鑭系元素（Lanthanideelement）是元素週期系ⅢB族中原子序數為57~71的15種化學元素的統稱，包括鑭、鈰、鐠、釹、鉕、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、鑥，用符號Ln表示。上轉換髮光（Upconversion luminescence, UCL），即反-斯托克斯發光（Anti-Stokes），波長長的頻率低的激發出波長短的頻率高的光。其中，鑭系元素摻雜的上轉換納米顆粒（UCNPs）吸收兩個或更多的近紅外（NIR）光子，且發射能量更高的UV-NIR光子。因此，利用近紅外光子作為激發源的UCNPs在生物成像、生物傳感、藥物遞送等領域具有巨大應用價值。然而，由於鑭系元素離子的4f-4f電子躍遷的奇偶禁止性質，UCNPs的吸光性較差，導致其發光效率和亮度極低。雖然利用有機溶劑可以提高UCL強度的染料敏化效率，但是在水相中敏化效率受到嚴格限制。目前，在水相中報道的UCL染料敏化的最高增強因子僅為17倍。因此，在生物水性環境中，染料敏化策略尚不能解決UCL亮度瓶頸。此外，仍然不清楚限制水相中染料敏化的關鍵因素。
基於此，武漢大學的劉志洪教授和湖北大學的李貞博士（共同通訊作者）聯合報道了通過精細調節染料性質及其與UCNPs的組裝方式可以改變敏化效率。其中，UCNPs表面上的染料聚集出現聚集猝滅（ACQ）效應，從而限制在水相中UCL的敏化效率。因此，通過利用疏水相互作用來製備染料敏化的UCNPs系統。在該系統中，染料分子可在疏水層中自由擴散，並且能有效的避免染料分子的聚集。此外，通過精細調整染料的結構將其吸收帶與UCNPs的發射帶分開，從而減輕從Ln3+到染料的能量反向轉移（EBT），進一步促進了UCL的敏化作用。製備了優異的天線（Alk-pi），並在水相中實現了UCL增強超過600倍以上。同時，利用體內生物成像技術，研究了這種UCNPs的性能，其具有良好的生物相容性和較高的信號對比度。UCNPs的組成和結構表徵解析：如圖1a圖像所示，將Car-Cl附著在NaYF4納米顆粒的表面上，染料的發射在水中被徹底消除，但在DMF中仍然存在。可能是由於染料在顆粒表面有限空間內的ACQ引起的。對比DMF中的吸收光譜，在水相中695 nm附近出現強吸收帶（圖1b），這是H-二聚體的特徵吸收。根據染料的光致發光，UCNPs的UCL被Car-Cl敏化，DMF中最大增強613倍，但在H2O中未觀察到明顯的UCL增強（圖1c）。需注意的是，DMF中NaYF4納米顆粒表面上Car-Cl的熒光強度在11 nmol mg
-1時負載量達到最大，隨後強度降低，染料的負載量進一步增加。表明在有機溶劑中，ACQ也存在於高濃度的染料中。因此，染料的ACQ效應對UCL在水相中的敏化起決定性作用，如圖1d所示。
圖1、揭示ACQ是限制水相中染料敏化UCL的關鍵因素
探究水相中染料的敏化效率
基於前面的研究，作者嘗試是否可以通過減輕ACQ效應來解決此問題。因此，利用兩親性分子1, 2-二硬脂酰sn-甘油-3-磷酸乙醇胺-N-[(聚乙二醇)-甲氧基]（DSPE-PEG）包裹Car-Cl@粒子複合物（圖2a）。在水溶液中，染料處於部分疏水環境中。用DSPE-PEG包被後，在水中回收了NaYF4顆粒表面Car-Cl的排放（圖2b）。同時，降低了H-二聚體在水中的吸收（圖2c），表明由於DSPE-PEG的保護作用，減少了Car-Cl的聚集。當Car-Cl的濃度超過4.6 nmol mg-1時，其排放仍然下降。Car-Cl排放的恢復伴隨著水中UCL敏化的發生（圖2d）。敏化度隨Car-Cl濃度的增加而增加，最大增加到85倍，然後隨著Car-Cl濃度的增加而下降。結果表明，在UCNPs上的DSPE-PEG塗層有助於減輕ACQ作用，並且能促進UCL在水相中的染料敏化。同時，可以減少源自與水分子接觸的染料分子的熒光猝滅。
圖2、利用DSPE-PEG塗層實現水相中染料敏化的UCL增強
探究EBT對染料敏化性能的影響解析：作者利用哌嗪取代了Alk-Cl中的Cl，得到了染料Alk-pi。與上述相同，Alk-pi通過DSPE-PEG塗層固定在納米顆粒的表面（圖3a）。對比Alk-Cl，Alk-pi的吸收與Nd3+的發射重疊明顯減少（圖3b），將EBT從Nd3+還原為Alk-pi。如圖3c所示，染料縮短了Nd3+ 的發射壽命（4F3/2→4I9/2躍遷），但是Alk-pi引起的壽命降低明顯小於Alk-Cl引起的。Alk-pi的輕微藍移發射增加了Nd3+吸收的光譜重疊，有利於敏化作用。Alk-pi與納米顆粒組裝後沒有明顯的ACQ效果。此外，在疏水層中，Alk-pi在808 nm處的摩爾吸收係數為7.3 103mol-1L cm-1。雖然Alk-pi的吸收係數略低於Alk-Cl的吸收係數，但是在水相中使用Alk-pi作為天線，其UCL增強了約638倍（圖3d），因為降低了EBT效果。
圖3、通過減輕EBT提高水相中染料的敏化效率
探究染料敏化的UCNPs的生物成像性能
如圖4a所示，用Alk-pi-UCNPs-PEG給藥的小鼠在大腦中顯示出強UCL信號，無需開顱手術或顱骨變薄。尾部靜脈注射發光材料7 min後，出現最亮的UCL信號，然後逐漸消失。而注射了Alk-Cl-UCNPs-PEG的小鼠大腦中的UCL信號要弱得多（圖4b）。對於使用Car-Cl-UCNPs-PEG給藥的小鼠，在相同的成像條件下幾乎未觀察到熒光（圖4c）。這些結果再次強調了有效增敏水相中的UCL對於體內深層成像的重要性。最後，利用Alk-pi-UCNPs-PEG進行測試，即使用激光共聚焦顯微鏡觀察腦血管的顯微結構。如圖4e所示，可以通過Z-掃描和3D重建獲得清晰的腦血管形態。結果證明了在生物樣品中新構建的染料敏化上轉換材料的性能被顯著提高。
圖4、注射染料敏化UCNPs後的小鼠大腦體內UCL圖像
【小結】綜上所述，作者揭示了標記在UCNPs表面的染料的ACQ效應是抑制UCL在水相中染料敏化的最關鍵因素。通過合理引入長的疏水鏈，染料分子與納米顆粒組裝在一起，從而消除了染料在表面上的聚集。此外，通過精細地調控分子結構，使染料的吸收帶與Ln3+的發射帶分開，減輕了從Ln3+到染料的EBT。利用優化的染料Alk-pi作為天線，可以實現600倍以上的UCL增強。該材料具有高穩定性和生物相容性，並且最佳敏化的Alk-pi-UCNPs-PEG在體內深度成像中具有高信號對比度。該工作為在水相中的NIR染料敏化UCL鋪平了道路，並將極大地促進其未來的應用。
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文章信息：
Removing the Obstacle of Dye-Sensitized Upconversion Luminescence in Aqueous Phase to Achieve High-Contrast Deep Imaging In Vivo . Adv. Funct. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adfm.201910765.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201910765
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