《Nat. Mater.》：持久发光纳米磷光体！

研究背景

持续发光是一种光学过程，材料在激发停止后持续会发光几分钟甚至几小时，材料发光一直吸引着研究人员，最近各种纳米级的持久发光磷光体，如：ZnGa2O4:Cr 3+，等被探索，持久发光纳米磷光体的延迟发射及其小的物理尺寸使其非常适合应用在光学数据存储、医学成像及生物领域。

与传统的有机染料和量子点相比，持久发光磷光体能够在没有原位激发的情况下进行长期发光检测，这会衰减自发荧光。背景噪声的抑制大大提高了生物成像的检测灵敏度和图像分辨率，此外，将具有适当表面功能化的磷光体缩小到纳米级可以改善胶体稳定性和生物相容性，提高细胞靶向效率并扩大生物应用机会更重要的是，光学窗口中的光衰减和散射显著减少，使得近红外持久发光纳米材料对深部组织成像具有吸引力。

研究结果

新加坡国立大学刘小刚等概述了改善纳米磷光体合成方法及陷阱操纵的各种策略，介绍了其在生物学中应用进展及面临的挑战，提出了未来纳米磷光体的研究方向。

相关工作以”Controlling persistent luminescence in nanocrystalline phosphors”为题，发表在国际顶级期刊《Nature Materials》上。 

图文速递

一、持续发光

 近几十年来，科学家们研究了持久性无机磷光体中的发光并提出几个理论模型，如：电子捕获/放电，空穴捕获/放电与量子隧穿，这些过程很可能在许多持久发光系统中共存。许多类型的晶体缺陷，如空位、间隙离子、杂质和掺杂剂，都可以作为电子陷阱，能量转移广泛用于实现磷光体的可调谐发光，特别是近红外（NIR）区域。对于泵浦源，紫外-可见（UV–Vis）光是持久发光磷光体最广泛的光源，用深红色甚至近红外光源充电的持久发光磷光体对于生物应用是非常理想的。

二、持久发光磷光体的捕捉操纵

普遍认为固有晶格点缺陷负责电荷载流子捕获，荧光粉中存在多种类型的缺陷（图1a），这些缺陷称为肖特基缺陷，随机分布在宿主基质中，离子也可以迁移到间隙部位，留下空位形成弗兰克尔缺陷，当阳离子和阴离子交换位置时，在弱离子化合物中会形成反位缺陷，除了合成过程中形成的陷阱外，与外来离子共掺杂是引入陷阱的一种实用方法，此法可极大地影响持久发光。目前已经探索了很多控制晶格缺陷的策略，如异价取代、非致密合成、镧系离子掺杂等见图（1b-g）。 

二、发光光谱调谐

近红外发光荧光粉科在深部组织成像中提供无无自体荧光，提高空间分辨率。活化剂选择、宿主变异和共掺杂长波发射器的级联能量传输等策略可以应用于第二甚至第三光学窗口的荧光粉开发，以此扩展此工具包并提高成像深度和分辨率。

活化剂选择

过渡金属，如Mn2+、Bi2+、Ni2+和Cr3+，通常用作活化剂以产生持久的红色/NIR发光，在光谱调谐方面具有极大的灵活性（图2a）。最近，具有Er3+、Ho3+、Nd3+或Tm3+活化剂的NaYF4纳米晶体已被开发为有效的持久发光NIR纳米磷光体，当用X射线充电时，它能够以极高的信噪比进行长期生物成像和跟踪。

宿主变异

具有4f电子被5s和5p电子屏蔽的Ln3+活化剂，由4f-4f转变所介导的发光对晶体场的变化不敏感。由4fn-4fn-15d1转变产生的发光对晶体场的变化比较敏感，当宿主改变时，可能表现出较大的光谱偏移。

级联能量传递

通过偶联供体和受体活化剂，供体活动的能量可以有效地转移到相邻的受体活化剂，实现持续NIR发光（图2a），采用能量转移介导的策略开发持久发光近红外荧光粉非常稳妥，特别是如果能量供体可以用深红色甚至NIR光激活，将对生物应用做出重大贡献。

