a，傳統(tǒng)鑭系敏化劑 ( i ) 與過渡金屬敏化劑 ( ii ) 對于激活劑能量傳輸?shù)陌l(fā)光機理;b，鉻離子和鐿離子摩爾消光系數(shù)對比;c，CLNPs:Er 的形貌表征;d，CLNPs 的光學表征

光學成像因其及時反饋、高靈敏度和高分辨率的顯著特性，在醫(yī)療健康、環(huán)境檢測等諸多領域具有不可替代的重要地位。近紅外光是一種人眼不可見的光，相對于可見光(400-700 nm)而言，生物組織在近紅外窗口(700-1700 nm)對光的吸收與散射較小，所以發(fā)射近紅外光的探針在加密通訊和生物活體成像等領域具有天然優(yōu)勢。

然而，傳統(tǒng)的近紅外探針通常需要在能量較高的激光照射下才能發(fā)光，過高的照射功率不可避免地會造成背景的干擾，從而影響成像的信噪比和分辨率。此外，外部激光的輻照往往會造成潛在的過熱現(xiàn)象，容易對生物組織造成傷害。如何降低輻照光的能量，甚至在功率較低的環(huán)境光照射下實現(xiàn)高信噪比的近紅外成像，一直是科研人員面臨的難題。

近日，復旦大學化學系張凡教授團隊開發(fā)的高亮度近紅外探針實現(xiàn)了弱光照射下的高信噪比生物成像，為以上難題的攻克提供全新思路。北京時間2024年9月13日，相關研究成果以《高亮度過渡金屬敏化的鑭系近紅外發(fā)光納米顆?！窞轭}，在《自然·光子學》(Nature Photonics)期刊在線發(fā)表，這也是復旦大學在交叉學科領域取得的又一重大成果。

張凡團隊開發(fā)了一系列尺寸均一、結構和發(fā)射波長可調(diào)的新型過渡金屬元素鉻敏化的鑭系納米發(fā)光顆粒(Cr3+-sensitized lanthanide-doped nanoparticles, CLNPs)。

團隊首次在納米尺度實現(xiàn)了過渡金屬鉻離子對于六種鑭系激活劑的敏化，發(fā)光范圍覆蓋900-1700 nm。此外，與需要激光激發(fā)的傳統(tǒng)鑭系敏化納米粒子相比，新型的CLNPs在較弱的環(huán)境光照射下即可實現(xiàn)高效近紅外發(fā)光，CLNPs的亮度比相同尺寸的傳統(tǒng)鑭系敏化納米粒子最多高出三百七十倍。

a-b，環(huán)境光照射下近紅外防偽墨水用于四色加密;c-e，手術室無影燈照射下腫瘤切除導航;f-g;口服商業(yè)化長余輝熒光粉作為“內(nèi)照射”光源的小鼠胃部與原位胃癌腫瘤的雙通道近紅外成像

不僅如此，CLNPs還可以外延生長至傳統(tǒng)鑭系敏化納米粒子表面，形成長程有序的核殼納米界面結構，三價鉻離子同樣可以通過界面能量傳遞的方式對傳統(tǒng)鑭系納米顆粒進行敏化，實現(xiàn)比較高二十倍的發(fā)光增強。這一發(fā)現(xiàn)不僅拓寬了現(xiàn)有鑭系納米顆粒的工具庫，還開啟了依靠過渡金屬敏化來實現(xiàn)鑭系納米顆粒高效發(fā)光的新領域。

基于CLNPs良好的化學穩(wěn)定性，團隊將其作為新型防偽墨水實現(xiàn)了近紅外窗口的四色加密：噴灑了防偽墨水的樹葉在肉眼下仍然保持綠色，但在近紅外相機視野中，不再需要高功率的激光，僅需環(huán)境光的照射便可以清晰地觀察到不同通道的加密信息。

不僅如此，在小鼠皮下瘤的手術切除實驗中，團隊利用CLNPs的強消光特性，僅在手術室無影燈的照射下就可實現(xiàn)近紅外手術導航。相比之下，為達到相同效果，使用傳統(tǒng)激光激發(fā)的功率需要高出十一倍。

此外，團隊還使用了口服商品化長余輝材料作為“內(nèi)照射”光源，通過選用摻雜不同鑭系激活劑的CLNPs可以實現(xiàn)小鼠不同臟器和不同病灶部位的高對比度多重成像。這一技術的應用極大地簡化了近紅外成像的使用條件，同時也拓寬了近紅外納米探針的使用范圍。

由于鉻的全球年產(chǎn)量約為所有鑭系元素總產(chǎn)量之和的150倍，基于CLNPs的發(fā)光平臺還極具高效和經(jīng)濟性。即使在極低光照條件下，CLNPs仍然具有高效發(fā)光的性質(zhì)。這一科研進展將為材料科學、分析化學、信息工程、生物光子學、生物醫(yī)學工程和醫(yī)療診斷等領域拓寬研究視野。

審核編輯 黃宇