累计超过30篇NS系列：这个课题组的研究成果会“发光”

【引言】

稀土掺杂纳米材料（镧系纳米晶）由于具有独特的光学性质，如丰富的4f能级、较长的发光寿命、可编程的发射带和高光稳定性，已经成为普遍关注的新一代发光材料，在生命科学领域（超分辨成像、近红外二区成像）到前沿科技创新（X射线成像、微纳激光、高密度数据存储）等领域具有广泛的应用前景。新加坡国立大学刘小钢教授团队2010年在Nature发表了一篇文章，开发了基于镧系元素掺杂的合成策略，实现了同时调控氟化物纳米晶晶相、尺寸和发光性能，从而制备出了高纯相、高结晶度的上转换发光纳米晶，并初步展示该类纳米发光材料在三维显示领域的潜在应用（图1）^[1]。这一研究不仅为纳米晶可控生长提供了新的设计思路，而且提供了一个具有普适性的掺杂技术平台，大大推动和丰富了发光纳米材料的研究。至此之后，刘教授课题组深耕稀土掺杂纳米材料领域，致力于挖掘该类发光材料的应用潜力。

图1 基于钆离子掺杂的纳米晶相和发光性能调控以及三维显示展示（该研究发表在Nature杂志上，WOS数据显示此文被引次数超过2656次）© 2022 Springer Nature Limited

【最新力作——镧系纳米转换器】

近期，由刘小钢教授团队领衔，基于镧系纳米晶开发了一种全新的光学转换器（optical transducers），再一次证明了镧系纳米晶这类发光材料的应用潜能^[2]。2022年8月1日，该工作以“Incoherent broadband mid-infrared detection with lanthanide nanotransducers”发表在期刊Nature Photonics。这项工作由刘小钢教授、其团队博士后梁亮亮以及新加坡国立大学Qi Jie Wang教授作为共同通讯作者合作完成。

中红外（MIR）光谱在生命科学、遥感、安全、工业成像和环境监测等领域均有着广泛的应用。例如，中红外光谱能够确定生物分子的结构并直接探测几乎所有的气体分子；同时，它也可作为自由空间中光通信的强大工具。为了发展MIR技术，研究人员长期以来已经付出了相当大的努力，然而，至今为止所出现的室温MIR探测和成像技术仍然不能令人满意，其在制造工艺、成本以及背景信号（噪声）方面均有待提高和改善。为了解决这些问题，一种可行的策略是将MIR辐射转换到可见光（VIS）和近红外（NIR）区域，在该区域，成熟的硅光电探测器可进行高灵敏度地检测和成像，具有一定成本效益（图2）^[3]。

图2 通过将燃烧过程的MIR发光转换为可见光，人们成功的对火焰进行谱学成像并可进一步对此过程进行气体分析© 2022 Springer Nature Limited

然而，目前常用的MIR-VIS/NIR光谱转换材料为块体非线性晶体，为实现光谱转换需要对这类晶体进行精细的偏振控制、相位匹配和高功率泵浦激光辐照。由此一来，非线性转换对光学精度和机械稳定性的要求非常高，导致相关仪器昂贵和复杂。于是，在本研究中，作者们提出了一种镧系基MIR- NIR纳米转换器作为全新的光谱转换材料。基于这类纳米晶传感器，研究探索了比率NIR发光策略以实现非相干宽带MIR感测。由于比率测量通常对散射光和仪器波动不敏感，因此该策略有望降低光谱转换对仪器的要求。

考虑到晶格声子能量要低，作者选择掺杂有钕发射体的六方核壳NaYF₄纳米晶（NaYF₄:Nd³⁺@NaYF₄）作为纳米转换器。如图3所示，使用740 nm连续激光器可以有效地将Nd³⁺离子泵送到⁴F_7/2态，同时产生两个斯托克斯发射带，其中心位于806 纳米（⁴F_5/2 → ⁴I_9/2）和866 纳米（⁴F_3/2 → ⁴I_9/2）。此外，经过参数优化，作者发现为实现明亮的纳米转换器，最佳的掺杂浓度约为5%。

