第一作者：黃萍
通訊作者：鄭偉、陳學元
第一單位：中國科學院福建物質結構研究所
核心內容：
1. 綜述了陳學元課題組在稀土和過渡族金屬離子摻雜無機納米發光材料的最新研究進展，包括材料的控制合成、電子結構、光學性能設計及其在疾病標志物體外檢測方面的應用。
2. 系統地闡述了稀土和過渡族金屬離子摻雜無機納米發光材料的發光物理（包括摻雜離子的電子結構和激發態動力學）與其光學性能的關系，并提出改善該類材料發光性能的有效途徑。
稀土/過渡金屬摻雜無機納米發光材料
稀土和過渡族金屬離子摻雜無機納米發光材料具有優異的發光性能，如長熒光壽命的下轉移發光、近紅外激發的上轉換發光以及無需激發源的長余輝發光，因此有望成為新一代熒光探針應用于生物醫學的各個領域。稀土和過渡族金屬離子在不同介質材料中的光學性能主要取決于其局域態的電子結構和激發態動力學，對稀土和過渡族金屬離子摻雜無機納米發光材料開展深入的發光物理研究對該類材料光學性能的優化及其在生物醫學領域的應用具有重要意義。
內容簡介
鑒于此，中科院福建物構所陳學元課題組系統介紹了該課題組在稀土和過渡族金屬離子摻雜無機納米發光材料的最新研究進展。概述了材料的控制合成，重點討論了以生物醫學應用為導向的光學性能設計以及提高該類材料發光效率的有效方法，并展示其作為無背景熒光生物探針在疾病標志物體外檢測方面的應用。
圖1綜述內容概略：稀土和過渡族金屬離子摻雜無機納米發光材料的控制合成、電子結構、光學性能及生物應用
1. 控制合成
1.1 稀土摻雜NaREF4納米發光材料的宏量制備
目前稀土摻雜氟化物納米材料的制備局限于實驗室的小規模制備，通常一次合成量小于0.5 g，無法滿足大規模轉移轉化的應用需求。陳學元課題組結合傳統高溫熱分解和共沉淀的方法發展了一種固液熱分解法，實現了稀土摻雜NaREF4納米晶及其核殼結構的宏量制備，該方法一次反應可制得63.38 g NaREF4納米晶，為目前已報道的稀土摻雜無機納米材料宏量制備的最高值。
圖2稀土摻雜NaREF4納米晶及其核殼結構的宏量制備（Nanoscale 2018, 10, 11477-11484）
1.2 基于電子束刻蝕實現中空核殼稀土上轉換納米晶的原位構筑
中空核殼結構稀土上轉換納米晶在生物傳感、成像、藥物緩釋和醫學診療等方面具有廣泛的應用前景。目前合成中空核殼結構上轉換納米晶主要利用硬模板法，其合成工藝復雜且無法實現在襯底上原位構筑中空核殼結構納米晶，從而極大限制了其應用范圍。陳學元課題組利用NaLuF4:Gd/Yb/Er@NaLuF4:Nd/Yb@NaLuF4核殼結構納米晶內核與殼層界面處的缺陷調控，借助電子束刻蝕首次實現了在碳膜襯底上原位構筑中空核殼結構稀土上轉換納米晶。
圖3基于電子束刻蝕實現中空核殼結構稀土上轉換納米晶的原位構筑（Adv. Sci.2018, 5, 1800766）
1.3 水熱/溶劑熱法合成長余輝納米晶
長余輝納米晶因其獨特的光學性能，近年來在生物體內成像、疾病治療等領域引起廣泛關注。目前合成高質量的長余輝納米晶仍是該領域的一個技術難題。陳學元課題組采用一種溶液-固體-液體（LSS）三相溶劑熱法合成了形貌可控、粒徑可調（4-10 nm）且單分散性良好的ZnGa2O4:Cr3+近紅外長余輝納米晶。該納米晶具有良好的長余輝發光性能，可采用白光LED手電筒反復的充電儲存激發光能量發射長余輝。
圖4 LSS溶劑熱法合成ZnGa2O4:Cr3+長余輝納米晶（Nanoscale 2017, 9, 6846-6853）
