納米人聯合奇物論編輯部對2019年國內外重要科研團隊的代表性重要成果進行了梳理，今天，我們要介紹的是新加坡國立大學化學系劉小鋼教授。
劉小鋼教授主要從事納米材料制備和自組裝、生物無機化學和超分子化學、催化表面科學、光電太陽能技術、傳感器和生物醫學應用等方面研究。
課題組研究方向包括：
（1）DNA修飾的納米粒子；
（2）納米結構材料；
（3）過渡金屬基催化；
（4）摻雜鑭系元素的發光納米粒子。
下面，我們簡要總結了劉小鋼教授課題組2019年部分研究成果，供大家交流學習。
1）由于相關論文數量較多，本文僅限于通訊作者文章（不包括序言、短篇評述等），以online時間為準。
2）由于學術有限，所選文章及其表述如有不當，敬請批評指正。
3）由于篇幅限制，部分成果未列入編號，僅以發表截圖展示。
以下分為四個方面展開：
Part Ⅰ 上轉換
Part Ⅱ 上轉換生物醫學
Part Ⅲ 光學安全
Part Ⅳ 綜述
Part Ⅰ 調節上轉換
1. Nature Nanotechnology：壽命不到2 μs的上轉換超爆發
通過鑭系元素摻雜的上轉換納米粒子產生的反斯托克斯發射對于能量收集，生物成像和光學密碼術中的技術應用非常重要。然而，上轉換納米粒子的吸收弱和輻射壽命長可能會極大地限制其在成像和標記應用中的應用，在這些應用中，快速自發發射率至關重要。
新加坡國立大學劉小鋼和波爾多大學Renaud A. L. Vallée團隊報道了通過將間隙等離子體激元模式耦合到納米粒子發射體上，直接觀察到具有定向、快速和超亮發光的上轉換超爆發（superburst）。通過精確控制納米粒子的局部狀態密度，將發射放大了4到5個數量級，自發發射速率提高了166倍。研究還證明，調整等離激元腔的模式可以主動控制上轉換發射的顏色輸出。這些發現可能有益于快速非線性圖像掃描納米技術的未來發展，并開辟了構建由電信波長驅動的高頻單光子發射器的可能性。
Upconversionsuperburst with sub-2μs lifetime，Nature Nanotechnology (2019)
https://www.nature.com/articles/s41565-019-0560-5
2. Nature Photonics: 顏色可調的超長有機磷光體！
在可見光譜中表現出長壽命、持久發光的材料在顯示器，信息加密和生物成像等領域具有具有廣泛的應用前景。有鑒于此，黃維院士、安眾福以及新加坡國立大學劉小鋼團隊合作，報道了幾種顏色可調的超長有機磷光體，為開發具有動態控制磷光的智能發光材料和傳感器提供了行之有效的途經。
該有機磷光體提供顏色可調的超長有機磷光（UOP）。可以通過改變激發波長來調節發射顏色，從而允許從可見光譜的紫色到綠色進行動態顏色調諧。研究表明，這些有機磷光體的超長壽命為2.45 s，最大磷光效率為31.2％。顏色可調UOP在多色顯示器中的應用以及300至360nm范圍內紫外光的視覺感應。
Gu,L., et al., Colour-tunable ultra-longorganic phosphorescence of asingle-component molecular crystal. Nat. Photonics 2019.
https://doi.org/10.1038/s41566-019-0408-4
3. Nature Commun.: 通過介電超透鏡調制以放大上轉換發光
在低輻照度下實現有效的光子上轉換不僅是一項根本挑戰，而且也是從光伏到生物光子學的眾多先進應用的核心。然而，迄今為止，幾乎所有上轉換發光增強方法都需要嚴格控制許多因素，例如納米磷光體的組成和大小。于此，劉小鋼教授等人報道了利用介電微珠來顯著增強鑭系元素摻雜的納米晶體中的光子上轉換過程。通過介電超透鏡效應調制激發場和發射場的波前，可以實現高達5個數量級的發光放大。
Liang,L., et al. Upconversion amplification through dielectric superlensingmodulation. Nat Commun 10, 1391 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41467-019-09345-0
4. Angew：亞2 nm有機硅納米雜化物用于超分辨率成像
受激發射損耗（STED）顯微鏡可實現對生物樣品進行高時空分辨率的超微結構成像。新加坡國立大學劉小鋼教授和深圳大學屈軍樂教授等人紹了一種基于熒光有機硅納米雜化體的具有亞2nm尺寸和高量子產率的STED納米探針。
富含重原子有機熒光團的自旋軌道耦合（SOC）通過硅烷分子介導的縮合/脫鹵化過程得到緩解，從而在一個雜化納米點中形成具有多個發射體的明亮熒光有機硅納米雜化物。當用作STED納米探針時，這些熒光納米雜交體顯示出強烈的光致發光，高生物相容性和長期的光穩定性。
Liang L, Yan W, Qin X, Peng X, Feng H, Wang Y,et al. Designing Sub-2nm Organosilica Nanohybrids for Far-FieldSuper-Resolution Imaging. Angewandte Chemie International Edition.2020;59(2):746-51.
