陈学元团队：染料三重态敏化稀土上转换发光纳米探针研究取得新进展

jiasu2009

近年来，稀土离子掺杂的上转换发光纳米晶在防伪、光催化和生物标记等方面表现出优异的应用潜力。经过不懈努力，国内外科学家在稀土掺杂上转换发光纳米晶的可控合成、发光机理和应用等方面均取得了一系列重要成果。然而，稀土离子固有的吸收截面小和发光强度弱等问题仍然阻碍了这一类上转换发光材料的进一步应用。
　　针对这一难题，中科院功能纳米结构设计与组装/福建省纳米材料重点实验室陈学元团队近期提出了一个新颖的策略，即利用CsLu2F7:Yb/Er纳米晶基质中的重原子效应，实现了IR808染料三重态敏化稀土离子的高效上转换发光；进而基于IR808修饰CsLu2F7:Yb/Er纳米探针的808-nm/980-nm双激发比率型荧光信号，实现了对HeLa癌细胞中次氯酸根的灵敏检测（图1）。

图1、IR808修饰CsLu2F7:Yb/Er纳米探针的上转换发光机理及其生物检测应用示意图。

　　团队利用CsLu2F7:Yb/Er纳米晶中铯元素和镥元素的重原子效应，使得修饰在纳米晶表面的IR808染料从单重激发态（S1）到三重激发态（T1）的系间窜越效率（ISC）达到了99.3%，并通过飞秒瞬态吸收光谱和低温时间分辨光谱对其高效系间窜越机理进行了系统的分析。同时，得益于IR808三重激发态和Yb3+之间的有效能量传递，CsLu2F7:Yb/Er纳米晶中Er3+离子的上转换发光强度和量子产率都得到了极大的提升。特别地，IR808修饰CsLu2F7:Yb/Er纳米晶的上转换发光强度相比于无染料修饰的CsLu2F7:Yb/Er纳米晶提高了1309倍，其发光增强倍数也比相同条件下的IR808修饰NaYF4:Yb/Er纳米晶提高了一个数量级（图2）。

　　图2、（a）IR808染料在820 nm处的瞬态吸收光谱；（b）IR808修饰在Na1-xCsxY1-yLuyF4系列纳米晶表面的ISC效率；（c）在808 nm激发时，游离IR808、修饰在CsLu2F7和CsLu2F7:Yb纳米晶表面的IR808的低温时间分辨发射光谱；（d）IR808修饰CsLu2F7:Yb/Er纳米晶的上转换发射光谱；（e）不同功率密度激光激发下的绝对量子产率和（f）上转换发光增强倍数。

　　进一步地，团队基于IR808修饰的CsLu2F7:Yb/Er纳米晶，构建了808-nm/980-nm双激发比率型荧光探针，其中808nm和980 nm激发的上转换发光分别作为检测信号和自校准信号，实现了对次氯酸根的特异性检测，检测极限可低至65.3 nM。在HeLa癌细胞中，利用808-nm/980-nm双激发的共聚焦上转换荧光成像，实现了对细胞内次氯酸根的高灵敏检测（图3）。

图3、（a）基于IR808修饰CsLu2F7:Yb/Er上转换纳米探针的次氯酸根检测示意图；（b）IR808 修饰CsLu2F7纳米探针与加入不同浓度次氯酸根的HeLa癌细胞孵育后的共聚焦图像；（c）808nm和980nm激发的上转换发光积分强度和（d）相应的积分强度比值。

　　该工作为设计高效有机染料三重态敏化稀土掺杂纳米荧光探针提供了一种方便普适的方法，将极大地促进稀土上转换发光纳米探针在生物医学领域的临床应用，如肿瘤早期诊断及荧光成像手术导航等。相关结果以研究论文形式发表在《德国应用化学》杂志（Angew. Chem. Int. Ed.2022,61, e202112125），第一作者是物构所/福州大学联培硕士研究生张鹏，通讯作者是涂大涛研究员和陈学元研究员。该研究得到了科技部国家重点研发专项以及国家自然科学基金等项目的支持。
　　此前，陈学元团队在稀土纳米荧光探针的设计、合成及应用中已取得了一系列重要进展。例如，设计了一种中空核壳结构的多功能稀土纳米荧光生物探针（Angew. Chem. Int. Ed.2015, 54, 7915-7919）；开发了用于肿瘤靶向发光示踪的氧化石墨烯修饰稀土纳米探针（Angew. Chem. Int. Ed.2019, 58, 18981-18986）；基于稀土纳米探针实现全血中循环肿瘤细胞直接检测（Angew. Chem. Int. Ed.2019, 58, 12195-12199）；通过稀土纳米荧光探针实现了唾液中肿瘤标志物即时检测（Adv. Sci.2021, 8, 2002657）；发展了基于稀土上转换纳米平台的光动力联合溶菌酶抗菌疗法（Angew. Chem. Int. Ed.2021,60, 19201-19206）。
　　文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202112125
      
       文章来源：福建物构所
       陈学元，男，籍贯福建建瓯，研究员，博士生导师。1993年毕业于中国科技大学材料科学与工程系，1998年获中科院福建物质结构研究所物理化学专业理学博士学位。2001-2005年在美国能源部阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）化学部从事博士后研究。2005年入选中国科学院"百人计划"回国工作。2013年获得国家杰出青年科学基金。入选国务院政府特殊津贴专家（2014），首批福建省科技创新领军人才（2014），科技部中青年科技创新领军人才（2014），国家“万人计划”科技创新领军人才（2016），福建省第五批引进高层次创业创新人才（2017）。近年来致力于发光材料电子结构与性能研究，在无机发光材料控制合成、电子结构、光学性能及应用取得重要进展，已在Nature Photonics, Nature Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等刊物发表SCI论文140多篇，被他人引用六千多次，15篇论文入选近十年化学、材料和物理领域ESI高被引频次论文（top 1%）；出版《稀土纳米发光材料：从基础到生物应用》等Springer英文专著2部，专章6篇；申请国内外发明专利34项（授权19项）。系列研究成果分别入选年度 “中国光学重要成果” （2010，2011，2013，2014，2016）和 “中国稀土十大科技新闻”（2011，2014，2015，2016）。