研究背景

持續(xù)發(fā)光是一種光學過程，材料在激發(fā)停止后持續(xù)會發(fā)光幾分鐘甚至幾小時，材料發(fā)光一直吸引著研究人員，最近各種納米級的持久發(fā)光磷光體，如：ZnGa2O4:Cr 3+，等被探索，持久發(fā)光納米磷光體的延遲發(fā)射及其小的物理尺寸使其非常適合應用在光學數(shù)據(jù)存儲、醫(yī)學成像及生物領域。

與傳統(tǒng)的有機染料和量子點相比，持久發(fā)光磷光體能夠在沒有原位激發(fā)的情況下進行長期發(fā)光檢測，這會衰減自發(fā)熒光。背景噪聲的抑制大大提高了生物成像的檢測靈敏度和圖像分辨率，此外，將具有適當表面功能化的磷光體縮小到納米級可以改善膠體穩(wěn)定性和生物相容性，提高細胞靶向效率并擴大生物應用機會更重要的是，光學窗口中的光衰減和散射顯著減少，使得近紅外持久發(fā)光納米材料對深部組織成像具有吸引力。

研究結(jié)果

新加坡國立大學劉小剛等概述了改善納米磷光體合成方法及陷阱操縱的各種策略，介紹了其在生物學中應用進展及面臨的挑戰(zhàn)，提出了未來納米磷光體的研究方向。

相關工作以”Controlling persistent luminescence in nanocrystalline phosphors”為題，發(fā)表在國際頂級期刊《Nature Materials》上。?

圖文速遞

一、持續(xù)發(fā)光

?近幾十年來，科學家們研究了持久性無機磷光體中的發(fā)光并提出幾個理論模型，如：電子捕獲/放電，空穴捕獲/放電與量子隧穿，這些過程很可能在許多持久發(fā)光系統(tǒng)中共存。許多類型的晶體缺陷，如空位、間隙離子、雜質(zhì)和摻雜劑，都可以作為電子陷阱，能量轉(zhuǎn)移廣泛用于實現(xiàn)磷光體的可調(diào)諧發(fā)光，特別是近紅外（NIR）區(qū)域。對于泵浦源，紫外-可見（UV–Vis）光是持久發(fā)光磷光體最廣泛的光源，用深紅色甚至近紅外光源充電的持久發(fā)光磷光體對于生物應用是非常理想的。

二、持久發(fā)光磷光體的捕捉操縱

普遍認為固有晶格點缺陷負責電荷載流子捕獲，熒光粉中存在多種類型的缺陷（圖1a），這些缺陷稱為肖特基缺陷，隨機分布在宿主基質(zhì)中，離子也可以遷移到間隙部位，留下空位形成弗蘭克爾缺陷，當陽離子和陰離子交換位置時，在弱離子化合物中會形成反位缺陷，除了合成過程中形成的陷阱外，與外來離子共摻雜是引入陷阱的一種實用方法，此法可極大地影響持久發(fā)光。目前已經(jīng)探索了很多控制晶格缺陷的策略，如異價取代、非致密合成、鑭系離子摻雜等見圖（1b-g）。?

二、發(fā)光光譜調(diào)諧

近紅外發(fā)光熒光粉科在深部組織成像中提供無無自體熒光，提高空間分辨率?；罨瘎┻x擇、宿主變異和共摻雜長波發(fā)射器的級聯(lián)能量傳輸?shù)炔呗钥梢詰糜诘诙踔恋谌鈱W窗口的熒光粉開發(fā)，以此擴展此工具包并提高成像深度和分辨率。

活化劑選擇

過渡金屬，如Mn2+、Bi2+、Ni2+和Cr3+，通常用作活化劑以產(chǎn)生持久的紅色/NIR發(fā)光，在光譜調(diào)諧方面具有極大的靈活性（圖2a）。最近，具有Er3+、Ho3+、Nd3+或Tm3+活化劑的NaYF4納米晶體已被開發(fā)為有效的持久發(fā)光NIR納米磷光體，當用X射線充電時，它能夠以極高的信噪比進行長期生物成像和跟蹤。

宿主變異

具有4f電子被5s和5p電子屏蔽的Ln3+活化劑，由4f-4f轉(zhuǎn)變所介導的發(fā)光對晶體場的變化不敏感。由4fn-4fn-15d1轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的發(fā)光對晶體場的變化比較敏感，當宿主改變時，可能表現(xiàn)出較大的光譜偏移。

級聯(lián)能量傳遞

通過偶聯(lián)供體和受體活化劑，供體活動的能量可以有效地轉(zhuǎn)移到相鄰的受體活化劑，實現(xiàn)持續(xù)NIR發(fā)光（圖2a），采用能量轉(zhuǎn)移介導的策略開發(fā)持久發(fā)光近紅外熒光粉非常穩(wěn)妥，特別是如果能量供體可以用深紅色甚至NIR光激活，將對生物應用做出重大貢獻。

光譜復用

堿性的稀土氟化物納米晶體是X射線照射下有效持久的納米發(fā)光磷光體，受益于其在外延多殼層生長中的高可行性，多個鑭系元素活化劑可以集成到具有核-多殼層結(jié)構(gòu)的單個納米顆粒中（圖2d）。不同的活化劑可以很好地隔離在不同層中，它們之間的交叉弛豫可以極大地最小化，導致多個活化劑劑同時發(fā)出強烈的持續(xù)發(fā)光。?

