用于生物成像的双通道可见光和近红外-III上转换光学探针

《Journal of Luminescence》：Dual-Channel Visible and NIR-III Upconversion Optical Probe for Bioimaging

荧光生物成像因低侵入性和实时反馈特性在医学应用中潜力巨大，但传统探针存在光漂白和穿透深度不足的问题。本研究通过设计NaErF4:Tm3+@NaYF4:Yb3+核心壳纳米探针，实现了654 nm可见光与1523 nm近红外第三窗口（NIR-III）双通道发光，穿透深度达10 mm，且生物毒性低。实验验证了该探针在斑马鱼、水蚤等活体成像中的优异性能，为多尺度高分辨率生物成像提供了新方案。

　　

徐鹏阳|赵子怡|刘云泽|张晓珂|罗希贤

新加坡国立大学，Lower Kent Ridge Road 21号，119077，新加坡

摘要

荧光生物成像技术因其低侵入性和实时反馈能力，在生物医学应用中具有巨大潜力。然而，传统的荧光探针存在光漂白和有限的组织穿透性问题。在本研究中，我们开发了一种基于镧系元素掺杂的核壳结构NaErF₄:Tm³⁺@NaYF₄:Yb³⁺纳米粒子的双通道上转换光学探针，该探针在980纳米激发下能够同时发出654纳米的可见光和1523纳米的第三近红外（NIR-III）光。Tm³⁺离子作为能量陷阱，促进了Er³⁺→Tm³⁺→Er³⁺的能量转移过程，显著增强了⁴F_9/2 → ⁴I_15/2和⁴I_13/2 → ⁴I_{15/2跃迁产生的红光和NIR-III光。此外，将活性NaYF4:Yb³⁺壳层包裹在NaErF4:Tm³⁺纳米粒子上后，红光强度提高了210倍，并出现了有效的NIR-III光发射。这种发光性能的显著提升归因于核壳结构对表面淬火的抑制作用以及壳层中Yb³⁺离子对980纳米光子的增强吸收。这种双通道红光和NIR-III发光纳米探针可能是深度组织生物成像的理想选择。使用猪组织的体外实验表明，在NIR-III窗口下其穿透深度可达10毫米。用这种纳米探针处理的溞虫和斑马鱼显示出明亮的红色发光，没有背景干扰，证明了NaErF4:Tm3+@NaYF4:Yb3+纳米粒子的优异体内成像能力。我们的发现提供了一种新型的双通道光学探针，能够实现可见光和NIR-III光的发射，适用于多尺度高分辨率的生物医学成像应用。}

引言

荧光生物成像是一种创新且有前景的可视化技术，具有低侵入性和实时反馈能力，在临床前研究中引起了广泛的科学和实际兴趣，特别是在疾病诊断和治疗监测方面1, 2, 3, 4, 5。然而，传统的荧光探针（如有机染料和量子点）存在快速光漂白、组织穿透有限（通常小于3毫米）以及生物相容性不足的问题6, 7, 8。相比之下，掺镧系元素的上转换纳米粒子（UCNPs）具有抗光漂白性、能有效避开组织自荧光的NIR激发以及可调的发射光谱，是生物成像应用中的有前途的光学探针9, 10, 11, 12。尽管取得了显著进展，但目前对UCNPs的研究仍面临关键挑战，主要是由于主要关注单通道设计，这导致了高分辨率和深度组织穿透之间的固有权衡13, 14, 15, 16, 17。蓝绿色范围内的可见光发射（例如540纳米的绿光）可以提供亚细胞分辨率，但受到强烈组织散射的限制，有效穿透深度小于2毫米18, 19。红光和第一近红外窗口（NIR-I，750 - 950纳米）的发射可以将穿透深度扩展到约5毫米，但分辨率较低20, 21, 22。第二近红外窗口（NIR-II，1000-1350纳米）和第三近红外窗口（NIR-III，1400-1800纳米）的发射由于散射显著减少，可以实现高达10毫米的穿透深度23, 24, 25。然而，其空间分辨率受到长波长（约1-2微米）的衍射极限限制，阻碍了亚细胞结构的可视化10, 26, 27, 28。

在这项工作中，我们设计了一种基于镧系元素掺杂的核壳结构NaErF₄:Tm³⁺@NaYF₄:Yb³⁺纳米粒子的双通道上转换发光探针。这种创新探针在980纳米激发下能够同时发出654纳米的可见光和1523纳米的NIR-III光。将活性NaYF₄:Yb³⁺壳层包裹在NaErF₄:Tm³⁺核心上后，红光强度增加了约210倍，且仅在该核壳系统中观察到明显的NIR-III光发射。这一发现与之前的研究结果一致，表明壳层工程显著改善了发射性能29, 30, 31, 32, 33, 34。这种双通道红光和NIR-III发光纳米探针经过聚维吡咯酮（PVP）表面修饰后进一步用于生物成像。使用猪组织的体外实验表明，在NIR-III窗口下的穿透深度可达10毫米。用NaErF₄:Tm³⁺@NaYF₄:Yb³⁺纳米探针处理的溞虫和斑马鱼显示出明亮的红色发光，没有背景干扰。这些结果突显了高分辨率成像在表层组织与深度组织穿透方面的协同优势。

材料

1-十八烯（ODE，90%）、油酸（OA，90%）、Er(CH₃COO)₃·4H₂O（99.99%）、Tm(CH₃COO)₃·4H₂O（99.99%）、Y(CH₃COO)₃·4H₂O（99.99%）、Yb(CH₃COO)₃·4H₂O（99.99%）、氟化铵（NH₄F，90%）、氢氧化钠（NaOH，90%）、甲醇、乙醇、氯仿、聚维吡咯酮（PVP，M_W = 10000）和环己烷均从Alfa Aesar购买，并按原样使用。所有Re(CH₃COO)₃·4H₂O都溶解在去离子水中，NaOH和NH₄F溶解在甲醇溶液中。

NaErF₄:x mol%核的合成

结果与讨论

如图1a所示，核心结构（NaErF₄:Tm³⁺）的TEM图像显示纳米粒子分布均匀，近乎球形，平均直径为15.3纳米。为了抑制纳米粒子的表面淬火效应，在NaErF₄:Tm³⁺核心表面外延生长了NaYF₄:Yb³⁺壳层。壳层生长后，形态从球形变为短棒状，表明外延涂层过程中发生了各向异性生长。

结论

在这项研究中，我们设计并合成了一种新型的镧系元素掺杂双通道上转换纳米探针（NaErF₄:0.5 mol%Tm³⁺@3 mol%NaYF₄:Yb³⁺）。它克服了单发射探针在分辨率和穿透深度之间的权衡。该探针结合了壳层和Tm³⁺掺杂，减少了表面缺陷和非辐射复合，从而提高了发光强度和寿命。

作者贡献声明

赵子怡：数据验证、数据管理。刘云泽：数据验证、数据管理。徐鹏阳：初稿撰写、实验研究、数据分析、数据管理。罗希贤：撰写、审稿与编辑、监督、资金争取、概念构思。张晓珂：数据管理

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（项目编号12374369）、辽宁省科学技术基金会（2023JH2/101700309）和大连市科技创新人才支持计划项目（2022RQ043）的支持。