光学成像因其及时反馈、高灵敏度和高分辨率的显著特性，在医疗健康、环境检测和信息加密等诸多领域具有不可替代的重要地位。近红外光是一种人眼不可见的光，相对于可见光（400-700nm）而言，生物组织在近红外窗口（700-1700 nm）对光的吸收与散射较小，所以发射近红外光的探针在加密通讯和生物活体成像等领域具有天然优势。
然而，传统的近红外探针通常需要在能量较高的激光照射下才能发光，过高的照射功率不可避免地会造成背景的干扰，从而影响成像的信噪比和分辨率。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。如何降低辐照光的能量，甚至在功率较低的环境光照射下实现高信噪比的近红外成像，一直是科研人员面临的难题。
近日，复旦大学化学系张凡教授团队开发的高亮度近红外探针实现了弱光照射下的高信噪比生物成像，为以上难题的攻克提供全新思路。北京时间2024年9月13日，相关研究成果以《高亮度过渡金属敏化的镧系近红外发光纳米颗粒》（High-brightness transition metal sensitized lanthanide near-infrared luminescent nanoparticles）为题，在《自然·光子学》（Nature Photonics）期刊在线发表，这也是复旦大学在交叉学科领域取得的又一重大成果。
开发高亮度过渡金属敏化的镧系近红外发光纳米颗粒
近年来，纳米尺寸的发光材料在微纳加工、信息加密以及生物医学领域发挥了重要作用。镧系发光纳米颗粒的结构具有原子级别的可调性和界面能量传递的特性，因此在发光波长调节和斯托克斯位移调控等方面更加丰富了发光材料的性能。
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激发光能量的吸收和转换效率。
由于传统镧系敏化剂吸收截面较低，通常需要较高功率的激光才可以点亮。因此，如何在低功率条件下特别是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）。
作为人体必需的微量元素，三价铬离子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的十四倍，对激发光具有更强的吸收能力。该研究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普适性这一重要科学发现。
图1：a，传统镧系敏化剂(i)与过渡金属敏化剂(ii)对于激活剂能量传输的发光机理；b，铬离子和镱离子摩尔消光系数对比；c，CLNPs:Er的形貌表征；d，CLNPs的光学表征。
不仅如此，CLNPs还可以外延生长至传统镧系敏化纳米粒子表面，形成长程有序的核壳纳米界面结构，三价铬离子同样可以通过界面能量传递的方式对传统镧系纳米颗粒进行敏化，实现最高二十倍的发光增强。这一发现不仅拓宽了现有镧系纳米颗粒的工具库，还开启了依靠过渡金属敏化来实现镧系纳米颗粒高效发光的新领域。
图2：a-b，环境光照射下近红外防伪墨水用于四色加密；c-e，手术室无影灯照射下肿瘤切除导航；f-g；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。
简化近红外成像的使用条件，拓宽近红外纳米探针的使用范围
基于CLNPs良好的化学稳定性，团队将其作为新型防伪墨水实现了近红外窗口的四色加密：喷洒了防伪墨水的树叶在肉眼下仍然保持绿色，但在近红外相机视野中，不再需要高功率的激光，仅需环境光的照射便可以清晰地观察到不同通道的加密信息。
不仅如此，在小鼠皮下瘤的手术切除实验中，团队利用CLNPs的强消光特性，仅在手术室无影灯的照射下就可实现近红外手术导航。相比之下，为达到相同效果，使用传统激光激发的功率需要高出十一倍。
此外，团队还使用了口服商品化长余辉材料作为“内照射”光源，通过选用掺杂不同镧系激活剂的CLNPs可以实现小鼠不同脏器和不同病灶部位的高对比度多重成像。这一技术的应用极大地简化了近红外成像的使用条件，同时也拓宽了近红外纳米探针的使用范围。
由于铬的全球年产量约为所有镧系元素总产量之和的150倍，基于CLNPs的发光平台还极具高效和经济性。即使在极低光照条件下，CLNPs仍然具有高效发光的性质。这一科研进展将为材料科学、分析化学、信息工程、生物光子学、生物医学工程和医疗诊断等领域拓宽研究视野。
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、聚合物分子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。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-024-01517-9