光谱复用

碱性的稀土氟化物纳米晶体是X射线照射下有效持久的纳米发光磷光体，受益于其在外延多壳层生长中的高可行性，多个镧系元素活化剂可以集成到具有核-多壳层结构的单个纳米颗粒中（图2d）。不同的活化剂可以很好地隔离在不同层中，它们之间的交叉弛豫可以极大地最小化，导致多个活化剂剂同时发出强烈的持续发光。 

发光增强

由于严重的表面猝灭和有限数量的发射器，持久发光磷光体，特别是纳米级的磷光体通常具有低发射强度，在完全黑暗的环境中拍摄图像通常需要几秒的曝光时间，表面钝化也被证明可以有效地减少表面淬火。最近，有机染料被用作天线，以提高持久发光磷光体的光收集能力。此外，通过表面等离子体共振增强局部电磁场也可以增强持久发光。

退火处理

有些荧光粉在无退火处理时表现出持久性发光，大多数荧光粉无退火处理后不会有余光（图3a）。

表面钝化

由于发射体的大部分暴露在表面，纳米磷光体遭受表面淬灭，并且显示出比其本体对应物更低的亮度，通过增加钝化层的厚度可增强持续发光的亮度和持续时间（图3b）。

染料敏化

染料敏化已被证明可以增强镧系元素掺杂的上转换纳米晶体的发光，由于吸收截面较大（约10–16 cm2）的有机染料，染料敏化可以显著提高光收集能力。尽管增强了持久发光，但对纳米磷光体的染料敏化可能会在特定生物应用的表面改性中带来额外的困难。

表面等离子共振

由于纳米颗粒贵金属的强烈光吸收和散射，表面等离子体耦合已广泛用于光电控制。由于纳米粒子中表面等离子体的限制，通过控制纳米粒子的形态、化学成分和几何结构，共振峰可以从可见光范围微调到近红外范围（图3d）。表面等离子体可以通过两种方式促进发光增强：（1）增强宿主晶格和活化剂的光吸收，（2）促进活化剂的辐射衰减，增强持久发光，通常使用第一种策略。 

 三、持久发光纳米材料的合成

 后退火是持久发光的先决条件，不管合成方法如何，几乎所有的磷光体都习惯性地煅烧，然而，这一概念在2015年被修正，当时超小ZnGa2O4:Cr3+纳米颗粒（~6 纳米）在不经过退火的情况下表现出持久的、深红色的持久发光。无退火的纳米磷光体在表面功能化方面具有极大的灵活性，在生物应用中具有极大的实用性。但煅烧处理可以进一步提高其性能。

模板法

介孔二氧化硅纳米球（MSN）广泛用于制备形成均匀的发光纳米材料。模型方法使药物和光敏剂功能化，用于纳米医学中的诊断和治疗。模板法可以获得尺寸可调的单分散纳米磷光体，但磷光体的总尺寸由所选模型决定，该模板通常大于100 nm且对于生物应用来说不是理想的。此外，二氧化硅纳米球中的纳米通道通常在低温下退火以防止塌陷，可导致发光的有限增强。考虑到它们在高温下的高机械稳定性介孔金属氧化物可以作为下一代纳米模板。

共沉淀和热分解

共沉淀和热分解是合成金属氧化物和氟化物纳米颗粒的常用方法。这些方法合成的掺杂镧系元素的氟化物纳米颗粒在X射线激发后可以发出强烈的持续发光。通过选择不同的镧系元素掺杂剂，可以很好地控制从UV到NIR区域的发射带。

脉冲激光烧蚀法

脉冲激光可以以高浓度向液体（例如，水、丙酮、乙酸乙酯）中的目标输送大量能量，从而在目标表面上产生高冲击压力，以产生具有与大块目标相同化学成分的纳米颗粒。这种低成本的自上而下的方法将大块靶减少到纳米级，已经被用于生产持久发光纳米颗粒。

四、生物学应用

与有机染料、量子点和掺杂镧系元素的上转换纳米晶体相比，使用持久发光纳米磷光体的成像能够完全消除生物自发荧光和光损伤。这些纳米磷光体的高光稳定性和表面功能化的灵活性促进了它们在应用中的快速发展，特别是在高灵敏度生物传感、细胞活性的长期监测和治疗中。