图3 使用镧系纳米转换器实现非相干宽带MIR探测的机制© 2022 Springer Nature Limited

研究进一步详细解释道，由于⁴F_5/2会快速、多声子辅助、非辐射的去布居化（depopulation）至⁴F_3/2能级，因此806 nm发射带比866 nm发射带要弱得多。同时，得益于亚稳态⁴F_3/2态的超长发光寿命（几十到几百微秒），可进一步发生从长寿命⁴F_3/2能级到更高能级（⁴F_5/2，⁴F_7/2）的有效MIR反向泵浦（back-pumping），最终大大提高了806/866 nm强度比。基于这一现象，近红外发光强度比率可以用来对MIR强度进行实时监测。需要指出的是，由于稀土能级具有准连续能带的性质，其可对4.5–10.8 µm波长范围的MIR辐射进行监测。另外，改转换器的检测限达到~0.3 nW × µm⁻²，内部量子效率则在3 × 10⁻³数量级水平。此外，与非线性的MIR转换策略相比，镧系纳米转换器中发生的能级跃迁与偏振和相位匹配无关，也无需低温冷却或者微纳共振腔的辅助。因此，即使使用低成本的发光二极管，也可以有效地泵浦这些纳米转换器。

图4 镧系纳米转换器介导的宽带气体感测和室温MIR成像© 2022 Springer Nature Limited

如图4所示，这些镧系纳米转换器还展现出了优异的长期光稳定性和较宽的波长响应性，在MIR谱学研究和成像方面均存在着巨大的应用潜力。以MIR谱学技术为例，这类光谱可记录分子的振动模式，而通过监测806 nm或者806 nm/866 nm处的强度波动，可以很好地记录在氮气中稀释的气体分子的光衰减 情况。此外，结合低成本CMOS相机，镧系纳米转换器还能实现室温MIR成像。研究利用CMOS相机通过记录800 nm附近经过转换的NIR发射强度，可直接在纳米转换器薄膜上成像光强分布情况。虽然目前稀土纳米转换器的灵敏度远低于商业化的探测器和相机，其性能仍有巨大的提升空间。另外，稀土纳米转换器在微纳加工方面具有独特的优势，比如通过打印等方式可以实现很好的片上集成。

【稀土掺杂——发光材料好帮手】

针对镧系掺杂发光纳米材料的研究，刘教授团队在近年持续产出了多项具有创新性的工作。在2021年，他与福州大学杨黄浩教授、陈秋水教授（共同通讯作者）等科研工作者合作，在Nature发表了题为“High-resolution X-ray luminescence extension imaging”的研究工作。在这项工作中，作者们发现可溶液加工的镧系掺杂纳米闪烁体具有超长X射线发光寿命，并基于该发光现象发展了柔性高分辨的三维X射线发光扩展成像技术。

X射线成像技术在伦琴发现X射线后的一百多年里不断进步发展，到了上世纪末，逐渐出现了平板型探测器（FPD），可直接将二维投影转化为数字信号，是当前使用的主流探测技术。该探测器由一层闪烁体（可将高能X射线转换成低能光发射的材料）和一层高度像素化的光电薄膜晶体管（TFT）组成，后者可将发射的光进一步转换成电流以进行计算图像重建。但是随着对三维高分辨成像需求的出现，平板探测器并不适用于对非规则/弯曲物体进行成像，亟需开发柔性X射线探测器。

柔性X射线探测器对柔性TFT基底和闪烁体均提出了极高的要求。例如，需要将闪烁体组成的薄层贴附在柔性光电转换基底上。然而，传统的闪烁体材料存在着合成条件苛刻、难以溶液加工、发光效率有限、辐射发光波长不易精细控制等问题，因此柔性X射线成像技术仍未取得突破性发展。

图5 镧系掺杂长余辉纳米闪烁体^[4]© 2022 Springer Nature Limited

针对这一问题，上述研究团队合成了一系列铽（Tb³⁺）掺杂NaLuF₄纳米闪烁体。这一油酸封端的纳米晶具有核壳结构和六方形貌，在X射线激发下，凭借Tb³⁺的光学跃迁（⁵D₄ → ⁷F₄ (584 nm), ⁵D₄ → ⁷F₅ (546 nm)和 ⁵D₄ → ⁷F₆ (489 nm)）可产生一系列高强度发射带。当X射线辐照停止后，该纳米晶还展现出了持续的辐射发光行为（图5）。研究表明，该晶体可将X射线辐照产生的电荷载流子存储在晶格缺陷中长达数周的时间，在室温条件下载流子的缓慢逃逸可诱导超过30天的持续辐射发光。与此同时，研究还发现高能量X射线光子与晶格碰撞可使半径较小的氟离子偏离晶格位置，所形成阴离子Frenkel缺陷可捕获辐照产生的电荷载流子。通过将该类长余辉纳米闪烁体与高弹性聚合物相结合，发明了X射线发光扩展成像技术（Xr-LEI），实现了柔性、高分辨（空间分辨率大于20 lp/mm）的全景X射线成像。

