光學(xué)成像因其及時(shí)反饋、高靈敏度和高分辨率的顯著特性，在醫(yī)療健康、環(huán)境檢測(cè)等諸多領(lǐng)域具有不可替代的重要地位。近紅外光是一種人眼不可見(jiàn)的光，相對(duì)于可見(jiàn)光（400-700 nm）而言，生物組織在近紅外窗口（700-1700 nm）對(duì)光的吸收與散射較小，所以發(fā)射近紅外光的探針在加密通訊和生物活體成像等領(lǐng)域具有天然優(yōu)勢(shì)。

然而，傳統(tǒng)的近紅外探針通常需要在能量較高的激光照射下才能發(fā)光，過(guò)高的照射功率不可避免地會(huì)造成背景的干擾，從而影響成像的信噪比和分辨率。此外，外部激光的輻照往往會(huì)造成潛在的過(guò)熱現(xiàn)象，容易對(duì)生物組織造成傷害。如何降低輻照光的能量，甚至在功率較低的環(huán)境光照射下實(shí)現(xiàn)高信噪比的近紅外成像，一直是科研人員面臨的難題。

近日，復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系張凡教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的高亮度近紅外探針實(shí)現(xiàn)了弱光照射下的高信噪比生物成像，為以上難題的攻克提供全新思路。北京時(shí)間2024年9月13日，相關(guān)研究成果以《高亮度過(guò)渡金屬敏化的鑭系近紅外發(fā)光納米顆粒》為題，在《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics）期刊在線發(fā)表，這也是復(fù)旦大學(xué)在交叉學(xué)科領(lǐng)域取得的又一重大成果。

張凡團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一系列尺寸均一、結(jié)構(gòu)和發(fā)射波長(zhǎng)可調(diào)的新型過(guò)渡金屬元素鉻敏化的鑭系納米發(fā)光顆粒（Cr3+-sensitized lanthanide-doped nanoparticles, CLNPs）。

團(tuán)隊(duì)首次在納米尺度實(shí)現(xiàn)了過(guò)渡金屬鉻離子對(duì)于六種鑭系激活劑的敏化，發(fā)光范圍覆蓋900-1700 nm。此外，與需要激光激發(fā)的傳統(tǒng)鑭系敏化納米粒子相比，新型的CLNPs在較弱的環(huán)境光照射下即可實(shí)現(xiàn)高效近紅外發(fā)光，CLNPs的亮度比相同尺寸的傳統(tǒng)鑭系敏化納米粒子最多高出三百七十倍。

不僅如此，CLNPs還可以外延生長(zhǎng)至傳統(tǒng)鑭系敏化納米粒子表面，形成長(zhǎng)程有序的核殼納米界面結(jié)構(gòu)，三價(jià)鉻離子同樣可以通過(guò)界面能量傳遞的方式對(duì)傳統(tǒng)鑭系納米顆粒進(jìn)行敏化，實(shí)現(xiàn)最高二十倍的發(fā)光增強(qiáng)。這一發(fā)現(xiàn)不僅拓寬了現(xiàn)有鑭系納米顆粒的工具庫(kù)，還開(kāi)啟了依靠過(guò)渡金屬敏化來(lái)實(shí)現(xiàn)鑭系納米顆粒高效發(fā)光的新領(lǐng)域。

基于CLNPs良好的化學(xué)穩(wěn)定性，團(tuán)隊(duì)將其作為新型防偽墨水實(shí)現(xiàn)了近紅外窗口的四色加密：噴灑了防偽墨水的樹(shù)葉在肉眼下仍然保持綠色，但在近紅外相機(jī)視野中，不再需要高功率的激光，僅需環(huán)境光的照射便可以清晰地觀察到不同通道的加密信息。

不僅如此，在小鼠皮下瘤的手術(shù)切除實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)利用CLNPs的強(qiáng)消光特性，僅在手術(shù)室無(wú)影燈的照射下就可實(shí)現(xiàn)近紅外手術(shù)導(dǎo)航。相比之下，為達(dá)到相同效果，使用傳統(tǒng)激光激發(fā)的功率需要高出十一倍。

此外，團(tuán)隊(duì)還使用了口服商品化長(zhǎng)余輝材料作為“內(nèi)照射”光源，通過(guò)選用摻雜不同鑭系激活劑的CLNPs可以實(shí)現(xiàn)小鼠不同臟器和不同病灶部位的高對(duì)比度多重成像。這一技術(shù)的應(yīng)用極大地簡(jiǎn)化了近紅外成像的使用條件，同時(shí)也拓寬了近紅外納米探針的使用范圍。

由于鉻的全球年產(chǎn)量約為所有鑭系元素總產(chǎn)量之和的150倍，基于CLNPs的發(fā)光平臺(tái)還極具高效和經(jīng)濟(jì)性。即使在極低光照條件下，CLNPs仍然具有高效發(fā)光的性質(zhì)。這一科研進(jìn)展將為材料科學(xué)、分析化學(xué)、信息工程、生物光子學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程和醫(yī)療診斷等領(lǐng)域拓寬研究視野。