1.4 熱注射法合成稀土和過渡族金屬離子摻雜CsPbX3鈣鈦礦納米晶
全無機鈣鈦礦量子點（CsPbX3, X = Cl, Br, I）由于其優異的光學性能，在太陽能電池和LED 照明領域展現出了極大的應用價值。稀土和過渡族金屬離子的摻雜可望賦予鈣鈦礦量子點新穎的光、電、磁特性，為該類材料的性能優化提供了一種有效的途徑。近期，陳學元等發展了一種HX （X = Cl, Br, and I）熱注射法合成CsPbX3納米晶，克服了常規高溫注射法與常溫過飽和重結晶法存在的Cs源降溫易析出、PbX2成本高及溶劑用量大等缺點，該方法可以方便制備CsPbCl3:Mn2+和 CsPbCl2Br1:Yb3+等納米晶。
圖5 HX熱注射法合成稀土和過渡族金屬離子摻雜CsPbX3鈣鈦礦納米晶
2. 3dn 和 4fn組態的電子結構
2.1稀土離子[Xe]4fn組態的電子結構
三價稀土離子具有[Xe]4fn（0<n<14）電子組態，由于5s25p6外殼層的屏蔽作用，稀土離子通常只受到周圍晶體場的微弱作用而引起稀土自由離子能級的劈裂（Stark劈裂），劈裂數目與離子在晶體中所處的局域位置對稱性相關。陳學元等以Eu3+離子為結構探針，揭示了Eu3+的光譜學位置對稱性在立方相NaYF4中由結晶學位置點群Oh降低為Cs（或C2）, 而在六方相NaYF4中則由結晶學位置點群C3h降低為Cs，并進一步通過晶體場能級擬合對此結晶學位置對稱性破缺進行了驗證。更重要的是, 還指出了稀土摻雜無序晶體材料體系（如KLaF4:Eu3+和KGdF4:Eu3+納米晶等）具有普適的結晶學位置對稱性破缺現象, 從而解決了長期困擾該領域的一個爭議, 為此類發光材料結構分析和性能優化奠定了理論和實驗基礎。
圖6稀土摻雜無序納米晶中的結晶學位置對稱性破缺現象（Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 1128-1133）
2.2 過渡族金屬離子[Ar]3dn組態的電子結構
過渡族金屬離子具有[Ar]3dn(0<n<10)電子組態，由于沒有閉殼層的屏蔽，電子運動受晶體場和晶格振動的影響較大，如具有3d3組態的Cr3+或Mn4+的T-S能級圖所示，除2T1和2E能級外，其他能級均隨晶體場強度發生明顯變化。一般來講，過渡族金屬離子的發光特性可以通過位形坐標圖來判斷。如氟化物基質中摻雜的Mn4+離子，由于基態4A2和激發態4T1/4T2來源于不同的電子軌道，位形坐標原點的位移較大，又因為4A2→4T1,4T2為自旋允許（△S=0）的躍遷，因此氟化物基質中摻雜的Mn4+離子具有較強的寬峰激發（或吸收）。又由于2Eg和4A2能級源于相同的電子軌道且2Eg→4A2為自旋禁戒躍遷，因此其發射譜為尖銳的線狀光譜。
圖7 Mn4+摻雜氟化物材料的能級及發光性能（Nat.Commun. 2014, 5, 4312）
3. 光學性能設計
3.1 半導體基質敏化稀土發光
半導體納米晶的基質敏化稀土發光具有吸收截面大、敏化效率高、發光穩定性好等優點，是提高稀土納米熒光標記材料發光效率的一種有效途徑。陳學元課題組采用溶膠-凝膠溶劑熱法實現了稀土離子在一系列寬禁帶半導體納米晶中（如ZnO、TiO2、SnO2, In2O3、Ga2O3和ZrO2等）的體相摻雜，并通過半導體納米晶基質的有效敏化顯著提高稀土離子的發光效率。例如，在ZrO2:Eu3+ (Tb3+) 納米晶中，與直接激發稀土離子相比，其基質敏化稀土發光絕對量子產率從9.8%（1.1%）提高到32.8%（5.2%）。
