累計超過30篇NS系列：這個課題組的研究成果會“發光”

【引言】

稀土摻雜納米材料（鑭系納米晶）由于具有獨特的光學性質，如豐富的4f能級、較長的發光壽命、可編程的發射帶和高光穩定性，已經成為普遍關注的新一代發光材料，在生命科學領域（超分辨成像、近紅外二區成像）到前沿科技創新（X射線成像、微納激光、高密度數據存儲）等領域具有廣泛的應用前景。新加坡國立大學劉小鋼教授團隊2010年在Nature發表了一篇文章，開發了基于鑭系元素摻雜的合成策略，實現了同時調控氟化物納米晶晶相、尺寸和發光性能，從而制備出了高純相、高結晶度的上轉換發光納米晶，并初步展示該類納米發光材料在三維顯示領域的潛在應用（圖1）^[1]。這一研究不僅為納米晶可控生長提供了新的設計思路，而且提供了一個具有普適性的摻雜技術平臺，大大推動和豐富了發光納米材料的研究。至此之后，劉教授課題組深耕稀土摻雜納米材料領域，致力于挖掘該類發光材料的應用潛力。

圖1?基于釓離子摻雜的納米晶相和發光性能調控以及三維顯示展示（該研究發表在Nature雜志上，WOS數據顯示此文被引次數超過2656次）??2022 Springer Nature Limited

【最新力作——鑭系納米轉換器】

近期，由劉小鋼教授團隊領銜，基于鑭系納米晶開發了一種全新的光學轉換器（optical transducers），再一次證明了鑭系納米晶這類發光材料的應用潛能^[2]。2022年8月1日，該工作以“Incoherent broadband mid-infrared detection with lanthanide nanotransducers”發表在期刊Nature Photonics。這項工作由劉小鋼教授、其團隊博士后梁亮亮以及新加坡國立大學Qi Jie Wang教授作為共同通訊作者合作完成。

中紅外（MIR）光譜在生命科學、遙感、安全、工業成像和環境監測等領域均有著廣泛的應用。例如，中紅外光譜能夠確定生物分子的結構并直接探測幾乎所有的氣體分子；同時，它也可作為自由空間中光通信的強大工具。為了發展MIR技術，研究人員長期以來已經付出了相當大的努力，然而，至今為止所出現的室溫MIR探測和成像技術仍然不能令人滿意，其在制造工藝、成本以及背景信號（噪聲）方面均有待提高和改善。為了解決這些問題，一種可行的策略是將MIR輻射轉換到可見光（VIS）和近紅外（NIR）區域，在該區域，成熟的硅光電探測器可進行高靈敏度地檢測和成像，具有一定成本效益（圖2）^[3]。

圖2?通過將燃燒過程的MIR發光轉換為可見光，人們成功的對火焰進行譜學成像并可進一步對此過程進行氣體分析??2022 Springer Nature Limited

然而，目前常用的MIR-VIS/NIR光譜轉換材料為塊體非線性晶體，為實現光譜轉換需要對這類晶體進行精細的偏振控制、相位匹配和高功率泵浦激光輻照。由此一來，非線性轉換對光學精度和機械穩定性的要求非常高，導致相關儀器昂貴和復雜。于是，在本研究中，作者們提出了一種鑭系基MIR- NIR納米轉換器作為全新的光譜轉換材料。基于這類納米晶傳感器，研究探索了比率NIR發光策略以實現非相干寬帶MIR感測。由于比率測量通常對散射光和儀器波動不敏感，因此該策略有望降低光譜轉換對儀器的要求。

考慮到晶格聲子能量要低，作者選擇摻雜有釹發射體的六方核殼NaYF₄納米晶（NaYF₄:Nd³⁺@NaYF₄）作為納米轉換器。如圖3所示，使用740 nm連續激光器可以有效地將Nd³⁺離子泵送到⁴F_7/2態，同時產生兩個斯托克斯發射帶，其中心位于806?納米（⁴F_5/2?→?⁴I_9/2）和866?納米（⁴F_3/2?→?⁴I_9/2）。此外，經過參數優化，作者發現為實現明亮的納米轉換器，最佳的摻雜濃度約為5%。

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圖3?使用鑭系納米轉換器實現非相干寬帶MIR探測的機制??2022 Springer Nature Limited

