一、研究背景

在过去的十年中，短波红外（SWIR）荧光（1000-2000 nm）已成为生物医学领域实现下一代成像技术的一条大有可为的途径。由于散射损耗大大降低，自发荧光接近零，因此 SWIR 发射器可显著提高空间分辨率、对比度、信噪比和穿透深度。这有可能实现一些重要应用，如以单细胞灵敏度实时跟踪活体健康/患病组织的代谢过程，或改进临床诊断和医疗实践（如术前成像、图像引导手术）。

迄今为止，已有多种材料被认为是 SWIR 区域成像的潜在探针，包括小有机分子、单壁碳纳米管、半导体量子点和基于稀土 (RE) 的纳米晶体 (NC)。尽管如此，目前的SWIR材料仍然存在一些缺点，包括光致发光量子产率（PLQY）低、毒性问题和发射波长有限，这些缺点在考虑生物医学应用时可能会造成障碍。

基于 RE 的NCs最近被认为是有希望用于 SWIR 成像的候选材料，它们没有光漂白、发光寿命长（例如用于时间门控成像）、Stokes位移大、以窄发射带宽整体覆盖 SWIR 区域，而且长期细胞毒性低。不过，这类材料的 PLQY 相对较低，吸收截面也很低，因此亮度较差。因此，一个主要的不利后果是，与其他材料（如吲哚菁绿或量子点）相比，要获得类似或更好的成像效果，仍需注入大剂量的基于 RE 的 NCs。合成基于 RE 的高效 SWIR 发射NCs的另一个限制因素是，人们对核-壳界面的实际原子尺度组织了解有限，缺乏控制，从而导致能量迁移途径失控。事实上，在过去的几年里，有令人信服的实验证据表明，在合成靶向核壳RE基NCs的过程中存在阳离子混合。这种现象会极大地改变粒子内的能量迁移路径，直接影响到重要的光学特性，如 PLQY。

二、研究成果

在本研究中，德国卡尔斯鲁厄理工学院Damien Hudry团队研究了由完全相同的NCs（α-NaYF4:Yb:Er，不掺杂或掺杂 Ce3+）结合同质（α-NaYF4）或异质（CaF2）壳域相制备的预期核壳结构的原子尺度组织和光学性能。使用均相壳域会导致严重的阳离子混杂（形成合金），而使用异相壳域则会导致相分离（真正的核壳结构）。合成的纳米结构在原子尺度组织上的这种大规模细化显著地促进了降频（980→1530 nm）PLQY，在 60 mW/cm2 条件下，15 nm 以下 NC 的 PLQY 达到 50%。根据国际非电离辐射防护委员会的指导方针，后者比皮肤暴露极限（980 nm时为 730 mW/cm2）低一个数量级。由于在不久的将来，SWIR 成像将成为临床前和临床成像的基石，因此本文报告的结果为基于RE的高效SWIR发射材料的出现带来了范式转变。相关研究工作以“Preventing cation intermixing enables 50% quantum yield in sub-15 nm short-wave infrared-emitting rare-earth based core-shell nanocrystals”为题发表在国际顶级期刊《Nature Communications》上。祝贺！

三、图文速递

采用热分解法合成了一批独特的立方体（图 1a）α-NaYF4:Yb:Er（Y：50 at.%，Yb：45 at.%，Er：5 at.%）核心NCs。高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）证实形成了10 nm以下各向同性的球形颗粒（图 1b）。相应的尺寸分布直方图显示，尺寸为 6.0±1.2 nm 和 9.2±1.0 nm 的两个群体共存（图 1c）。通过粉末X射线衍射 (PXRD) 检验了合成核心 NCs 的晶体结构。Rietveld细化证实了纯立方相的形成，没有任何次生相的痕迹（图 1d）。低剂量高分辨率HAADF-STEM图像证实核心NCs是单晶体（图 1e）。积分微分相位对比度（iDPC）-STEM 图像（图 1f）可使轻原子（F 原子）和重原子（RE 原子）的原子柱一起可视化。

为了确定化学元素的空间分布，他们获取了不同化学元素的能量色散 X 射线光谱图（图 3）。阴离子（F）网络对所有核壳结构域都是相同的，与之相反，各种阳离子的空间分布可用于确定是否可能形成预期的核壳结构。正如预期的那样，在生长均质壳域时，Y 分布在颗粒的整个体积中（图 3c），而在异质壳域时，Y 则更加局部化（图 3d）。

有趣的是，相应的映射显示了均质壳域和异质壳域之间的巨大差异。事实上，在前一种情况下，Yb在颗粒的整个体积内被空间稀释（图 3e），而在后一种情况下，Yb被很好地限制并集中在颗粒有限的中心区域（图 3f）。Y/Yb（图 3g）或 Yb/Ca（图 3h）化学图之间的相应叠加复合图清楚地表明，只有在异质结构的情况下，才有可能出现预期的核壳结构（在报告的实验条件下）。

四、结论与展望

他们的研究强调了异质结构比同质结构在防止阳离子混合方面的主要优势。这使得能够合成真正的核壳结构（而不是无序合金），从而在符合体内应用兼容的尺寸范围内最大限度地提高它们的SWIR性能。在异质NCs中，不同结构域之间的阳离子混合可以避免，这极大地影响了光活性中心的真实局部浓度，而要精确测量这一浓度并非易事。其直接后果是，主要通过同质NCs确定的敏化剂、活化剂和光活性元素的最佳浓度，可能不再适用于异质NCs。同样，防止发光表面猝灭的惰性外壳的最佳厚度也应重新评估。这也许可以解释为什么最近发表的用于SWIR成像的异质结构尽管使用了异质结构，却没有达到与本文中报告的类似性能。Yan 及其合作者十年前开创的合成策略应被认真考虑，将其作为增强无机NC中RE元素光致发光特性的一条有前途的途径。虽然CaF2提供了有趣的可能性，但它只是在众多潜在组合中进行测试的一种组合。这些异质结构仍然占已报道的基于RE的核壳NCs的不到10%，构成了新一代具有良好控制的原子尺度组织的高效SWIR发射体出现的重要范式转变。虽然对RE元素浓度和惰性壳厚度的优化可能很有意义，但作者认为，如果不探索真正具有颠覆性的核壳、分段或二聚体异质结构，改进的空间很可能微乎其微。后者为改变不同纳米尺寸子域之间的阳离子和/或阴离子网络提供了独特的可能性。这将使他们有能力把材料组合成基于功能性RE的结构，而目前还没有与之对应的材料。这种性能的协同耦合可能是显著提高纳米材料的RE光致发光性能的关键。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-40031-4