍。该增强因子相比于NaYF₄:Yb/Er NCs而言高出了一个数量级以上。

（2）得益于强烈的染料-三重态敏化的UCL，该纳米探针可以通过808-nm/980-nm双重激发比率策略下以对细胞外和细胞内的次氯酸盐进行敏感检测，由此表明该纳米探针在监测活细胞生物分子和生化过程方面具有的很好的应用潜力。

Peng Zhang. et al. Enhancing Dye-Triplet-Sensitized Upconversion Emission Through Heavy Atom Effect in CsLu2F7:Yb/Er Nanoprobes. Angewandte Chemie International Edition. 2021

DOI: 10.1002/anie.202112125

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202112125

5. Nano. Lett：可生物降解的上转换纳米颗粒，用于诱导焦亡以实现肿瘤免疫治疗

焦亡是一种程序性细胞死亡模式，已被证明对癌症治疗有效。然而，目前可用于肿瘤治疗的焦亡诱导物还很有限。中科院长春应化所林君研究员和马平安研究员构建了一种可生物降解的K₃ZrF₇:Yb/Er上转化纳米颗粒(ZrNPs)，并将其作为焦亡诱导物以用于肿瘤免疫治疗。

本文要点：

（1）ZrNPs与离子库的作用类似，它可溶解于癌细胞内部并释放出大量的K⁺和[ZrF₇]^3-离子，导致细胞内渗透压激增和稳态失衡，并会进一步诱导活性氧(ROS)、caspase-1蛋白活化、gasdermin D(GSDMD)裂解和白细胞介素-1β (IL-1β)成熟的增加，从而导致细胞溶解。

（2）体内实验表明，ZrNPs所诱导的焦亡具有较高的抗肿瘤免疫活性，能够增强树突状细胞(DCs)的成熟度和效应记忆T细胞的频率，从而显著抑制肿瘤的生长和肺转移。综上所述，这一研究进一步拓展了上转化纳米材料的生物医学应用，并为研究纳米材料的免疫调节活性提供了新的借鉴。

Binbin Ding. et al. Biodegradable Upconversion Nanoparticles Induce Pyroptosis for Cancer Immunotherapy. Nano Letters. 2021

DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c02790

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c02790

6. Angew：上转换纳米胶束用于纳米测温

三重态-三重态湮灭(TTA)上转换是一种特殊的非线性光物理过程，它基于敏化剂/湮灭子对以将低能光子转化为高能光子。由于较长波长的光源不仅具有更大的穿透深度，而且也能减少固有自荧光的背景干扰，因此TTA上转换策略具有很好的生物应用前景。此外，实现TTA上转换的刺激响应性也能够为化学传感和生物传感等应用提供一个独特的平台。

有鉴于此，苏州科技大学叶常青副教授和中科院化学所宋延林研究员通过将敏化剂/湮灭剂分子封装到具有温度敏感性的两亲性三嵌段聚合物中，成功构建了一种基于TTA上转换纳米胶束的新型发光比率纳米温度计。 

本文要点：

（1）研究表明，TTA上转换纳米胶束的发光比率(上转换发光峰与下移发光峰的综合强度比)与温度呈良好的线性关系。此外，该TTA上转换纳米胶束也具有优异的热敏性（高达32.56% ℃^-1）和出色的空气耐受性、可靠性及重现性。研究发现，利用羟甲基对湮灭剂的化学结构进行修饰可以解决聚合物浓度对其热敏性的干扰，而对湮灭剂进行立体化学工程则可以很容易地调节其热敏性。

（2）实验成功地将该上转化纳米胶束应用于对具有热梯度的流体进行热成像和原位散热监测。综上所述，这一研究工作为设计和修饰TTA上转换纳米胶束提供了一种新的策略，能够使其具有更高的热敏性和较小的干扰。作为一种比率发光纳米温度计，其在生物热成像、纳米医学和微/纳米流体等领域中也具有广阔的应用前景。

Lin Li. et al. Luminescence Ratiometric Nanothermometry Regulated by Tailoring Annihilators of Triplet-Triplet Annihilation Upconversion Nanomicelles. Angewandte Chemie International Edition. 2021

DOI: 10.1002/anie.202110830

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202110830

7. ACS Nano：光回声膨胀型纳米复合材料用于上转换介导的超声诊疗

复合纳米结构有望用于实现超声引发的药物递送和治疗，即超声诊疗。目前，已有基于等离激元纳米颗粒的光热效应所诱导的超声成像微气泡膨胀结构被报道。然而，由于微泡寿命短和对比度有限，因此它们在治疗领域的应用仍受到限制。基于光化学的超声诊疗是一个很有发展前景的备选项，但由于光解过程需要高能(紫外可见)光子的参与，因此如何构建对近红外(NIR)光响应的回声纳米结构以用于深层组织中仍具有很大的挑战性。

鉴于此，高丽大学Sehoon Kim和纽约州立大学布法罗分校Paras N. Prasad构建了一种基于光化学的回声纳米粒子，并将其用于原位NIR光控制的超声成像和超声介导的药物递送。 

本文要点：

（1）该纳米粒子由上转换纳米粒子内核和带有气体发生器分子和药物的有机外壳做出。内核可将低能近红外光子转换为紫外线发射，进而用于实现气体发生器的光解。而在穿透肿瘤的纳米颗粒中产生的二氧化碳气体能够膨胀成微泡，进而用于超声治疗。

（2）实验采用不同的近红外激光功率可以实现双模态上转换发光平面成像和横断面超声成像。低频(10mhz)超声刺激能够使得微泡坍塌，进而通过空化诱导的运输以将药物释放到肿瘤深部。综上所述，这一研究所开发的光回波膨胀型多级纳米结构在成像指导的多模态肿瘤治疗领域中具有广阔的应用前景。

Keunsoo Jeong. et al. Photoechogenic Inflatable Nanohybrids for Upconversion-Mediated Sonotheranostics. ACS Nano. 2021

DOI: 10.1021/acsnano.1c07898

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c07898