多色長餘輝奈米粒子：平民版的實彩時間分辨成像和分析工具
什麼是時間分辨
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長餘輝奈米粒子
（AGNPs）在高對比度發光成像應用領域具有較大的應用潛力，發光壽命長、光譜可調的單分散AGNPs是長餘輝成像領域夢寐以求的理想成像試劑。在近期的
Advanced Materials
文章中，美國
麻省大學醫學院韓綱
課題組和
暨南大學李戰軍
教授
透過一種簡易的模板法首次成功合成了一系列多色AGNPs
。這些AGNPs除了具有包括藍、黃、綠和白等顏色的可調節餘輝光譜之外，還具有極高的發光亮度和均勻的粒徑，
無需複雜儀器演算法就可以實現實彩時間分辨成像和分析。
高對比度多元發光成像因其高靈敏度和高時空解析度的特點在體外及體內發光成像應用領域日益引起廣泛重視。人們開發設計了有機染料、熒光蛋白、無機量子點等多種光學探針以實現多元熒光成像。不過，這些熒光探針的熒光壽命極端，在獲取熒光訊號的同時必須同時開啟激發光。故此，熒光成像會受到強激發光的散射光和背景熒光的強烈干擾，從而難以獲得高對比度的成像結果。為了解決這一問題，大量的研究致力於製備長熒光壽命的光學探針用於時間分辨，但現有的熒光探針的熒光壽命普遍在微妙和毫秒範圍。人們不得不使用昂貴的精密的快門裝置和複雜的計算機演算法來實現熒光訊號與激發光相關噪聲的高效分離和時間分辨。
與上述熒光探針不同的是，新型長餘輝發光奈米粒子（AGNPs）具有獨特的長達數小時、甚至數天的超長髮光壽命。長餘輝發光成像過程中，人們擁有充足的時間關閉激發光，等待自發熒光自然衰減完全之後再開始採集餘輝訊號，從而獲得高質量的成像結果。得益於AGNPs的超長髮光壽命，人們甚至可以透過手動操作來實現原本需要精密時間分辨快門裝置的高質量發光成像，從而使得成像裝置大大簡化。基於AGNPs的長餘輝屬性，多色AGNPs可以為光學成像應用提供新型的免快門時間分辨發光成像工具，有助於克服目前時間分辨熒光探針在多元光學成像過程中所遇到的問題，並將促進光學成像技術的進一步發展。故此，該研究團隊透過一種簡易的模板法開發了這種多色AGNPs。研究結果表明，這些AGNPs具有尺寸單一、形貌規則、光譜可調、發光亮度高等特點（圖1）。作者發現這些AGNPs可以在不使用精密的時間快門裝置前體下，成功應用於高對比度的動物體外及體內多通道餘輝成像。
圖1。 多色AGNPs的合成及多元發光成像示意。
常規的體相餘輝材料已經開發出多種顏色。但是，對於成像應用所需的具有奈米尺寸的多色AGNPs，特別是具有可調光譜及強餘輝亮度的同基質多色AGNPs，一直鮮有報道。在此報道之前，具有單分散粒徑、規則形貌及可調光譜的AGNPs還有待實現。作者
使用介孔二氧化矽奈米粒子為模板，在其孔道中原位合成SiO2/CdSiO3奈米粒子（SCS）作為AGNPs的發光基質。
然後，作者研究了SCS奈米粒子的餘輝性質，發現與CdSiO3體相材料不同的是，SCS奈米粒子並沒有明顯的餘輝性質（圖2a）。為了啟用SCS的餘輝發光，他們將一些三價金屬離子（In，Y，Lu，Gd）摻雜如SCS材料中，以引入晶格缺陷，產生足夠的陷阱能級。他們發現In離子摻雜SCS具有明顯優於其他三價離子的餘輝性質，雖然最佳的In摻雜濃度為2%（vs。 Cd），但即使0。5%的In也可產生明亮的藍色餘輝發光。因為In離子自身在CdSiO3 （5。4 eV） 的帶隙中並沒有電子能級，作者認為SCS：In的藍色餘輝發光來自於三價In取代二價Cd產生的Cd或氧空位晶格缺陷。