研究進一步詳細解釋道，由于⁴F_5/2會快速、多聲子輔助、非輻射的去布居化（depopulation）至⁴F_3/2能級，因此806?nm發射帶比866 nm發射帶要弱得多。同時，得益于亞穩態⁴F_3/2態的超長發光壽命（幾十到幾百微秒），可進一步發生從長壽命⁴F_3/2能級到更高能級（⁴F_5/2，⁴F_7/2）的有效MIR反向泵浦（back-pumping），最終大大提高了806/866?nm強度比。基于這一現象，近紅外發光強度比率可以用來對MIR強度進行實時監測。需要指出的是，由于稀土能級具有準連續能帶的性質，其可對4.5–10.8?μm波長范圍的MIR輻射進行監測。另外，改轉換器的檢測限達到~0.3?nW?×?μm^?2，內部量子效率則在3?×?10^?3數量級水平。此外，與非線性的MIR轉換策略相比，鑭系納米轉換器中發生的能級躍遷與偏振和相位匹配無關，也無需低溫冷卻或者微納共振腔的輔助。因此，即使使用低成本的發光二極管，也可以有效地泵浦這些納米轉換器。

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圖4?鑭系納米轉換器介導的寬帶氣體感測和室溫MIR成像??2022 Springer Nature Limited

如圖4所示，這些鑭系納米轉換器還展現出了優異的長期光穩定性和較寬的波長響應性，在MIR譜學研究和成像方面均存在著巨大的應用潛力。以MIR譜學技術為例，這類光譜可記錄分子的振動模式，而通過監測806 nm或者806 nm/866?nm處的強度波動，可以很好地記錄在氮氣中稀釋的氣體分子的光衰減?情況。此外，結合低成本CMOS相機，鑭系納米轉換器還能實現室溫MIR成像。研究利用CMOS相機通過記錄800 nm附近經過轉換的NIR發射強度，可直接在納米轉換器薄膜上成像光強分布情況。雖然目前稀土納米轉換器的靈敏度遠低于商業化的探測器和相機，其性能仍有巨大的提升空間。另外，稀土納米轉換器在微納加工方面具有獨特的優勢，比如通過打印等方式可以實現很好的片上集成。

【稀土摻雜——發光材料好幫手】

針對鑭系摻雜發光納米材料的研究，劉教授團隊在近年持續產出了多項具有創新性的工作。在2021年，他與福州大學楊黃浩教授、陳秋水教授（共同通訊作者）等科研工作者合作，在Nature發表了題為“High-resolution X-ray luminescence extension imaging”的研究工作。在這項工作中，作者們發現可溶液加工的鑭系摻雜納米閃爍體具有超長X射線發光壽命，并基于該發光現象發展了柔性高分辨的三維X射線發光擴展成像技術。

X射線成像技術在倫琴發現X射線后的一百多年里不斷進步發展，到了上世紀末，逐漸出現了平板型探測器（FPD），可直接將二維投影轉化為數字信號，是當前使用的主流探測技術。該探測器由一層閃爍體（可將高能X射線轉換成低能光發射的材料）和一層高度像素化的光電薄膜晶體管（TFT）組成，后者可將發射的光進一步轉換成電流以進行計算圖像重建。但是隨著對三維高分辨成像需求的出現，平板探測器并不適用于對非規則/彎曲物體進行成像，亟需開發柔性X射線探測器。

柔性X射線探測器對柔性TFT基底和閃爍體均提出了極高的要求。例如，需要將閃爍體組成的薄層貼附在柔性光電轉換基底上。然而，傳統的閃爍體材料存在著合成條件苛刻、難以溶液加工、發光效率有限、輻射發光波長不易精細控制等問題，因此柔性X射線成像技術仍未取得突破性發展。

圖5?鑭系摻雜長余輝納米閃爍體^[4]??2022 Springer Nature Limited

針對這一問題，上述研究團隊合成了一系列鋱（Tb³⁺）摻雜NaLuF₄納米閃爍體。這一油酸封端的納米晶具有核殼結構和六方形貌，在X射線激發下，憑借Tb³⁺的光學躍遷（⁵D₄?→?⁷F₄?(584 nm), ⁵D₄?→?⁷F₅?(546 nm)和?⁵D₄?→?⁷F₆?(489 nm)）可產生一系列高強度發射帶。當X射線輻照停止后，該納米晶還展現出了持續的輻射發光行為（圖5）。研究表明，該晶體可將X射線輻照產生的電荷載流子存儲在晶格缺陷中長達數周的時間，在室溫條件下載流子的緩慢逃逸可誘導超過30天的持續輻射發光。與此同時，研究還發現高能量X射線光子與晶格碰撞可使半徑較小的氟離子偏離晶格位置，所形成陰離子Frenkel缺陷可捕獲輻照產生的電荷載流子。通過將該類長余輝納米閃爍體與高彈性聚合物相結合，發明了X射線發光擴展成像技術（Xr-LEI），實現了柔性、高分辨（空間分辨率大于20 lp/mm）的全景X射線成像。