圖8 ZrO2:Eu3+(Tb3+)納米晶基質敏化Eu3+ (Tb3+)發光（J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 15083-15090）
3.2 調控單顆粒納米晶能量傳遞實現上轉換熒光增強
能量傳遞是發光材料中非常重要的物理過程，通過稀土離子在納米晶中的空間可控摻雜可以實現對離子間能量傳遞過程的調控，從而提高稀土離子的發光效率。陳學元組等利用熱分解分段定向外延生長制備方法，將稀土離子分別摻雜到KSc2F7納米棒的不同部位，并在不同部位之間生長一定厚度的惰性基質材料以增加稀土離子之間的距離，減小不同稀土離子之間因能量傳遞和交叉弛豫過程而引起的能量損耗，從而大幅提高稀土摻雜無機納米材料的上轉換發光強度和量子產率。
圖9基于單顆粒納米晶中能量傳遞過程調控實現上轉換熒光增強（Chem. Sci. 2017, 8, 5050-5056）
3.3 全無機CsPbX3量子點全光譜上轉換發光調控
CsPbX3全無機鈣鈦礦量子點因其優異的光學性能，在光電器件中展現出了極大的應用前景。實現鈣鈦礦量子點在低功率密度激發下的高效上轉換發光一直是國內外學者感興趣的課題。陳學元課題組利用稀土納米晶到CsPbX3鈣鈦礦量子點的輻射能量傳遞，首次實現了CsPbX3量子點在低功率半導體激光器激發下的高效上轉換發光，并通過剪裁稀土離子的激發態熒光壽命將CsPbX3量子點激子的表觀熒光壽命從ns量級顯著提升到ms量級。
圖10基于稀土納米晶和CsPbX3全無機鈣鈦礦量子點的輻射能量傳遞上轉換發光調控（Nat. Commun. 2018, 9, 3462）
3.4 充電式、LED激發ZnGa2O4:Cr3+近紅外長余輝納米材料
針對長余輝納米材料控制合成的國際難題，陳學元等提出改進的LSS三相溶劑熱法，制備出單分散、充電式、白光LED激發的ZnGa2O4:Cr3+長余輝納米晶。該納米材料不僅易于表面修飾和生物偶聯，而且因其可再激活特性，可以克服當前長余輝納米材料普遍存在的余輝強度弱、余輝時間短的缺點。通過對熱釋光與余輝衰減分析，發現該材料存在著深、淺兩種陷阱分布，并揭示了熱激活和量子隧穿兩種長余輝發光機理。
圖11充電式、LED激發ZnGa2O4:Cr3+近紅外長余輝納米材料（Nanoscale2017, 9,6846-6853）
4. 疾病標志物體外檢測
陳學組課題組以稀土和過渡族金屬離子摻雜無機納米發光材料作為無背景熒光生物探針，發展了均相時間分辨熒光共振能量傳遞（TR-FRET）、異相上轉換熒光（UCL）及溶解增強熒光免疫分析（DELBA）等檢測方法，實現了對一系列疾病標志物的高靈敏特異性體外檢測。相關工作如表1和表2所示：
表1基于稀土和過渡族金屬離子摻雜無機納米熒光探針的均相生物檢測
表2基于稀土和過渡族金屬離子摻雜無機納米熒光探針的異相生物檢測
4.1 基于稀土和過渡族金屬摻雜無機納米熒光探針的均相TR-FRET檢測方法
TR-FRET生物檢測方法主要是以稀土摻雜無機納米熒光探針（如NaYF4:Ce/Tb, KGdF4:Tb,ZrO2:Tb和CaF2:Ce/Tb等）和有機熒光染料（FITC和TRITC等）分別作為能量供體和受體，利用能量供受體之間的FRET實現對目標物的檢測。近期，我們將TR-FRET生物檢測技術從稀土摻雜擴展到過渡族金屬離子摻雜納米發光材料體系，發展了基于過渡金屬離子如 Mn2+的 d-d禁戒躍遷的時間分辨熒光生物檢測與成像方法，并在生物素-親和素檢測模型中利用Mn2+的熒光壽命作為檢測信號去除輻射再吸收的干擾，對親和素的檢測限達到32pM，比此前基于稀土摻雜納米熒光探針的檢測靈敏度得到了進一步提升。
