热点应用 | 复旦张凡Nature Photonics高亮度近红外探针实现环境光照射下的生物成像

针对以上难题，复旦大学张凡教授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）。该研究成果发表于三价铬离子作为人体必需的微量元素，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，使其对激发光具有更强的收集能力。而本项目所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的普适性这一重要科学发现。

 

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，形成长程有序的界面结构，同样可以通过界面能量传递的方式对传统镧系纳米晶体进行敏化，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晶体的工具库，还开启了依靠过渡金属敏化来实现镧系纳米晶体高效发光的新领域。

 

团队基于CLNPs良好的化学稳定性，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。