發(fā)光增強

由于嚴重的表面猝滅和有限數(shù)量的發(fā)射器，持久發(fā)光磷光體，特別是納米級的磷光體通常具有低發(fā)射強度，在完全黑暗的環(huán)境中拍攝圖像通常需要幾秒的曝光時間，表面鈍化也被證明可以有效地減少表面淬火。最近，有機染料被用作天線，以提高持久發(fā)光磷光體的光收集能力。此外，通過表面等離子體共振增強局部電磁場也可以增強持久發(fā)光。

退火處理

有些熒光粉在無退火處理時表現(xiàn)出持久性發(fā)光，大多數(shù)熒光粉無退火處理后不會有余光（圖3a）。

表面鈍化

由于發(fā)射體的大部分暴露在表面，納米磷光體遭受表面淬滅，并且顯示出比其本體對應物更低的亮度，通過增加鈍化層的厚度可增強持續(xù)發(fā)光的亮度和持續(xù)時間（圖3b）。

染料敏化

染料敏化已被證明可以增強鑭系元素摻雜的上轉(zhuǎn)換納米晶體的發(fā)光，由于吸收截面較大（約10–16?cm2）的有機染料，染料敏化可以顯著提高光收集能力。盡管增強了持久發(fā)光，但對納米磷光體的染料敏化可能會在特定生物應用的表面改性中帶來額外的困難。

表面等離子共振

由于納米顆粒貴金屬的強烈光吸收和散射，表面等離子體耦合已廣泛用于光電控制。由于納米粒子中表面等離子體的限制，通過控制納米粒子的形態(tài)、化學成分和幾何結(jié)構(gòu)，共振峰可以從可見光范圍微調(diào)到近紅外范圍（圖3d）。表面等離子體可以通過兩種方式促進發(fā)光增強：（1）增強宿主晶格和活化劑的光吸收，（2）促進活化劑的輻射衰減，增強持久發(fā)光，通常使用第一種策略。?

?三、持久發(fā)光納米材料的合成

?后退火是持久發(fā)光的先決條件，不管合成方法如何，幾乎所有的磷光體都習慣性地煅燒，然而，這一概念在2015年被修正，當時超小ZnGa2O4:Cr3+納米顆粒（~6?納米）在不經(jīng)過退火的情況下表現(xiàn)出持久的、深紅色的持久發(fā)光。無退火的納米磷光體在表面功能化方面具有極大的靈活性，在生物應用中具有極大的實用性。但煅燒處理可以進一步提高其性能。

模板法

介孔二氧化硅納米球（MSN）廣泛用于制備形成均勻的發(fā)光納米材料。模型方法使藥物和光敏劑功能化，用于納米醫(yī)學中的診斷和治療。模板法可以獲得尺寸可調(diào)的單分散納米磷光體，但磷光體的總尺寸由所選模型決定，該模板通常大于100?nm且對于生物應用來說不是理想的。此外，二氧化硅納米球中的納米通道通常在低溫下退火以防止塌陷，可導致發(fā)光的有限增強。考慮到它們在高溫下的高機械穩(wěn)定性介孔金屬氧化物可以作為下一代納米模板。

共沉淀和熱分解

共沉淀和熱分解是合成金屬氧化物和氟化物納米顆粒的常用方法。這些方法合成的摻雜鑭系元素的氟化物納米顆粒在X射線激發(fā)后可以發(fā)出強烈的持續(xù)發(fā)光。通過選擇不同的鑭系元素摻雜劑，可以很好地控制從UV到NIR區(qū)域的發(fā)射帶。

脈沖激光燒蝕法

脈沖激光可以以高濃度向液體（例如，水、丙酮、乙酸乙酯）中的目標輸送大量能量，從而在目標表面上產(chǎn)生高沖擊壓力，以產(chǎn)生具有與大塊目標相同化學成分的納米顆粒。這種低成本的自上而下的方法將大塊靶減少到納米級，已經(jīng)被用于生產(chǎn)持久發(fā)光納米顆粒。

四、生物學應用

與有機染料、量子點和摻雜鑭系元素的上轉(zhuǎn)換納米晶體相比，使用持久發(fā)光納米磷光體的成像能夠完全消除生物自發(fā)熒光和光損傷。這些納米磷光體的高光穩(wěn)定性和表面功能化的靈活性促進了它們在應用中的快速發(fā)展，特別是在高靈敏度生物傳感、細胞活性的長期監(jiān)測和治療中。

