撰稿：孫麗寧

| 編者按|

近日，上海大學(xué)化學(xué)系孫麗寧教授團(tuán)隊(duì)在《發(fā)光學(xué)報(bào)》發(fā)表了題為“用作近紅外光引導(dǎo)的化學(xué)-光熱協(xié)同治療的上轉(zhuǎn)換-鉍納米診療劑”的論文。該工作設(shè)計(jì)并合成了一種用于近紅外光驅(qū)動(dòng)的化學(xué)-光熱治療的上轉(zhuǎn)換-鉍納米體系診療劑，其具有出色的光熱轉(zhuǎn)換能力和良好的生物相容性，有望用于上轉(zhuǎn)換發(fā)光成像和X射線計(jì)算機(jī)斷層成像，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)雙模成像介導(dǎo)且單一近紅外光激發(fā)的癌癥化學(xué)療法和光熱療法。

為使廣大同仁了解孫麗寧教授團(tuán)隊(duì)近年來在稀土發(fā)光納米材料及其生物、信息安全應(yīng)用探索研究等領(lǐng)域的相關(guān)工作，團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)編者邀請(qǐng)撰寫了本篇報(bào)道。

1. 導(dǎo)讀

稀土元素得益于其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，發(fā)射涵蓋了從紫外區(qū)到近紅外區(qū)的光譜區(qū)域。稀土摻雜納米晶體因具有高的光、化學(xué)穩(wěn)定性、長發(fā)光壽命(μs-ms)、窄發(fā)射帶、以及低毒性等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有前途的發(fā)光材料之一。稀土納米晶在摻雜具有豐富能級(jí)的稀土離子后能夠產(chǎn)生多種波長發(fā)射，然而控制稀土離子的多模式發(fā)射仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。多模式發(fā)射材料可以在不同的發(fā)射模式下對(duì)多個(gè)信息進(jìn)行加密，并創(chuàng)建多重的編碼能力，因此顯示出更高級(jí)的安全性。

上海大學(xué)孫麗寧教授團(tuán)隊(duì)通過多年稀土發(fā)光領(lǐng)域的研究積累，提出通過控制能量遷移路徑以實(shí)現(xiàn)可調(diào)制的上轉(zhuǎn)換/下轉(zhuǎn)移多模發(fā)射概念，設(shè)計(jì)制備了一系列在不同光波長激發(fā)下，產(chǎn)生可調(diào)的上轉(zhuǎn)換發(fā)光和下轉(zhuǎn)移發(fā)光的Er3?基核-殼結(jié)構(gòu)納米晶體；并與深度學(xué)習(xí)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了豬肉組織下的信息解碼。開發(fā)了多激勵(lì)響應(yīng)和多模發(fā)射特性的核-殼-殼稀土納米結(jié)構(gòu)，通過Er3?自激發(fā)和Ce3?敏化機(jī)制，在1532，980，254 nm的激發(fā)下，可以在同一納米晶體中實(shí)現(xiàn)斯托克斯發(fā)光和反斯托克斯發(fā)光，這種獨(dú)特的多模發(fā)射稀土納米晶體被成功應(yīng)用于多維信息編碼，表現(xiàn)出高水平的信息編碼能力和安全性。

此外，孫麗寧教授團(tuán)隊(duì)還提出了通過陽離子交換在上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米粒子外層生長EuSe半導(dǎo)體的方法，所得異質(zhì)結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合物能夠在紫外光與近紅外光激發(fā)下分別發(fā)射出可見光，這為稀土摻雜納米材料用于光學(xué)防偽與信息存儲(chǔ)應(yīng)用提供了嶄新的思路。

2. 研究進(jìn)展

調(diào)制熒光材料的發(fā)射波長一直是發(fā)光領(lǐng)域的前沿技術(shù)之一，但目前報(bào)道的納米晶體大多摻雜了兩種或多種單獨(dú)的活化劑離子產(chǎn)生正交發(fā)射，且發(fā)射波長的調(diào)制范圍主要集中在可見光區(qū)域，很少涉及到第二近紅外窗口（NIR-Ⅱ, 900～1 700 nm）因此，開發(fā)可調(diào)制NIR-Ⅱ多模式發(fā)射的稀土摻雜納米晶將大大提高其多功能生物應(yīng)用的潛力。

