a，傳統鑭系敏化劑 ( i ) 與過渡金屬敏化劑 ( ii ) 對于激活劑能量傳輸的發光機理;b，鉻離子和鐿離子摩爾消光系數對比;c，CLNPs:Er 的形貌表征;d，CLNPs 的光學表征

光學成像因其及時反饋、高靈敏度和高分辨率的顯著特性，在醫療健康、環境檢測等諸多領域具有不可替代的重要地位。近紅外光是一種人眼不可見的光，相對于可見光(400-700 nm)而言，生物組織在近紅外窗口(700-1700 nm)對光的吸收與散射較小，所以發射近紅外光的探針在加密通訊和生物活體成像等領域具有天然優勢。

然而，傳統的近紅外探針通常需要在能量較高的激光照射下才能發光，過高的照射功率不可避免地會造成背景的干擾，從而影響成像的信噪比和分辨率。此外，外部激光的輻照往往會造成潛在的過熱現象，容易對生物組織造成傷害。如何降低輻照光的能量，甚至在功率較低的環境光照射下實現高信噪比的近紅外成像，一直是科研人員面臨的難題。

近日，復旦大學化學系張凡教授團隊開發的高亮度近紅外探針實現了弱光照射下的高信噪比生物成像，為以上難題的攻克提供全新思路。北京時間2024年9月13日，相關研究成果以《高亮度過渡金屬敏化的鑭系近紅外發光納米顆粒》為題，在《自然·光子學》(Nature Photonics)期刊在線發表，這也是復旦大學在交叉學科領域取得的又一重大成果。

張凡團隊開發了一系列尺寸均一、結構和發射波長可調的新型過渡金屬元素鉻敏化的鑭系納米發光顆粒(Cr3+-sensitized lanthanide-doped nanoparticles, CLNPs)。

團隊首次在納米尺度實現了過渡金屬鉻離子對于六種鑭系激活劑的敏化，發光范圍覆蓋900-1700 nm。此外，與需要激光激發的傳統鑭系敏化納米粒子相比，新型的CLNPs在較弱的環境光照射下即可實現高效近紅外發光，CLNPs的亮度比相同尺寸的傳統鑭系敏化納米粒子最多高出三百七十倍。

a-b，環境光照射下近紅外防偽墨水用于四色加密;c-e，手術室無影燈照射下腫瘤切除導航;f-g;口服商業化長余輝熒光粉作為“內照射”光源的小鼠胃部與原位胃癌腫瘤的雙通道近紅外成像

不僅如此，CLNPs還可以外延生長至傳統鑭系敏化納米粒子表面，形成長程有序的核殼納米界面結構，三價鉻離子同樣可以通過界面能量傳遞的方式對傳統鑭系納米顆粒進行敏化，實現比較高二十倍的發光增強。這一發現不僅拓寬了現有鑭系納米顆粒的工具庫，還開啟了依靠過渡金屬敏化來實現鑭系納米顆粒高效發光的新領域。

基于CLNPs良好的化學穩定性，團隊將其作為新型防偽墨水實現了近紅外窗口的四色加密：噴灑了防偽墨水的樹葉在肉眼下仍然保持綠色，但在近紅外相機視野中，不再需要高功率的激光，僅需環境光的照射便可以清晰地觀察到不同通道的加密信息。

不僅如此，在小鼠皮下瘤的手術切除實驗中，團隊利用CLNPs的強消光特性，僅在手術室無影燈的照射下就可實現近紅外手術導航。相比之下，為達到相同效果，使用傳統激光激發的功率需要高出十一倍。

此外，團隊還使用了口服商品化長余輝材料作為“內照射”光源，通過選用摻雜不同鑭系激活劑的CLNPs可以實現小鼠不同臟器和不同病灶部位的高對比度多重成像。這一技術的應用極大地簡化了近紅外成像的使用條件，同時也拓寬了近紅外納米探針的使用范圍。

由于鉻的全球年產量約為所有鑭系元素總產量之和的150倍，基于CLNPs的發光平臺還極具高效和經濟性。即使在極低光照條件下，CLNPs仍然具有高效發光的性質。這一科研進展將為材料科學、分析化學、信息工程、生物光子學、生物醫學工程和醫療診斷等領域拓寬研究視野。

審核編輯 黃宇