https://doi.org/10.1002/anie.201912404
5. Adv. Opt. Mater.：通過堿土金屬摻雜調節長壽命的Mn（II）上轉換發光
新加坡國立大學劉小鋼、西北工業大學黃維院士、Xiaowang Liu等人采用堿土金屬（A2+）摻雜的六方相NaGdF4:Mn的晶位進而調節Mn2+摻雜的上轉換發光。實驗和計算結果表明，A2+摻雜能夠改變Mn2+離子的占據位，使Mn2+離子在980nm激發下發射光從綠色（520nm）到黃色（583nm）。Mn2+的黃色發射顯示出65ms的長發射壽命，比Mn2+的綠色發射（20ms）長3倍以上。可調諧長壽命Mn2+發射與單粒子水平的鑭系元素發射的結合提供了一種在動態激發下三瞬態上轉換色碼的便捷途徑，這提供了一種有吸引力的光學功能，特別適合于高效的文檔編碼。
XiaowangLiu, et al., Tuning Long‐Lived Mn(II) Upconversion Luminescence through Alkaline‐Earth Metal Doping and Energy‐LevelTailoring. Adv. Opt. Mater. 2019, 7, 1900519
https://doi.org/10.1002/adom.201900519
Part Ⅱ 上轉換生物醫學
6. Chem：過氧化鈣納米粒子用于鈣超載介導的腫瘤治療
鈣超載，以游離鈣離子（Ca2+）的異常胞漿積累為特征，是多種細胞類型損傷甚至細胞死亡的普遍原因。這種不良的破壞過程可以成為一種適用于癌癥治療的新工具。華東師范大學步文博教授和新加坡國立大學劉小鋼教授等人以Ca2+獨特的生物學效應為基礎，利用pH敏感的透明質酸鈉修飾過氧化鈣納米顆粒（SH-CaO2 NPs），提出了一種高效的腫瘤治療策略。
這些NPs在腫瘤細胞中產生一種人工的鈣超載壓力，這是導致細胞死亡的原因。值得注意的是，殺傷效應不限于腫瘤類型或低氧細胞，而正常細胞更能耐受NPS對腫瘤細胞的不利影響。Ca2+的富集也增加了腫瘤鈣化的可能性，這可能有助于體內腫瘤抑制，并有助于醫學成像監測治療效果。
Zhang M, Song R, Liu Y, Yi Z, Meng X, Zhang J, et al.Calcium-Overload-Mediated Tumor Therapy by Calcium Peroxide Nanoparticles.Chem. 2019;5(8):2171-82.
https://doi.org/10.1016/j.chempr.2019.06.003
7. AM: 控制MRI開關進行體內腫瘤可視化
高性能造影劑在磁共振成像（MRI）中的開發近來受到了廣泛的關注，因為它們作為癌癥診斷的強大工具具有巨大的前景和潛力。盡管取得了重大成就，但開發基于納米結構的生物相容性平臺，且可以生成具有高信噪比和良好腫瘤特異性的按需MRI信號，仍然具有挑戰性。在此，新加坡國立大學劉小鋼教授等人報道了一類由NaGdF4和碳酸鈣自組裝納米共軛物組成的新型納米造影劑的設計與合成。
在這種設計中，由于質子和晶格之間的相互作用不足，T1源（Gd3+）的空間限制導致“關閉”磁共振信號。然而，當在腫瘤弱酸性微環境中時，嵌入的碳酸鈣納米顆粒會產生二氧化碳氣泡并隨后斷開納米結合物，從而產生“開”磁共振信號。與商用造影劑Magnevist相比，這些納米結合物在體內的表現顯示腫瘤可視化中的對比增強超過60倍。這項工作為構建適合于深部組織成像和靶向腫瘤診斷的智能核磁共振納米探針提供了重要進展。
Yi,Z., In Vivo Tumor Visualization through MRI Off‐On Switching of NaGdF4–CaCO3 Nanoconjugates. Adv. Mater. 2019, 31, 1901851.
