复旦大学在近红外高效发光纳米探针研究中取得进展

5月21日（北京时间），复旦大学化学系李富友教授研究团队与澳大利亚悉尼科技大学金大勇教授课题组合作在《自然•光子学》（Nature Photonics）杂志上发表了题为“时间域近红外发光探针用于高灵敏成像”（High-sensitivity imaging of time-domain near-infrared light transducer）的研究论文，发现了纳米尺度下稀土离子的“零Stokes位移”发光现象，开发出激发与发射波长相同、发光寿命长的纳米探针，并进一步将其发展成时间域荧光成像方法。

图1. a “零Stokes位移”光致发光探针的设计；b 时间域滤光和其它荧光检测手段的对比

在光致发光过程中，传统材料的激发态之间存在弛豫和系间窜越，导致其发光峰的波长大于激发光的波长，该现象被称之为Stokes位移。研究团队发现NaYbF4纳米粒子在975 nm激光激发下展现出与激发波长相同的发射峰，进一步的研究发现其它单一稀土中心纳米材料（铒（Er）、铥（Tm）、钕（Nd））中均具有这种“零Stokes位移发光”性质。“零Stokes位移发光”现象最小化了各类能量传递和弛豫过程，因此，该类材料具有优异的发光效率。

对于一般的单激发态发光系统，荧光寿命是光致发光的本征性质，与激发光强度、探针浓度等无关。研究人员发现这类“零Stokes位移发光”材料就像是光的短暂存储器，具有微秒级的发光寿命；通过引入核壳结构有效压制Yb3+的发光淬灭过程，显著调节材料的发光寿命范围（33微秒至2毫秒），设计合成出多种相同物相组成、相同发光波长、不同发光寿命的稀土纳米材料。在此基础上，引入脉冲的激发光和时间门控探测，不同发光寿命的稀土探针容易被区分开。鉴于该类材料的独特性质，研究人员将其发展成时间域荧光成像方法，用于时间维度的多通道生物活体成像、荧光加密和解码、高灵敏肿瘤被动靶向成像等。

图2. a、b 通过调节纳米材料结构可以获得一系列发光寿命可调的纳米探针；c、d荧光寿命多通道生物活体成像；e 利用荧光寿命进行多通道加密和解码

复旦大学化学系博士生顾昱飏为该论文的第一作者，复旦大学的冯玮教授、悉尼科技大学的金大勇教授和复旦大学的李富友教授为该论文的共同通讯作者。该工作得到了复旦大学化学系、国家重点研发计划“纳米科技”重点专项、国家自然科学基金重大科研仪器研制项目等的大力支持。