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(jī)分子/配體高頻聲子的影響，其能量遷移上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)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(jì)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(jì)與組裝/福建省納米材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)行空間分離的特殊三明治型核殼結(jié)構(gòu)納米晶設(shè)計(jì)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(qiáng)紫外上轉(zhuǎn)換發(fā)射的峰值強(qiáng)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(shí)，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(shí)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(huì)在Gd3+離子之間發(fā)生“無規(guī)跳躍”式的隨機(jī)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?yàn)榇嬖贕d3+離子間隨機(jī)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(dá)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(qiáng)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+（6P7/2）→TbGd3+（5D0）能量傳遞可顯著增強(qiáng)Yb3+－Tm3+五光子上轉(zhuǎn)換以及隨后的Tm3+（1I6）→Gd3+（6P7/）能量傳遞過程，并產(chǎn)生高效的對應(yīng)于Tb3+5D4→7FJ躍遷的能量遷移上轉(zhuǎn)換發(fā)光。上述微觀機(jī)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(jìn)行理論描述。

　　綜上，該研究在探究稀土無機(jī)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(shí)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(xiàng)、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、科技部國家重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)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(jī)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(jìn)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(jī)制，實(shí)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(shí)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(jī)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。