在上述工作中，鑭系摻雜納米晶助力開發了柔性高分辨X射線成像新技術和新儀器，突破了傳統X射線成像技術的固有限制，在國際上率先研發出柔性高分辨X射線成像技術，有力搶占了柔性X射線成像產業的制高點。

同樣在去年，劉教授團隊在鑭系納米顆粒基受激輻射耗盡（STED）顯微成像技術方面也取得了重大的突破。STED技術可將人的視野深入擴展到亞細胞水平。然而，在低功率連續波激光耗盡下，在NIR光學窗口中進行長達數小時的無自體熒光超分辨率成像仍然極具挑戰性。

面對這一挑戰，劉小鋼教授與暨南大學李向平教授合作開發了一種能夠在全近紅外光譜波段（激發波長為808?nm，耗盡波長為1064?nm，發射波長為?850–900?nm）實現背景抑制STED成像的下轉換鑭系納米顆粒?。該納米材料具有準四能級結構和長壽命（τ?>?100?μs）亞穩態，可在19? kW?cm^?2飽和強度下展現良好的發光抑制效率。文章以題為“Continuous-wave near-infrared stimulated-emission depletion microscopy using downshifting lanthanide nanoparticles”發表在Nature?Nanotechnology上。

大量的研究證明，具有穩定的發射態（τ?>?100?μs）的鑭系發射體在激光和超分辨成像方面具有巨大的應用價值。對于具有準四能級能量配置的發光體來說，其低能級遠高于基態，因此通過低功率泵浦可以維持顯著的布居反轉，并且可以完全避免激光輻射在增益介質中的再吸收。例如，釹（Nd）具有有效的受激發射，即使在太陽光泵浦下也可以用于產生近紅外激光。受此啟發，作者認為合理設計的鑭系元素發射體同樣可以用于大幅改善STED顯微技術。

圖6?全NIR準四能級連續波STED顯微技術^[5]??2022 Springer Nature Limited

因此，研究將釹發射體隨機集成在六方相NaYF₄納米晶體中，當被808 nm（NIR-I）激發時?，這些包含數百個慢發射（slow-emitting）發射體的釹激活納米晶體可產生兩個強烈的下轉換發光帶，一個集中在864?nm（NIR-I，⁴F_3/2→⁴I_9/2），而另一個則位于1064?nm（NIR-II，⁴F_3/2→⁴I_11/2）。而通過添加連續波?1064nm耗盡光束，864nm處的發射帶可被幾乎完全抑制。此外，由于緊密間隔的高能能級可快速非輻射馳豫至亞穩態（⁴F_3/2）而產生高效布居累積，? NaYF₄:Nd（1%）納米晶體在864nm處的下轉換發光比其在588nm處的上轉換發光明亮近四個數量級?。應用這一納米探針材料，全近紅外系統可實現高對比度深部組織（~50?μm）成像，其空間分辨率可達到約70?nm水平。因此，研究認為這些鑭系物納米探針有望擴展STED顯微技術的應用領域，并為在優越的空間和時間維度上進行細胞過程的高分辨率延時研究鋪平道路。

【總結】

不論是上轉換、下轉換還是長余輝發光，鑭系納米晶都是極具應用前景的新一代發光材料。但正如作者多次提到的，對鑭系發光納米晶研究依然任重道遠。對于鑭系納米晶的生物應用，尤其是高分辨生物成像應用，亟需開發出有效的熒光標記策略來提升納米探針對精細細胞結構的高效標記。同時，開發超小尺寸（< 10 nm）高亮度的鑭系納米材料也充滿了挑戰。另外，由于稀土間錯綜復雜的能量傳遞路徑，極大限制了學界對此類材料發光動力學的認知，阻礙了對其新性能、新應用的進一步探究。

參考文獻

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).