一、研究背景

在過去的十年中，短波紅外（SWIR）熒光（1000-2000 nm）已成為生物醫(yī)學領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)下一代成像技術(shù)的一條大有可為的途徑。由于散射損耗大大降低，自發(fā)熒光接近零，因此 SWIR 發(fā)射器可顯著提高空間分辨率、對比度、信噪比和穿透深度。這有可能實現(xiàn)一些重要應(yīng)用，如以單細胞靈敏度實時跟蹤活體健康/患病組織的代謝過程，或改進臨床診斷和醫(yī)療實踐（如術(shù)前成像、圖像引導手術(shù)）。

迄今為止，已有多種材料被認為是 SWIR 區(qū)域成像的潛在探針，包括小有機分子、單壁碳納米管、半導體量子點和基于稀土 (RE) 的納米晶體 (NC)。盡管如此，目前的SWIR材料仍然存在一些缺點，包括光致發(fā)光量子產(chǎn)率（PLQY）低、毒性問題和發(fā)射波長有限，這些缺點在考慮生物醫(yī)學應(yīng)用時可能會造成障礙。

基于 RE 的NCs最近被認為是有希望用于 SWIR 成像的候選材料，它們沒有光漂白、發(fā)光壽命長（例如用于時間門控成像）、Stokes位移大、以窄發(fā)射帶寬整體覆蓋 SWIR 區(qū)域，而且長期細胞毒性低。不過，這類材料的 PLQY 相對較低，吸收截面也很低，因此亮度較差。因此，一個主要的不利后果是，與其他材料（如吲哚菁綠或量子點）相比，要獲得類似或更好的成像效果，仍需注入大劑量的基于 RE 的 NCs。合成基于 RE 的高效 SWIR 發(fā)射NCs的另一個限制因素是，人們對核-殼界面的實際原子尺度組織了解有限，缺乏控制，從而導致能量遷移途徑失控。事實上，在過去的幾年里，有令人信服的實驗證據(jù)表明，在合成靶向核殼RE基NCs的過程中存在陽離子混合。這種現(xiàn)象會極大地改變粒子內(nèi)的能量遷移路徑，直接影響到重要的光學特性，如 PLQY。

二、研究成果

在本研究中，德國卡爾斯魯厄理工學院Damien Hudry團隊研究了由完全相同的NCs（α-NaYF4:Yb:Er，不摻雜或摻雜 Ce3+）結(jié)合同質(zhì)（α-NaYF4）或異質(zhì)（CaF2）殼域相制備的預期核殼結(jié)構(gòu)的原子尺度組織和光學性能。使用均相殼域會導致嚴重的陽離子混雜（形成合金），而使用異相殼域則會導致相分離（真正的核殼結(jié)構(gòu)）。合成的納米結(jié)構(gòu)在原子尺度組織上的這種大規(guī)模細化顯著地促進了降頻（980→1530 nm）PLQY，在 60 mW/cm2?條件下，15 nm 以下 NC 的 PLQY 達到 50%。根據(jù)國際非電離輻射防護委員會的指導方針，后者比皮膚暴露極限（980 nm時為 730 mW/cm2）低一個數(shù)量級。由于在不久的將來，SWIR 成像將成為臨床前和臨床成像的基石，因此本文報告的結(jié)果為基于RE的高效SWIR發(fā)射材料的出現(xiàn)帶來了范式轉(zhuǎn)變。相關(guān)研究工作以“Preventing cation intermixing enables 50% quantum yield in sub-15 nm short-wave infrared-emitting rare-earth based core-shell nanocrystals”為題發(fā)表在國際頂級期刊《Nature Communications》上。祝賀！