孫麗寧教授團(tuán)隊(duì)提出通過控制能量遷移路徑以實(shí)現(xiàn)可調(diào)制的上轉(zhuǎn)換/下轉(zhuǎn)移多模發(fā)射概念，設(shè)計(jì)制備的Er3?基核-殼-殼納米晶能響應(yīng)980 nm、808 nm 或 1535 nm三種不同的激發(fā)光，且根據(jù)激發(fā)波長的不同表現(xiàn)出兩種發(fā)光模式：980 nm 激發(fā)下為紅色主導(dǎo)的上轉(zhuǎn)換發(fā)射/弱NIR-Ⅱ發(fā)射，808 nm 激發(fā)下為以綠色為主的上轉(zhuǎn)換發(fā)射/強(qiáng)NIR-Ⅱ發(fā)射。這些具有獨(dú)特光學(xué)特性的納米晶不僅可以應(yīng)用在信息安全領(lǐng)域，而且與深度學(xué)習(xí)相結(jié)合，能輕松實(shí)現(xiàn)豬肉組織中可見光信息的存儲(chǔ)及解碼（圖1）。該工作不僅為調(diào)控稀土發(fā)光提出了新的研究方案，而且為開發(fā)用于尖端應(yīng)用的智能發(fā)光材料帶來了嶄新的研究思路（相關(guān)結(jié)果發(fā)表于Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60：23790-23796）。

圖1：Er3?基多模發(fā)射納米晶用于信息安全應(yīng)用研究（不同激發(fā)波長激發(fā)，得到的摩斯密碼顯示SHU：上海大學(xué)的英文簡稱）及與深度學(xué)習(xí)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了豬肉組織中可見光信息的存儲(chǔ)及解碼

最近，孫麗寧教授團(tuán)隊(duì)還提出了一種新組分的多模發(fā)射稀土納米晶，通過Er3?離子和Ce3?離子的敏化機(jī)制實(shí)現(xiàn)了一系列稀土納米晶的上轉(zhuǎn)換和下轉(zhuǎn)移多模發(fā)射。在設(shè)計(jì)中，NaGdF?的核心結(jié)構(gòu)中摻雜了Ce3?和Yb3?離子作為敏化劑，內(nèi)殼層中選擇了Eu3?和Er3?離子作為激活劑，而惰性的NaYF?作為外層殼。核殼殼納米晶中摻雜的Yb3?和Er3?離子可以使材料在980 nm和1532 nm激發(fā)下產(chǎn)生Er3?的上轉(zhuǎn)換發(fā)光，而Ce3?、Gd3?和Eu3?離子用于實(shí)現(xiàn)在254 nm激發(fā)下的Eu3?離子下轉(zhuǎn)移發(fā)射。

值得注意的是，內(nèi)層Eu3?的紅色下轉(zhuǎn)移發(fā)射是通過Ce3?吸收254 nm紫外光后，通過Gd3?離子輔助的能量轉(zhuǎn)移和界面能量轉(zhuǎn)移過程，將能量轉(zhuǎn)移到Eu3?離子進(jìn)行發(fā)光。而內(nèi)殼層中Er3?離子是接受Yb3?捕獲的能量后進(jìn)行上轉(zhuǎn)換發(fā)光。此外，Er3?還可以吸收1532 nm的激發(fā)光，并通過自敏化發(fā)出綠色上轉(zhuǎn)換發(fā)光。隨后，將這組獨(dú)特的多模發(fā)射納米晶體設(shè)計(jì)成光學(xué)模塊，成功應(yīng)用于多維信息存儲(chǔ)（圖2），展示了高水平的信息編碼能力和安全性。該結(jié)果發(fā)表于亞洲化學(xué)Special Collection: 100th Anniversary of Shanghai University-Chemistry，慶祝上海大學(xué)成立100周年（1922-2022），Chemistry - An Asian Journal, 2022, e202200537。

圖2：用于實(shí)現(xiàn)Ce-Er誘導(dǎo)的可調(diào)多模發(fā)射的核殼殼納米結(jié)構(gòu)示意圖，及同一發(fā)光陣列分別在980 nm(SHU)、254 nm(100)和1532 nm(CHI)照射下的照片