https://doi.org/10.1002/adma.201901851
8. AM：聚多巴胺包封上轉換NPs激活抗腫瘤免疫和轉移
協同性光學治療可以有效克服腫瘤的異質性和復雜性，因此它比單模態的光動力治療(PDT)或光熱治療(PTT)有著更好的癌癥治療效果。然而，以往將PDT和PTT相結合的方法都主要致力于治療原發腫瘤而忽略了腫瘤轉移這一過程。華中科技大學劉筆鋒教授、深圳大學王瑀博士和劉小鋼教授合作制備了一種上轉換-聚合物混合型納米顆粒，并在其表面負載光敏劑Ce6用于實現PDT和PTT聯合治療，該策略不僅可以治療原發腫瘤，也能通過激活抗腫瘤免疫響應來對抗腫瘤的轉移。
研究表明，在聚合物內核上的上轉換材料可以確保在單次近紅外光照射下進行充分的光吸收以產生活性氧，并且這種協同性光學治療還能夠誘導產生全身抗腫瘤免疫反應，將其與免疫檢查點阻斷治療相聯合后可有效抑制兩種腫瘤轉移模型荷瘤小鼠的腫瘤復發和轉移，并延長荷瘤小鼠的生存期。
ShuangqianYan, et al. Activating Antitumor Immunity and Antimetastatic Effect ThroughPolydopamine-Encapsulated Core–Shell Upconversion Nanoparticles. AdvancedMaterials. 2019
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201905825
9. AM: 上轉換納米粒在活體光遺傳學和神經調節中的應用
光遺傳學是一種利用可見光進行選擇性神經調節的光學技術。盡管付出了巨大的努力，但利用可見光對位于神經系統深層結構中的靶向神經元進行有效刺激仍然是一項技術挑戰。與可見光相比，近紅外照明由于光衰減程度較低而提供更高的組織穿透深度。
新加坡國立大學劉小鋼與美國約翰霍普金斯醫學院Angelo Homayoun All等人綜述了利用上轉換納米顆粒介導的光遺傳學技術開發神經回路調節新模式的研究進展。這些進展導致了對神經元的微創性光刺激和抑制，顯著提高了選擇性、敏感性和空間分辨率。重點是對評價上轉換參數的機制基礎進行全面的回顧，這將有助于設計、執行和報告光遺傳學實驗。
All,A. H., et al., Expanding the Toolbox of Upconversion Nanoparticles for In VivoOptogenetics and Neuromodulation. Adv. Mater. 2019, 31, 1803474.
https://doi.org/10.1002/adma.201803474
10. Angew：追蹤神經元內運動蛋白
軸突上的載體運輸是運動蛋白介導的一個生理過程，對神經元的功能和生存至關重要。目前軸突轉運研究的一個局限性是缺乏一種具有高時空分辨率的魯棒成像技術來實時和定量地觀察運動蛋白在不同深度平面上的運動。有鑒于此，新加坡國立大學劉小鋼、Angelo H. Al和日本理化研究所腦科學中心Thomas J. McHugh等人提出一種動態成像技術，充分利用了上轉換納米顆粒的特性。
這項技術可以用作微觀探針，用于在多層培養物中以單粒子分辨率定量原位追蹤逆向運輸神經元。這項研究可能為揭示動態神經元活動和軸突內運輸功能以及軸突運輸機制的突變或損傷引起的任何相關神經退行性疾病提供有力的工具。
X.Zeng,et al., Visualization of Intra‐neuronal Motor ProteinTransport through Upconversion Microscopy. Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 9262
https://doi.org/10.1002/anie.201904208
Part Ⅲ 光學安全
11. AM: 可調諧振器上轉換發射（TRUE）彩色打印及其在光學安全方面的應用
鑭系元素摻雜的納米磷光體在防偽和安全印刷應用中很有前途。這些納米磷光體可以作為透明墨水摻入，通過將近紅外照明上轉換為可見光來發出熒光，從而輕松驗證文檔。但是，這些油墨通常表現出單一的發光顏色、低的發射效率和低的打印分辨率。
于此，新加坡科技設計大學Joel K. W. Yang和新加坡國立大學劉小鋼等人通過將上轉換納米粒子（UCNP）放置在等離子體納米諧振器中，可以實現可調諧的諧振器上轉換發射（TRUE）。印刷的彩色和發光圖像具有超高分辨率（約5萬dpi），并且可以從單個激發源獲得多種顏色，從而提高了安全性。
H.Liu, et al. Tunable Resonator‐Upconverted Emission (TRUE) Color Printingand Applications in Optical Security. Adv. Mater. 2019, 31, 1807900
https://doi.org/10.1002/adma.201807900
12. Adv. Opt. Mater.: 激光噴濺等離子體納米坑用于比率上轉換調節和加密
具有優異光學性能的上轉換納米顆粒（UCNPs）已成為通過多色編碼、壽命調整和激發光定相進行數據加密的新范例。但是，除了內部量子效率低之外，由于需要復雜設計的多組具有特殊定制光學特性的UCNPs，因此極大地阻礙了UCNPs用于數據加密的用途。暨南大學李向平、新加坡國立大學劉小鋼教授等人發現，金屬-絕緣體-金屬（MIM）配置能夠通過激光噴射的亞微米坑的可編程幾何相關等離子體特性來調節UCNPs的上轉換發射。
此外，還展示了一種比率計量加密策略，該策略通過調節放置在等離子體MIM配置中的固定成分的單組UCNPs的雙頻發射比率來實現。通過發光比例測量策略進行的高通量加密和解密，可以以簡便的激光寫入方式實現，并且具有可擴展性和亞微米級精度。該演示為大編碼容量的發光調制開辟了一條新的途徑，并為UCNPs在多路數據存儲和信息加密中的潛在應用奠定了基礎。
Feng,Z., et al., Laser‐Splashed Plasmonic Nanocrater for Ratiometric UpconversionRegulation and Encryption. Advanced Optical Materials 2019, 7, 1900610.