三、圖文速遞

采用熱分解法合成了一批獨特的立方體（圖 1a）α-NaYF4:Yb:Er（Y：50 at.%，Yb：45 at.%，Er：5 at.%）核心NCs。高角度環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）證實形成了10 nm以下各向同性的球形顆粒（圖 1b）。相應(yīng)的尺寸分布直方圖顯示，尺寸為 6.0±1.2 nm 和 9.2±1.0 nm 的兩個群體共存（圖 1c）。通過粉末X射線衍射 (PXRD) 檢驗了合成核心 NCs 的晶體結(jié)構(gòu)。Rietveld細化證實了純立方相的形成，沒有任何次生相的痕跡（圖 1d）。低劑量高分辨率HAADF-STEM圖像證實核心NCs是單晶體（圖 1e）。積分微分相位對比度（iDPC）-STEM 圖像（圖 1f）可使輕原子（F 原子）和重原子（RE 原子）的原子柱一起可視化。

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為了確定化學元素的空間分布，他們獲取了不同化學元素的能量色散 X 射線光譜圖（圖 3）。陰離子（F）網(wǎng)絡(luò)對所有核殼結(jié)構(gòu)域都是相同的，與之相反，各種陽離子的空間分布可用于確定是否可能形成預期的核殼結(jié)構(gòu)。正如預期的那樣，在生長均質(zhì)殼域時，Y 分布在顆粒的整個體積中（圖 3c），而在異質(zhì)殼域時，Y 則更加局部化（圖 3d）。

有趣的是，相應(yīng)的映射顯示了均質(zhì)殼域和異質(zhì)殼域之間的巨大差異。事實上，在前一種情況下，Yb在顆粒的整個體積內(nèi)被空間稀釋（圖 3e），而在后一種情況下，Yb被很好地限制并集中在顆粒有限的中心區(qū)域（圖 3f）。Y/Yb（圖 3g）或 Yb/Ca（圖 3h）化學圖之間的相應(yīng)疊加復合圖清楚地表明，只有在異質(zhì)結(jié)構(gòu)的情況下，才有可能出現(xiàn)預期的核殼結(jié)構(gòu)（在報告的實驗條件下）。

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四、結(jié)論與展望

他們的研究強調(diào)了異質(zhì)結(jié)構(gòu)比同質(zhì)結(jié)構(gòu)在防止陽離子混合方面的主要優(yōu)勢。這使得能夠合成真正的核殼結(jié)構(gòu)（而不是無序合金），從而在符合體內(nèi)應(yīng)用兼容的尺寸范圍內(nèi)最大限度地提高它們的SWIR性能。在異質(zhì)NCs中，不同結(jié)構(gòu)域之間的陽離子混合可以避免，這極大地影響了光活性中心的真實局部濃度，而要精確測量這一濃度并非易事。其直接后果是，主要通過同質(zhì)NCs確定的敏化劑、活化劑和光活性元素的最佳濃度，可能不再適用于異質(zhì)NCs。同樣，防止發(fā)光表面猝滅的惰性外殼的最佳厚度也應(yīng)重新評估。這也許可以解釋為什么最近發(fā)表的用于SWIR成像的異質(zhì)結(jié)構(gòu)盡管使用了異質(zhì)結(jié)構(gòu)，卻沒有達到與本文中報告的類似性能。Yan 及其合作者十年前開創(chuàng)的合成策略應(yīng)被認真考慮，將其作為增強無機NC中RE元素光致發(fā)光特性的一條有前途的途徑。雖然CaF2提供了有趣的可能性，但它只是在眾多潛在組合中進行測試的一種組合。這些異質(zhì)結(jié)構(gòu)仍然占已報道的基于RE的核殼NCs的不到10%，構(gòu)成了新一代具有良好控制的原子尺度組織的高效SWIR發(fā)射體出現(xiàn)的重要范式轉(zhuǎn)變。雖然對RE元素濃度和惰性殼厚度的優(yōu)化可能很有意義，但作者認為，如果不探索真正具有顛覆性的核殼、分段或二聚體異質(zhì)結(jié)構(gòu)，改進的空間很可能微乎其微。后者為改變不同納米尺寸子域之間的陽離子和/或陰離子網(wǎng)絡(luò)提供了獨特的可能性。這將使他們有能力把材料組合成基于功能性RE的結(jié)構(gòu)，而目前還沒有與之對應(yīng)的材料。這種性能的協(xié)同耦合可能是顯著提高納米材料的RE光致發(fā)光性能的關(guān)鍵。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-40031-4