创新过渡金属提升近红外发光器件亮度达370倍！

【研究背景】

近红外（NIR）发光材料是光通信、激光源和生物成像等领域的重要研究对象，因其在这些应用中的广泛前景，成为了研究热点。然而，传统镧系掺杂纳米颗粒的敏化剂通常具有较低的摩尔消光系数，这限制了其在低功率激发场景下的亮度表现，成为应用推广的主要挑战。

有鉴于此，复旦大学化学系张凡教授课题组提出了利用过渡金属铬（Cr3+）作为新的敏化剂的策略，开发出具有高亮度近红外发光的新型纳米颗粒Na3CrF6。研究发现，Cr3+的摩尔消光系数远高于传统镧系敏化剂，使其能显著提高光收集效率。通过将Na3CrF6作为敏化剂和主机，科学家们成功提升了镧系掺杂纳米颗粒的亮度，最高可达传统材料的370倍。此外，该策略也适用于其他低成本过渡金属（如Mn2+和Ni2+）掺杂的镧系纳米颗粒，扩展了这些材料的应用范围。该研究为开发高信噪比、低功率激发的近红外发光系统提供了新的思路，具有广泛的应用潜力。

【研究亮点】

1. 实验首次：引入了Na3CrF6作为既是敏化剂又是主机的晶体纳米颗粒，用于提高镧系元素（如Er3+、Tm3+、Yb3+、Nd3+）的近红外发射亮度。这种新型的Na3CrF6:X纳米颗粒（X为镧系激活剂）展示了其作为高亮度近红外发射材料的潜力。

2. 实验通过：

• 使用Na3CrF6：该材料的摩尔消光系数显著高于传统镧系敏化剂（如Yb3+），使得Na3CrF6:X纳米颗粒的亮度比最强的传统镧系敏化纳米颗粒高出多达280倍。通过在Na3CrF6:X核上外延生长Na3CrF6壳，亮度进一步提高了370倍。

• 验证了：这种新型的敏化系统也适用于其他掺低成本过渡金属（如Mn2+或Ni2+）的镧系纳米颗粒。与传统的镧系敏化纳米颗粒相比，Na3CrF6:X纳米颗粒可以在低功率激发源（如白光发光二极管或持续发光材料）下实现有效的NIR发光。相比之下，传统的纳米颗粒需要激光激发才能达到相同的发光强度，这表明Na3CrF6:X纳米颗粒在低照度应用中表现出更高的亮度和信噪比。

【图文解读】

图1： Na3CrF6:X性质表征。

图2. Na3CrF6: X 增敏机理的光谱证据。

图3. 过渡金属敏化稀土杂化纳米结构及其组成的控制。

图 4 CLNP 用于多路加密和生物成像。

图 5 以商业化余辉荧光粉为内激发源的无创双通道高对比度生物显像。

【结论展望】

本文揭示了过渡金属敏化剂在提高近红外（NIR）发光纳米颗粒亮度方面的巨大潜力。传统镧系元素敏化剂由于其低摩尔消光系数，往往需要高功率激光才能实现显著的NIR发光，这限制了其在低功率激发场景中的应用。本文通过引入具有高摩尔消光系数的Cr3+作为敏化剂，成功解决了这一问题，并显著提升了Na3CrF6基纳米颗粒的亮度，达到了传统镧系敏化纳米颗粒的370倍。这一创新不仅扩展了镧系纳米颗粒的应用范围，还使其在低功率激发下，如白光发光二极管（WLED）或持续发光材料下，能够实现高效发光。此外，这项研究还为开发高信噪比的生物成像和标记技术提供了新的方向，尤其是在低照度条件下的应用。这一发现提示我们，通过选择适当的敏化剂和优化纳米颗粒的结构，可以显著提升光学性能，从而推动近红外发光材料在实际应用中的广泛使用。

原文详情：Ming, J., Chen, Y., Miao, H. et al. High-brightness transition metal-sensitized lanthanide near-infrared luminescent nanoparticles. Nat. Photon. (2024). https://doi.org/10.1038/s41566-024-01517-9