稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米晶作為新型熒光探針已廣泛應(yīng)用于生物檢測和成像中。特別地，由于鋱離子（Tb³+）的⁵D₄→⁷FJ躍遷的能量遷移上轉(zhuǎn)換發(fā)光不受納米晶表面或近鄰有機分子/配體高頻聲子的影響，其能量遷移上轉(zhuǎn)換發(fā)光強度和熒光壽命可以作為一種穩(wěn)定、可靠的檢測信號源，以保證生物檢測和成像的高準(zhǔn)確性。

　　

　　在傳統(tǒng)Tb³⁺摻雜的能量遷移上轉(zhuǎn)換納米晶核殼設(shè)計方案中（如NaGdF₄:Yb³⁺/Tm³⁺@NaGdF₄:Tb³⁺），由于敏化劑鐿離子（Yb³⁺）、蓄能劑銩離子（Tm³⁺）被共摻在納米晶內(nèi)核中，激活劑Tb³⁺被限域在外殼層中，導(dǎo)致Tm³⁺的紫外上轉(zhuǎn)換發(fā)光總是與Tb³⁺的能量遷移上轉(zhuǎn)換發(fā)光相伴而生，基于此類Tb³⁺摻雜能量遷移上轉(zhuǎn)換納米晶的生物應(yīng)用面臨著由Tm³⁺紫外上轉(zhuǎn)換發(fā)光誘導(dǎo)產(chǎn)生的背景熒光干擾問題。

　　

　　為此，中國科學(xué)院功能納米結(jié)構(gòu)設(shè)計與組裝/福建省納米材料重點實驗室研究員陳學(xué)元課題組首次提出一種將敏化劑、蓄能劑、激活劑實行空間分離的特殊三明治型核殼結(jié)構(gòu)納米晶設(shè)計方案：NaLuF₄:Yb³⁺/Gd³⁺@NaGdF₄:Tm³⁺@NaLuF₄:Tb³⁺，即將Yb³⁺、Tm³⁺、Tb³⁺分別摻入納米晶內(nèi)核、中間殼層和外殼層中（圖1）。制備的三明治型核殼結(jié)構(gòu)納米晶在中等功率密度（~ 200 W/cm2）的980 nm近紅外激光照射下，Tb³⁺對應(yīng)于⁵D₄→⁷F₅躍遷的能量遷移上轉(zhuǎn)換發(fā)光與Tm³⁺最強紫外上轉(zhuǎn)換發(fā)射的峰值強度比值約為58.9（圖2a），遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的非三明治型核殼結(jié)構(gòu)納米晶NaLuF₄:Yb³⁺/Gd³⁺/Tm³⁺@NaGdF₄@NaLuF₄:Tb³⁺（對應(yīng)的比值小于1.2）（圖2b）。研究表明，三明治型核殼結(jié)構(gòu)納米晶在獲得Tb³⁺高效能量遷移上轉(zhuǎn)換發(fā)光的同時，也可幾乎完全抑制Tm³⁺紫外上轉(zhuǎn)換發(fā)光。

　　

　　研究發(fā)現(xiàn)，在三明治型核殼結(jié)構(gòu)納米晶中，由于Tm³⁺摻雜在中間殼層，中間殼層中的Gd³⁺可以迅速將藉由Yb³⁺－Tm³⁺五光子上轉(zhuǎn)換過程蓄積的能量直接傳遞至外殼層中的Tb³⁺，以實現(xiàn)Tb³⁺高效能量遷移上轉(zhuǎn)換發(fā)光（圖2c左部及右下部）。作為對照，在非三明治型核殼結(jié)構(gòu)納米晶中，由于Tm³⁺在內(nèi)核中，且Gd³⁺在內(nèi)核中亦有分布，因此Yb³⁺－Tm³⁺五光子上轉(zhuǎn)換過程蓄積的能量傳遞至內(nèi)核中的Gd³⁺后，會在Gd³⁺離子之間發(fā)生“無規(guī)跳躍”式的隨機能量回傳，并存在幾率將能量傳遞至猝滅中心/晶格缺陷，或回傳至Tm³⁺，從而削弱Tb³⁺能量遷移上轉(zhuǎn)換發(fā)光（圖2c右上部）。也正因為存在Gd³⁺離子間隨機能量回傳過程，在非三明治型核殼結(jié)構(gòu)納米晶中，可以觀測到Gd³⁺的上轉(zhuǎn)換熒光衰減曲線呈雙指數(shù)衰減特征，其慢衰減部分的熒光壽命長達4.60毫秒（圖2d）。

