复旦大学张凡团队开发高亮度近红外探针，实现弱光照射下的高信噪比生物成像

光学成像因其高灵敏度和高分辨率，广泛应用于医疗健康、环境检测等领域。近红外光是一种人眼不可见的光，生物组织在近红外窗口（700-1700 nm）对光的吸收与散射较小，因此在生物活体成像和加密通讯等方面具有巨大潜力。然而，传统近红外探针往往需要高功率激光才能发光，这容易导致背景干扰、信噪比下降，并可能损伤生物组织。降低光照强度、实现高信噪比近红外成像一直是研究的重点。

近日，复旦大学化学系张凡教授团队开发了一种新型高亮度近红外探针，成功实现了低光照条件下的高效成像。北京时间2024年9月13日，相关研究成果以《高亮度过渡金属敏化的镧系近红外发光纳米颗粒》为题，在《自然·光子学》期刊在线发表，这也是复旦大学在交叉学科领域取得的又一重大成果。

纳米尺寸的发光材料在微纳加工、信息加密以及生物医学领域发挥了重要作用。镧系发光纳米颗粒因其原子级别的可调性和界面能量传递的特性，在发光波长调节和斯托克斯位移调控等方面更加丰富了发光材料的性能。传统的镧系探针由敏化剂、激活剂和基质组成，敏化剂吸收外部能量后将其传递给激活剂，激活剂再发出特定波长的光。然而，传统敏化剂的吸收效率较低，通常需要高功率激光来激发发光，限制了其在低光照环境中的应用。

为解决这一难题，张凡团队开发了一系列尺寸均一、结构和发射波长可调的新型过渡金属元素铬敏化的镧系纳米发光颗粒（Cr3+-sensitized lanthanide-doped nanoparticles, CLNPs）。铬离子具有较高的光吸收截面，其吸光能力是传统镧系敏化剂的十四倍。团队通过纳米基质实现了铬离子对多种镧系激活剂的敏化，发光波长覆盖900-1700 nm的近红外区域。CLNPs在弱光环境下的亮度比传统探针高出370倍。

a，传统镧系敏化剂(i)与过渡金属敏化剂(ii)对于激活剂能量传输的发光机理；b，铬离子和镱离子摩尔消光系数对比；c，CLNPs:Er的形貌表征；d，CLNPs的光学表征

不仅如此，CLNPs还可以外延生长至传统镧系敏化纳米粒子表面，形成长程有序的核壳纳米界面结构，三价铬离子同样可以通过界面能量传递的方式对传统镧系纳米颗粒进行敏化，实现最高二十倍的发光增强。这一发现不仅拓宽了现有镧系纳米颗粒的工具库，还开启了依靠过渡金属敏化来实现镧系纳米颗粒高效发光的新领域。

这一技术不仅提升了近红外成像的性能，还在防伪和加密应用中展现出潜力。团队开发的防伪墨水在普通光照下无异，但在近红外相机下可清晰读取加密信息，且不需要高功率激光。此技术还应用于小鼠皮下瘤手术导航实验中，CLNPs仅在手术室无影灯的照射下便能实现高效成像，传统探针则需十一倍功率的激光才能达到同样效果。此外，团队还使用口服长余辉材料作为内照射光源，实现了小鼠不同脏器和病灶的高对比度成像。

a-b，环境光照射下近红外防伪墨水用于四色加密；c-e，手术室无影灯照射下肿瘤切除导航；f-g；口服商业化长余辉荧光粉作为"内照射"光源的小鼠胃部与原位胃癌肿瘤的双通道近红外成像

铬作为一种常见元素，年产量远高于镧系元素，因此CLNPs的制造具备成本优势。这一研究成果不仅推动了近红外探针的应用，还拓宽了材料科学、信息工程、生物医学等多个领域的研究视野。

复旦大学化学系博士生明江为第一作者；复旦大学化学系教授张凡为通讯作者。研究工作得到了复旦大学化学系、聚合物分子工程国家重点实验室、国家重点研发计划、国家自然科学基金委员会、科学探索奖、上海市科学技术委员会、上海市教委创新计划等机构与项目的大力支持。

　　作者：张菲垭

文：张菲垭 图：复旦大学供图 编辑：张菲垭 责任编辑：姜澎

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