進一步將三價In和二價Mn離子共摻入SCS，製得了一些列SCS：In0。02，Mnx奈米粒子。隨著Mn粒子的濃度（vs。 Cd）從0。00005增加到0。001，可以觀察到位於438 nm的餘輝峰逐漸減弱（圖2c）。與此同時，SCS：In， Mn奈米粒子產生了一個新的位於580 nm處（4T1g（G）- 6A1g（S），Mn（II））的強餘輝發射峰。這一餘輝光譜的轉變表明了從SCS：In發光基質到Mn（II）的能量傳遞。透過Mn與In的共摻雜，實現了從藍色至黃色的連續餘輝顏色調節（圖2d）。
圖2。 SCS：In和SCS：In，Mn的餘輝光譜。（a） SCS：In相對於SCS的餘輝光譜；（b） In摻雜對SCS餘輝強度的影響；（c） In/Mn共摻雜SCS：In0。02，Mnx的餘輝光譜，x = 0。00005 to 0。001 （vs。 Cd）；（d） AGNPs的 CIE 色圖。
為了進一步研究SCS：In，Mn的餘輝機理，作者比較了SCS：In，Mn和SCS：Mn的餘輝衰減光譜。如圖4a所示，兩種奈米材料的餘輝衰減曲線都複合雙指數衰減模型，公式（1）：
Y=A1*exp（-x/τ1）+A2*exp（-x/τ2）+A0 （1）
結果表明，SCS：In，Mn相對於SCS：Mn具有更長的短時發光壽命（49 s）和長時發光壽命（304 s），並且具有更高的初始亮度。作者進一步研究了熱釋光譜，根據公式（2）估算了其陷阱能級。
E =Tm（K）/500（K） （2）
作者發現In摻雜將SCS：Mn的陷阱深度從0。76 eV移動到0。71 eV（圖3b）。鑑於0。70 eV是目前已知餘輝材料中最適合長時餘輝發射的陷阱深度，所以這種陷阱深度的變化是導致SCS：In，Mn具有更好餘輝性質的根本原因。他們進一步推測了一種可能的餘輝發光機制，如圖4c。對於SCS：Mn，激發光能量暫時儲存於Mn（II）相關陷阱能級Trap（Mn）中（路線I），陷阱捕獲的能量在室溫條件下緩慢透過Mn中心釋放餘輝。與次對應的是， SCS：In，Mn透過路線（II）釋放儲存的激發光能量。與路線（I）不同的是，激發光能量的釋放需要透過In相關陷阱（Trap（In））的中介，從而延長了餘輝壽命。
圖3。 In-共摻雜SCS：In，X的餘輝機理，多色餘輝光譜及多色餘輝防偽應用示意圖。（a） SCS：Mn0。001，In0。02和SCS：Mn0。001的餘輝衰減光譜；（b） SCS：In0。02，Mn0。001和SCS：Mn0。001的熱釋光譜；（c） 長餘輝發光機理示意圖；（d） SCS：Tb0。005和SCS：In0。02，Tb0。005的餘輝光譜， （e） SCS：Dy0。02和SCS：In0。02，Dy0。02的餘輝光譜， （f）餘輝衰減曲線；（g） AGNPs分散液的數碼照片，左：明場，中：比色皿中分散液的餘輝照片，右：手寫防偽標識。餘輝激發光源為254 nm紫外燈。
作者推測In摻雜可能能夠同時增強其他以SCS為發光基質的AGNPs的餘輝強度。故此，進一步合成了In共摻雜的SCS：In，Tb和SCS：In，Dy。與單摻雜的SCS：Tb和SCS：Dy相比，In共摻雜樣品具有明顯更強的餘輝發光性質（圖3d，e）。對於Tb摻雜樣品，In共摻雜使得549 nm處的特徵發射增強了約2。5倍。位於578 nm處的Dy的特徵餘輝發射因為In的共摻雜而增強了約10倍。餘輝衰減結果表明，共摻雜樣品具有更長的發光壽命（圖4f）。