　　

　　此外，通過對比外殼層中未摻雜Tb³⁺的空白樣品NaLuF₄:Yb³⁺/Gd³⁺@NaGdF₄:Tm³⁺+@NaLuF₄（圖3a，d）與三明治型核殼結(jié)構(gòu)納米晶（圖3b，c）的上轉(zhuǎn)換發(fā)光強度，可分析出三明治型核殼結(jié)構(gòu)納米晶中稀土離子的穩(wěn)態(tài)能級布居數(shù)在Tb³⁺摻入外殼層前后的變化（圖3e）。研究發(fā)現(xiàn)，在三明治型核殼結(jié)構(gòu)納米晶中，中間殼層與外殼層間的Gd³⁺（⁶P_7/2）→TbGd³⁺（⁵D₀）能量傳遞可顯著增強Yb³⁺－Tm³⁺五光子上轉(zhuǎn)換以及隨后的Tm³⁺（¹I₆）→Gd³⁺（⁶P_7/）能量傳遞過程，并產(chǎn)生高效的對應(yīng)于Tb³⁺⁵D₄→⁷F_J躍遷的能量遷移上轉(zhuǎn)換發(fā)光。上述微觀機制也可通過基于簡化的能量遷移上轉(zhuǎn)換模型（圖3f）的穩(wěn)態(tài)速率方程推導(dǎo)出的解析結(jié)果進行理論描述。

　　

　　綜上，該研究在探究稀土無機納米晶中涉及納米尺度能量傳遞的能量遷移上轉(zhuǎn)換發(fā)光這一基礎(chǔ)物理過程方面提供了深入見解，并為調(diào)控稀土納米晶上轉(zhuǎn)換發(fā)光以實現(xiàn)其在生物領(lǐng)域的前沿應(yīng)用鋪平了新道路。相關(guān)研究成果發(fā)表在CCS Chemistry上。研究工作得到中科院海西研究院“春苗”青年人才專項、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、科技部國家重點研發(fā)專項和國家自然科學(xué)基金等的支持。 

　　

　　此前，陳學(xué)元課題組在稀土無機納米材料的電子結(jié)構(gòu)、光學(xué)性能和生物應(yīng)用研究方面取得系列進展。例如，提出一種基于稀土納米晶的輻射能量傳遞上轉(zhuǎn)換敏化新機制，實現(xiàn)CsPbX₃鈣鈦礦納米晶在低功率半導(dǎo)體激光器激發(fā)下的全光譜高效上轉(zhuǎn)換發(fā)光（Nat. Commun. 2018, 9, 3462）；發(fā)展了一種近紅外雙激發(fā)比率型稀土上轉(zhuǎn)換熒光策略，實現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)生物分子的精準(zhǔn)檢測（Adv. Sci. 2019, 6, 1901874）。

 

圖1.三明治型核殼結(jié)構(gòu)納米晶及其上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜示意圖。

 

圖2.（a）三明治型核殼結(jié)構(gòu)納米晶上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜（980 nm，~ 200 W/cm²）；（b）非三明治型核殼結(jié)構(gòu)納米晶上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜；（c）Tb³⁺能量遷移上轉(zhuǎn)換機理圖（左部），以及非三明治型（右上）和三明治型核殼結(jié)構(gòu)納米晶（右下）中內(nèi)核和殼層中稀土離子的能量傳遞路徑示意圖。（d）空白樣品與三明治型核殼結(jié)構(gòu)納米晶的上轉(zhuǎn)換熒光衰減曲線。

 

圖3.（a-b）空白樣品（a）與三明治型核殼結(jié)構(gòu)納米晶透射電鏡圖像；（c-d）三明治型核殼結(jié)構(gòu)納米晶（c）和空白樣品（d）的環(huán)己烷分散液在980 nm激光激發(fā)下的照片；（e）空白樣品與三明治型核殼結(jié)構(gòu)納米晶的穩(wěn)態(tài)上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜對比圖；（f）簡化的Tb³⁺能量遷移上轉(zhuǎn)換模型。