用于光學(xué)信息存儲(chǔ)的傳統(tǒng)單模式發(fā)光材料存在信息存儲(chǔ)容量小等缺點(diǎn)，這促使人們迫切需要開發(fā)出更先進(jìn)的發(fā)光材料作為信息載體。因此，孫麗寧教授團(tuán)隊(duì)提出了一種通過陽離子交換在稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米粒子外層生長EuSe半導(dǎo)體的方法。通常，當(dāng)兩種材料的晶格失配較大時(shí)外延生長是困難的，但在該工作中Eu3?離子和其他稀土陽離子交換可以促進(jìn)緩沖層的形成，減小了晶格失配度，從而促進(jìn)了EuSe的異質(zhì)外延生長。

這項(xiàng)工作巧妙地運(yùn)用了陽離子交換法，構(gòu)建了基于稀土上轉(zhuǎn)換納米顆粒和EuSe半導(dǎo)體的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合物。該納米復(fù)合物能夠在紫外光、連續(xù)近紅外光以及脈沖近紅外光的激發(fā)下發(fā)射出多色熒光，基于多重可調(diào)控發(fā)光的優(yōu)勢，該納米復(fù)合物被設(shè)計(jì)為加載光學(xué)信息的光學(xué)模塊，實(shí)現(xiàn)了信息的多維存儲(chǔ)（圖3）。該工作為稀土發(fā)光材料用于光學(xué)防偽與信息存儲(chǔ)應(yīng)用提供了嶄新的思路（相關(guān)結(jié)果發(fā)表于Light: Science & Applications, 2022, 11：150.）。

圖3：納米復(fù)合材料的制備及利用其光學(xué)模塊的有序組裝實(shí)現(xiàn)信息負(fù)載與讀取

基于稀土摻雜發(fā)光納米晶的功能納米材料作為新興的納米診斷-治療劑，有望實(shí)現(xiàn)腫瘤的多模式成像診斷和高效治療。最近孫麗寧教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并合成了一種用于近紅外光驅(qū)動(dòng)的化學(xué)-光熱治療的上轉(zhuǎn)換-鉍納米體系診療劑（UBDAs），其具有出色的光熱轉(zhuǎn)換能力和良好的生物相容性。同時(shí)，在980 nm近紅外光的激發(fā)下，UBDAs能夠發(fā)射紫外/可見光，用于促進(jìn)光敏劑偶氮苯在介孔中的連續(xù)旋轉(zhuǎn)-翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)藥物的可控釋放，且利用近紅外光激發(fā)能夠有效避免傳統(tǒng)紫外光對(duì)生物組織的副作用。光熱實(shí)驗(yàn)表明，UBDAs雜化納米體系在980 nm激光照射下具有良好的光熱效應(yīng)。此外，含有Tm3?和Bi元素的UBDAs有望用于上轉(zhuǎn)換發(fā)光成像和X射線計(jì)算機(jī)斷層成像，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)雙模成像介導(dǎo)且單一近紅外光激發(fā)的癌癥化學(xué)療法和光熱療法（圖4）。因此，該研究結(jié)果為診斷和協(xié)同增強(qiáng)抗腫瘤治療的綜合研究提供了新思路（相關(guān)結(jié)果發(fā)表于《發(fā)光學(xué)報(bào)（Chinese Journal of Luminescence）, 2022, 43（7）：1040-1051.）。

圖4：上轉(zhuǎn)換-鉍雜化納米體系診療劑合成示意圖及其在腫瘤中化學(xué)-光熱協(xié)同治療的潛在應(yīng)用

3. 展望

雖然在信息存儲(chǔ)及生物成像/治療等領(lǐng)域的應(yīng)用取得了一定的進(jìn)展，但稀土摻雜納米晶的量子效率提升、多模發(fā)光機(jī)理和生物毒性等仍有待進(jìn)一步探索，并且在相關(guān)器件的開發(fā)和臨床應(yīng)用等方面的研究依然具有挑戰(zhàn)。此外，稀土摻雜多模發(fā)射納米材料的應(yīng)用場景仍比較單一，雖然通過深度學(xué)習(xí)等方法可以擴(kuò)展其在生物領(lǐng)域的應(yīng)用，但網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、模型搭建以及生物安全等方面仍面臨極大挑戰(zhàn)，有待進(jìn)一步深入研究。

| 論文信息 |

涂港, 施利毅*, 孫麗寧*等. 用作近紅外光引導(dǎo)的化學(xué)?光熱協(xié)同治療的上轉(zhuǎn)換?鉍納米診療劑[J]. 發(fā)光學(xué)報(bào), 2022, 43(7):1040-1051.

https://cjl.lightpublishing.cn/thesis/62/25924065/zh/

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