而且，這些SCS：In、SCS：In，Mn、SCS：In，Tb和SCS：In，Dy奈米粒子可以比較容易地分散在聚乙烯吡咯烷酮水溶液中（圖3g）。經254 nm紫外燈照射後，這些分散液可以發射肉眼可見餘輝發光。另外，這些分散液可以直接作為餘輝墨水應用於彩色防偽標識。如圖3g所示，作者用SCS：In、SCS：In，Tb、SCS：In，Mn和SCS：In，Dy分別書寫了具有明亮藍色、綠色、黃色和白色餘輝發光的字母A、G、N和P。餘輝圖案可以用普通的單反數碼相機獲得，該結果意味著所開發的多色AGNPs具有在包括防偽噴塗在內的資訊防偽及加密領域具有較大應用潛力。
小動物生物發光成像被認為是AGNPs最重要的潛在應用之一，作者探討了多色AGNPs在免快門時間分辨餘輝發光成像領域的潛在應用。如圖5所示，AGNPs分散液的餘輝訊號可以用傳統的生物發光成像系統採集，透過搭配合適的濾光片，可以選擇性地區分不同種類的AGNPs（圖4）。由於AGNPs的發光亮度很高，僅需要1 s的曝光時間就足以獲得清晰的餘輝發光成像照片。SCS：In、SCS：In，Tb和SCS：In，Mn奈米粒子的信噪比分別高達8。1×105、1。7×106、4。2×106。更重要的是，雖然AGNPs的餘輝發光強度隨時間推移而逐漸衰減，但是這些AGNPs可以透過家用白光LED手電筒的照射（5000 流明，10 s照射）而重新充能（也稱為光誘導餘輝發光），從而多次獲得高質量的餘輝發光成像結果。
圖4。 多色AGNPs的餘輝發光成像。（a） 體外發光成像（AGNP濃度，5 mg L-1；曝光時間1s）。（b）活體發光成像（AGNP劑量，5 mg L-1，50 μL；曝光時間1 s）。餘輝強度以偽色顯示。Y： yes， N： no。
總之，作者成功開發了單分散的多色長餘輝發光奈米粒子-AGNPs。發現In摻雜不僅能夠有效激發SCS奈米粒子的藍色餘輝發光（SCS：In），而且In的共摻雜可以有效增強多種長餘輝奈米粒子的餘輝發光，獲得了桔色SCS：In， Mn、綠色SCS：In，Tb和白色SCS：In，Dy餘輝發光AGNPs。這種由下而上的模板合成方法可以得到效能優異的AGNPs，從而使得高質量的多元餘輝發光成像應用成為可能。該研究結果不僅提供了具有豐富光譜性質的AGNPs，而且提供了一種可能的增強餘輝效能的摻雜改性策略。基於這些AGNPs豐富的光學性質，優異的幾何學特徵，高質量的成像能力，本研究將有助於簡化實彩時間分辨成像和分析進一步開發AGNPs在各個研究領域的潛在應用。
本研究受到了馬薩諸塞大學醫學院啟動基金和OTCV基金的支援。
Coloring afterglow nanoparticles for high-contrast time-gating-free multiplex luminescence imaging
Zhanjun Li， Nuo Yu， Juanjuan Zhou， Yang Li， Yuanwei Zhang， Ling Huang， Kai Huang， Yang Zhao， Sharon Kelmar， Jinyi Yang， Gang Han
Adv。 Mater
。，
2020
， DOI： 10。1002/adma。202003881
導師介紹
韓綱
https：//www。x-mol。com/university/faculty/215550
李戰軍
https：//www。x-mol。com/university/faculty/27184