在上述工作中，镧系掺杂纳米晶助力开发了柔性高分辨X射线成像新技术和新仪器，突破了传统X射线成像技术的固有限制，在国际上率先研发出柔性高分辨X射线成像技术，有力抢占了柔性X射线成像产业的制高点。

同样在去年，刘教授团队在镧系纳米颗粒基受激辐射耗尽（STED）显微成像技术方面也取得了重大的突破。STED技术可将人的视野深入扩展到亚细胞水平。然而，在低功率连续波激光耗尽下，在NIR光学窗口中进行长达数小时的无自体荧光超分辨率成像仍然极具挑战性。

面对这一挑战，刘小钢教授与暨南大学李向平教授合作开发了一种能够在全近红外光谱波段（激发波长为808 nm，耗尽波长为1064 nm，发射波长为 850–900 nm）实现背景抑制STED成像的下转换镧系纳米颗粒 。该纳米材料具有准四能级结构和长寿命（τ > 100 μs）亚稳态，可在19  kW cm⁻²饱和强度下展现良好的发光抑制效率。文章以题为“Continuous-wave near-infrared stimulated-emission depletion microscopy using downshifting lanthanide nanoparticles”发表在Nature Nanotechnology上。

大量的研究证明，具有稳定的发射态（τ > 100 μs）的镧系发射体在激光和超分辨成像方面具有巨大的应用价值。对于具有准四能级能量配置的发光体来说，其低能级远高于基态，因此通过低功率泵浦可以维持显著的布居反转，并且可以完全避免激光辐射在增益介质中的再吸收。例如，钕（Nd）具有有效的受激发射，即使在太阳光泵浦下也可以用于产生近红外激光。受此启发，作者认为合理设计的镧系元素发射体同样可以用于大幅改善STED显微技术。

图6 全NIR准四能级连续波STED显微技术^[5]© 2022 Springer Nature Limited

因此，研究将钕发射体随机集成在六方相NaYF₄纳米晶体中，当被808 nm（NIR-I）激发时 ，这些包含数百个慢发射（slow-emitting）发射体的钕激活纳米晶体可产生两个强烈的下转换发光带，一个集中在864 nm（NIR-I，⁴F_3/2→⁴I_9/2），而另一个则位于1064 nm（NIR-II，⁴F_3/2→⁴I_11/2）。而通过添加连续波 1064nm耗尽光束，864nm处的发射带可被几乎完全抑制。此外，由于紧密间隔的高能能级可快速非辐射驰豫至亚稳态（⁴F_3/2）而产生高效布居累积，  NaYF₄:Nd（1%）纳米晶体在864nm处的下转换发光比其在588nm处的上转换发光明亮近四个数量级 。应用这一纳米探针材料，全近红外系统可实现高对比度深部组织（~50 μm）成像，其空间分辨率可达到约70 nm水平。因此，研究认为这些镧系物纳米探针有望扩展STED显微技术的应用领域，并为在优越的空间和时间维度上进行细胞过程的高分辨率延时研究铺平道路。

【总结】

不论是上转换、下转换还是长余辉发光，镧系纳米晶都是极具应用前景的新一代发光材料。但正如作者多次提到的，对镧系发光纳米晶研究依然任重道远。对于镧系纳米晶的生物应用，尤其是高分辨生物成像应用，亟需开发出有效的荧光标记策略来提升纳米探针对精细细胞结构的高效标记。同时，开发超小尺寸（< 10 nm）高亮度的镧系纳米材料也充满了挑战。另外，由于稀土间错综复杂的能量传递路径，极大限制了学界对此类材料发光动力学的认知，阻碍了对其新性能、新应用的进一步探究。

参考文献

1.F. Wang, et al. Simultaneous phase and size control of upconversion nanocrystals through lanthanide doping. Nature, 463, 1061-1065 (2010).

2.L. Liang, et al. Incoherent broadband mid-infrared detection with lanthanide nanotransducers. Nature Photonics, doi: 10.1038/s41566-022-01042-7 (2022).

3.J. S. Dam, et al. Room-temperature mid-infrared single-photon spectral imaging. Nature Photonics, 6, 788-793 (2012).

4.X. Ou, et al. High-resolution X-ray luminescence extension imaging. Nature, 590, 410-415 (2021).

5. 5. L. Liang, et al. Continuous-wave near-infrared stimulated-emission depletion microscopy using downshifting lanthanide nanoparticles. Nature Nanotechnology, 16, 975-980 (2021).