持久发光纳米磷光体可以储存吸收的光能，激发终止后发光强度随时间而变化，尽管在生物相容性和发光强度方面略逊于有机持久发光材料，，纳米晶体持久发光材料在以下方面具有很大优势：1） 结晶纳米磷光体具有高得多的光稳定性，并且可以消除光漂白。2） 通过合理的掺杂，发射波长可以调谐到NIR-II和NIR-II范围。3）这些纳米磷光体的性能不受周围生物化学环境影响。4）不需要混合和封装多个组件，从而实现超小的物理尺寸.5）晶体纳米磷光体可以通过X射线激活深度组织成像。

无自荧光生物传感

利用近红外光谱作为激发源，镧系元素掺杂的上转换纳米晶体已被广泛用于无背景生物传感，它们的转换效率低，需要高功率激光照明。时间门控发光检测已被证明通过阻断短寿命自荧光来提高灵敏度。由于发光持续数小时，时间门控技术可以应用于长寿命发光纳米磷光体时间分辨光谱。如图4a所示，小鼠的强自发荧光将显著掩盖来自纳米磷光体的荧光信号。如果在激发停止后去除自发荧光，则具有持久发光纳米磷光体的发射区域上的成像对比度可以大大增强。

长期、实时、深层组织成像

激发停止后，可以连续记录持续的NIR发光数分钟，并且可以在NIR刺激后重复恢复发光，从而实现长期数据采集，然而，当深阱中的电子耗尽时，NIR刺激不再有效。因此，为了完全消除成像的时间限制，应开发允许在多个周期内进行现场充电的纳米磷光体（图4c），为此，镧系元素离子如Yb3+/Er3+被整合到纳米磷光体中，以在NIR激发下触发生物成像的持续发光。通过口服和静脉注射这些NIR发射纳米磷光体，可以在数小时内以高信噪比清晰地记录纳米磷光体在多个器官中的全身循环（图4e）。

治疗诊断学

深层组织无自体荧光生物成像与新兴的治疗技术为住院诊断和疗效监测提供了巨大的机会，合理的表面功能化赋予纳米磷光体在生物介质中具有高稳定性、低细胞毒性和改进的靶向性。表面功能化的灵活性允许开发用于药物加载和图像引导化疗的持久发光纳米磷光体。光敏剂也可以与纳米磷光体耦合以构建纳米平台光动力疗法。通过非辐射能量转移或再吸收，集成到纳米平台中的光敏剂可以通过吸收相邻纳米磷光体的能量来激活。高NIR光子到热转换效率可以与持久发光纳米磷光体集成，以构建光热治疗的纳米平台。

X射线成像

X射线照射后蒽掺杂的NaLuF4纳米晶体可以发光长达30天 ，各种镧系元素活化剂可用于将持续发光的颜色从蓝色调整为红色，在X射线照射下，包含特定物体结构信息的图案可以由这些长寿命的持久性纳米磷光体赋予。当加热时，捕获的电荷载流子的快速释放会产生持久的发光，从而允许使用数码相机对高度弯曲的电子电路板进行成像（图4g）。此外，镧系元素激活的长寿命磷光体在颜色调谐中的高灵活性已在多路复用光学数据存储中应用。 

结论与展望

尽管已经成功地生产了超小纳米磷光体，利用持续发光效应进行技术应用仍然存在重大挑战，对于体外生物传感来说，使用小型持久发光纳米磷光体并不是必不可少的，然而，在实际成像应用中，小颗粒（<10 nm）通常用于更精确地标记细胞结构，非常希望未来能够制备具有大量陷阱的持久发光纳米磷光体以储存激发能量，以最小的中子辐射损耗实现近似统一光产量。

生物成像应用的另一个挑战是低持续发光强度，激发脉冲后，单个纳米荧光粉的光子通量可能会迅速下降到远低于检测极限，这使得活体细胞的实时跟踪具有挑战性。另外，纳米磷光体利用可见光和近红外光进行充电低效较低，除了开发具有窄带隙的磷光体外，异质结材料或许能作为解决办法。持久性发光纳米材料的成像应用目前仅限于小动物，在人类成像应用中仅限于皮肤下非常浅的深度，激发后持续发射的能力使这些材料在X射线有效的深部组织中具有很高的治疗或光反应前景。 

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41563-022-01468-y.