https://doi.org/10.1002/adom.201900610
Part Ⅳ 綜述
13. Nano Today：上轉換納米晶體用于新興應用的最新進展
新加坡國立大學劉小鋼教授、Kezhi Zheng和韓國化學技術研究所Yung Dong Suh等人從基本的發光機理，新的合成路線以及當前實用的方法來回顧上轉換納米顆粒的領域，這些方法可用于調整發射顏色和提高上轉換效率。特別是，作者重點介紹了利用上轉換納米晶體進行生物成像、治療、生物傳感、神經科學、超分辨率成像、光開關和激光應用的最新進展。還討論了在不同環境下進一步實施上轉換納米顆粒的關鍵挑戰和關鍵問題。
ZhengK, et al. Recent advances in upconversion nanocrystals: Expanding thekaleidoscopic toolbox for emerging applications. Nano Today. 2019:100797.
https://doi.org/10.1016/j.nantod.2019.100797
14. Chem：4-喹諾酮類化合物的催化合成研究進展
4-喹諾酮類及其類似物是一組異質的生物活性化合物，在現代已經發展成為抗生素研究最前沿的實用工具。它們已被用來對抗革蘭氏陰性或革蘭氏陽性細菌、抑制腫瘤生長并治療許多嚴重的感染。這些抗微生物劑也已用于促進細胞凋亡和DNA修復，以治療癌癥。新加坡國立大學劉小鋼和杭州師范大學章鵬飛等人綜述了總結了制備4-喹諾酮類及其類似物的各種催化途徑合成開發的實驗進展；討論目前對涉及生物催化合成、一般催化合成和不對稱合成的反應機理的理解；最后介紹了新興領域的未來前景。
C.Shen,Recent Advances in the Catalytic Synthesis of 4-Quinolones ,Chem 2019, 5,1059-1107.
https://doi.org/10.1016/j.chempr.2019.01.006
15. ACS Cent. Sci.: 稀土激活上轉換納米晶的能量轉移編輯
先進的納米合成技術為可編程控制摻鑭系離子納米晶體的尺寸、形貌和成分提供了一個多功能平臺。鑭系元素的4f-4f光學躍遷所產生的特征上轉換發光特性可以通過預先設計的能量傳遞途徑來實現，從而實現從超靈敏生物檢測到具有高時空分辨率的先進光譜儀器的廣泛應用。
于此，劉小鋼等人回顧了最近的科學和技術發現，這些發現促使人們認識到稀土摻雜的上轉換納米晶體的這些特殊功能，并討論了上轉換過程中能量轉移的機理研究。這些先進的方案包括交叉弛豫介導損耗、多脈沖順序泵浦和納米結構設計。重點放在破壞性技術上，例如超分辨率顯微鏡、光遺傳學、納米激光和光學防偽，這些技術充分利用了與摻鑭納米晶體相關的上轉換納米現象。
QinXian, et al. Energy-Transfer Editing in Lanthanide-Activated UpconversionNanocrystals: A Toolbox for Emerging Applications“. ACS Central Science 2019,5, 29-42
https://doi.org/10.1021/acscentsci.8b00827
此外，劉小鋼教授課題組在2019年還有其他上轉換相關的成果，由于內容較多，在此不一一列舉，感興趣的讀者可前往劉小鋼教授課題組網進行學習。
課題組網站：http://liuxg.science.nus.edu.sg/
劉小鋼簡介
劉小鋼，新加坡國立大學教授，在新加坡科學院材料工程研究所兼任高級研究員，主要從事納米材料制備和自組裝、生物無機化學和超分子化學、催化表面科學、光電太陽能技術、傳感器和生物醫學應用等方面研究。
近五年來在紅外上轉換發光材料領域取得了多項重大技術突破，有多項國際發明專利，并在Science、Nature、NatureMaterials、Nature Nanotechnology、Nature Communications等國際頂級學術期刊上發表論文150多篇，被引用2.4萬多次，最高單篇引用2100多次。