持久發(fā)光納米磷光體可以儲存吸收的光能，激發(fā)終止后發(fā)光強度隨時間而變化，盡管在生物相容性和發(fā)光強度方面略遜于有機持久發(fā)光材料，，納米晶體持久發(fā)光材料在以下方面具有很大優(yōu)勢：1） 結(jié)晶納米磷光體具有高得多的光穩(wěn)定性，并且可以消除光漂白。2） 通過合理的摻雜，發(fā)射波長可以調(diào)諧到NIR-II和NIR-II范圍。3）這些納米磷光體的性能不受周圍生物化學環(huán)境影響。4）不需要混合和封裝多個組件，從而實現(xiàn)超小的物理尺寸.5）晶體納米磷光體可以通過X射線激活深度組織成像。

無自熒光生物傳感

利用近紅外光譜作為激發(fā)源，鑭系元素摻雜的上轉(zhuǎn)換納米晶體已被廣泛用于無背景生物傳感，它們的轉(zhuǎn)換效率低，需要高功率激光照明。時間門控發(fā)光檢測已被證明通過阻斷短壽命自熒光來提高靈敏度。由于發(fā)光持續(xù)數(shù)小時，時間門控技術可以應用于長壽命發(fā)光納米磷光體時間分辨光譜。如圖4a所示，小鼠的強自發(fā)熒光將顯著掩蓋來自納米磷光體的熒光信號。如果在激發(fā)停止后去除自發(fā)熒光，則具有持久發(fā)光納米磷光體的發(fā)射區(qū)域上的成像對比度可以大大增強。

長期、實時、深層組織成像

激發(fā)停止后，可以連續(xù)記錄持續(xù)的NIR發(fā)光數(shù)分鐘，并且可以在NIR刺激后重復恢復發(fā)光，從而實現(xiàn)長期數(shù)據(jù)采集，然而，當深阱中的電子耗盡時，NIR刺激不再有效。因此，為了完全消除成像的時間限制，應開發(fā)允許在多個周期內(nèi)進行現(xiàn)場充電的納米磷光體（圖4c），為此，鑭系元素離子如Yb3+/Er3+被整合到納米磷光體中，以在NIR激發(fā)下觸發(fā)生物成像的持續(xù)發(fā)光。通過口服和靜脈注射這些NIR發(fā)射納米磷光體，可以在數(shù)小時內(nèi)以高信噪比清晰地記錄納米磷光體在多個器官中的全身循環(huán)（圖4e）。

治療診斷學

深層組織無自體熒光生物成像與新興的治療技術為住院診斷和療效監(jiān)測提供了巨大的機會，合理的表面功能化賦予納米磷光體在生物介質(zhì)中具有高穩(wěn)定性、低細胞毒性和改進的靶向性。表面功能化的靈活性允許開發(fā)用于藥物加載和圖像引導化療的持久發(fā)光納米磷光體。光敏劑也可以與納米磷光體耦合以構(gòu)建納米平臺光動力療法。通過非輻射能量轉(zhuǎn)移或再吸收，集成到納米平臺中的光敏劑可以通過吸收相鄰納米磷光體的能量來激活。高NIR光子到熱轉(zhuǎn)換效率可以與持久發(fā)光納米磷光體集成，以構(gòu)建光熱治療的納米平臺。

X射線成像

X射線照射后蒽摻雜的NaLuF4納米晶體可以發(fā)光長達30天?，各種鑭系元素活化劑可用于將持續(xù)發(fā)光的顏色從藍色調(diào)整為紅色，在X射線照射下，包含特定物體結(jié)構(gòu)信息的圖案可以由這些長壽命的持久性納米磷光體賦予。當加熱時，捕獲的電荷載流子的快速釋放會產(chǎn)生持久的發(fā)光，從而允許使用數(shù)碼相機對高度彎曲的電子電路板進行成像（圖4g）。此外，鑭系元素激活的長壽命磷光體在顏色調(diào)諧中的高靈活性已在多路復用光學數(shù)據(jù)存儲中應用。?

結(jié)論與展望

盡管已經(jīng)成功地生產(chǎn)了超小納米磷光體，利用持續(xù)發(fā)光效應進行技術應用仍然存在重大挑戰(zhàn)，對于體外生物傳感來說，使用小型持久發(fā)光納米磷光體并不是必不可少的，然而，在實際成像應用中，小顆粒（<10?nm）通常用于更精確地標記細胞結(jié)構(gòu)，非常希望未來能夠制備具有大量陷阱的持久發(fā)光納米磷光體以儲存激發(fā)能量，以最小的中子輻射損耗實現(xiàn)近似統(tǒng)一光產(chǎn)量。

生物成像應用的另一個挑戰(zhàn)是低持續(xù)發(fā)光強度，激發(fā)脈沖后，單個納米熒光粉的光子通量可能會迅速下降到遠低于檢測極限，這使得活體細胞的實時跟蹤具有挑戰(zhàn)性。另外，納米磷光體利用可見光和近紅外光進行充電低效較低，除了開發(fā)具有窄帶隙的磷光體外，異質(zhì)結(jié)材料或許能作為解決辦法。持久性發(fā)光納米材料的成像應用目前僅限于小動物，在人類成像應用中僅限于皮膚下非常淺的深度，激發(fā)后持續(xù)發(fā)射的能力使這些材料在X射線有效的深部組織中具有很高的治療或光反應前景。?

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-022-01468-y.