撰稿：孫麗寧

| 編者按|

近日，上海大學化學系孫麗寧教授團隊在《發光學報》發表了題為“用作近紅外光引導的化學-光熱協同治療的上轉換-鉍納米診療劑”的論文。該工作設計并合成了一種用于近紅外光驅動的化學-光熱治療的上轉換-鉍納米體系診療劑，其具有出色的光熱轉換能力和良好的生物相容性，有望用于上轉換發光成像和X射線計算機斷層成像，進而實現雙模成像介導且單一近紅外光激發的癌癥化學療法和光熱療法。

為使廣大同仁了解孫麗寧教授團隊近年來在稀土發光納米材料及其生物、信息安全應用探索研究等領域的相關工作，團隊應編者邀請撰寫了本篇報道。

1. 導讀

稀土元素得益于其獨特的電子結構，發射涵蓋了從紫外區到近紅外區的光譜區域。稀土摻雜納米晶體因具有高的光、化學穩定性、長發光壽命(μs-ms)、窄發射帶、以及低毒性等優點，被認為是最有前途的發光材料之一。稀土納米晶在摻雜具有豐富能級的稀土離子后能夠產生多種波長發射，然而控制稀土離子的多模式發射仍然是一個巨大的挑戰。多模式發射材料可以在不同的發射模式下對多個信息進行加密，并創建多重的編碼能力，因此顯示出更高級的安全性。

上海大學孫麗寧教授團隊通過多年稀土發光領域的研究積累，提出通過控制能量遷移路徑以實現可調制的上轉換/下轉移多模發射概念，設計制備了一系列在不同光波長激發下，產生可調的上轉換發光和下轉移發光的Er3?基核-殼結構納米晶體；并與深度學習技術相結合，實現了豬肉組織下的信息解碼。開發了多激勵響應和多模發射特性的核-殼-殼稀土納米結構，通過Er3?自激發和Ce3?敏化機制，在1532，980，254 nm的激發下，可以在同一納米晶體中實現斯托克斯發光和反斯托克斯發光，這種獨特的多模發射稀土納米晶體被成功應用于多維信息編碼，表現出高水平的信息編碼能力和安全性。

此外，孫麗寧教授團隊還提出了通過陽離子交換在上轉換發光納米粒子外層生長EuSe半導體的方法，所得異質結構的納米復合物能夠在紫外光與近紅外光激發下分別發射出可見光，這為稀土摻雜納米材料用于光學防偽與信息存儲應用提供了嶄新的思路。

2. 研究進展

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

孫麗寧教授團隊提出通過控制能量遷移路徑以實現可調制的上轉換/下轉移多模發射概念，設計制備的Er3?基核-殼-殼納米晶能響應980 nm、808 nm 或 1535 nm三種不同的激發光，且根據激發波長的不同表現出兩種發光模式：980 nm 激發下為紅色主導的上轉換發射/弱NIR-Ⅱ發射，808 nm 激發下為以綠色為主的上轉換發射/強NIR-Ⅱ發射。這些具有獨特光學特性的納米晶不僅可以應用在信息安全領域，而且與深度學習相結合，能輕松實現豬肉組織中可見光信息的存儲及解碼（圖1）。該工作不僅為調控稀土發光提出了新的研究方案，而且為開發用于尖端應用的智能發光材料帶來了嶄新的研究思路（相關結果發表于Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60：23790-23796）。

圖1：Er3?基多模發射納米晶用于信息安全應用研究（不同激發波長激發，得到的摩斯密碼顯示SHU：上海大學的英文簡稱）及與深度學習相結合實現了豬肉組織中可見光信息的存儲及解碼

最近，孫麗寧教授團隊還提出了一種新組分的多模發射稀土納米晶，通過Er3?離子和Ce3?離子的敏化機制實現了一系列稀土納米晶的上轉換和下轉移多模發射。在設計中，NaGdF?的核心結構中摻雜了Ce3?和Yb3?離子作為敏化劑，內殼層中選擇了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激發下產生Er3?的上轉換發光，而Ce3?、Gd3?和Eu3?離子用于實現在254 nm激發下的Eu3?離子下轉移發射。

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

圖2：用于實現Ce-Er誘導的可調多模發射的核殼殼納米結構示意圖，及同一發光陣列分別在980 nm(SHU)、254 nm(100)和1532 nm(CHI)照射下的照片

用于光學信息存儲的傳統單模式發光材料存在信息存儲容量小等缺點，這促使人們迫切需要開發出更先進的發光材料作為信息載體。因此，孫麗寧教授團隊提出了一種通過陽離子交換在稀土上轉換發光納米粒子外層生長EuSe半導體的方法。通常，當兩種材料的晶格失配較大時外延生長是困難的，但在該工作中Eu3?離子和其他稀土陽離子交換可以促進緩沖層的形成，減小了晶格失配度，從而促進了EuSe的異質外延生長。

這項工作巧妙地運用了陽離子交換法，構建了基于稀土上轉換納米顆粒和EuSe半導體的異質結構的納米復合物。該納米復合物能夠在紫外光、連續近紅外光以及脈沖近紅外光的激發下發射出多色熒光，基于多重可調控發光的優勢，該納米復合物被設計為加載光學信息的光學模塊，實現了信息的多維存儲（圖3）。該工作為稀土發光材料用于光學防偽與信息存儲應用提供了嶄新的思路（相關結果發表于Light: Science & Applications, 2022, 11：150.）。

圖3：納米復合材料的制備及利用其光學模塊的有序組裝實現信息負載與讀取

基于稀土摻雜發光納米晶的功能納米材料作為新興的納米診斷-治療劑，有望實現腫瘤的多模式成像診斷和高效治療。最近孫麗寧教授團隊設計并合成了一種用于近紅外光驅動的化學-光熱治療的上轉換-鉍納米體系診療劑（UBDAs），其具有出色的光熱轉換能力和良好的生物相容性。同時，在980 nm近紅外光的激發下，UBDAs能夠發射紫外/可見光，用于促進光敏劑偶氮苯在介孔中的連續旋轉-翻轉運動，從而實現藥物的可控釋放，且利用近紅外光激發能夠有效避免傳統紫外光對生物組織的副作用。光熱實驗表明，UBDAs雜化納米體系在980 nm激光照射下具有良好的光熱效應。此外，含有Tm3?和Bi元素的UBDAs有望用于上轉換發光成像和X射線計算機斷層成像，進而實現雙模成像介導且單一近紅外光激發的癌癥化學療法和光熱療法（圖4）。因此，該研究結果為診斷和協同增強抗腫瘤治療的綜合研究提供了新思路（相關結果發表于《發光學報（Chinese Journal of Luminescence）, 2022, 43（7）：1040-1051.）。

圖4：上轉換-鉍雜化納米體系診療劑合成示意圖及其在腫瘤中化學-光熱協同治療的潛在應用

3. 展望

雖然在信息存儲及生物成像/治療等領域的應用取得了一定的進展，但稀土摻雜納米晶的量子效率提升、多模發光機理和生物毒性等仍有待進一步探索，并且在相關器件的開發和臨床應用等方面的研究依然具有挑戰。此外，稀土摻雜多模發射納米材料的應用場景仍比較單一，雖然通過深度學習等方法可以擴展其在生物領域的應用，但網絡優化、模型搭建以及生物安全等方面仍面臨極大挑戰，有待進一步深入研究。

| 論文信息 |

涂港, 施利毅*, 孫麗寧*等. 用作近紅外光引導的化學?光熱協同治療的上轉換?鉍納米診療劑[J]. 發光學報, 2022, 43(7):1040-1051.

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

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