圖12基于CaF2:Ce/Mn納米發光材料的均相TR-FRET檢測方法（Sci. China Mater. 2019, 62, 130）
4.2 基于稀土納米發光材料的溶解增強熒光免疫分析
鑭系解離增強熒光免疫分析方法（DELFIA）因其靈敏度高，在科學研究和醫療領域已獲得廣泛應用。陳學元課題組結合DELFIA技術和無機稀土納米晶的優勢發展了基于稀土納米發光材料的溶解增強熒光免疫分析DELBA方法，克服了商用DELFIA試劑盒因采用稀土螯合物作為標記物，存在稀土離子標記比率低、光化學穩定性差和價格昂貴等缺點，并利用該方法實現了對疾病標志物癌胚抗原（CEA）、前列腺特異性抗原（PSA）、甲胎蛋白（AFP）和miRNA-21的超靈敏體外檢測，檢測限分別達到0.5fM、15.2 fM、870fM和1.4fM，檢測靈敏度比商用DELFIA試劑盒提高了2-3個數量級。
圖13基于DELBA的miRNA-21超靈敏檢測（Nano Res. 2018, 11, 264-273）
4.3 基于異相UCL的腫瘤標志物檢測
與傳統熒光標記材料相比，上轉換發光納米材料因采用近紅外光源激發，可有效抑制背景熒光的干擾，實現無背景熒光的高靈敏體外檢測。陳學元等發展了一系列稀土摻雜納米發光材料（如LiLuF4:Yb,Er@LiLuF4, NaGdF4:Yb/Tm@NaGdF4:Eu@NaEuF4和NaGdF4:Yb,Er@NaYF4等）作為上轉換納米熒光探針，并利用集成研制的上轉換熒光讀板機實現了對多種腫瘤標志物（如人絨毛膜促性腺激素β亞單元、AFP和PSA）的高靈敏特異性體外檢測。其中對人體血清AFP的檢測線性范圍為0.01–60 ng mL-1，檢測限為20 pg mL–1，檢測靈敏度比商用DELFIA 試劑盒提高了30倍。
圖14基于異相UCL方法實現對前列腺特異抗原的檢測（Nanoscale 2018, 10, 11477-11484）
4.4 基于均相UC-FRET方法的糖尿病標志物檢測
以NaYF4:Yb/Er上轉換納米發光材料和聚合多巴胺（PDA）分別作為能量供體和受體，我們成功構建一種基于UC-FRET的均相生物檢測新方法，并實現對復雜生物體系（如血清和全血）中H2O2和葡萄糖濃度的高靈敏特異性檢測，檢測限達到1.2 μM。該方法具備快速、靈敏、經濟實用等諸多優點，且適用于所有H2O2生成體系相關血清疾病標志物的檢測，有望拓寬上轉換納米熒光探針在生物醫學領域的應用潛力，實現上轉換納米熒光探針在疾病研究和臨床診斷的高值應用。
圖15基于均相UC-FRET方法的H2O2和葡萄糖檢測（Nano Res. 2018, 11, 3164–3174）
5. 結論與展望
5.1 取得成果
（1） 制備一系列稀土和過渡族金屬摻雜納米熒光探針并突破其宏量制備；
（2） 利用基質敏化和摻雜離子能量傳遞過程調控實現材料的高效發光；
（3） 發展多種新穎的生物檢測技術和方法，實現了對一些重要疾病標志物如CEA、AFP、PSA等的高靈敏特異性體外檢測。
5.2 面臨挑戰
（1）稀土和過渡族金屬摻雜無機納米材料發光效率的進一步提高；
（2）發展普適、高效的納米探針表面改性方法，提高其在復雜體系中的特異性；
（3）高端檢測儀器例如上轉換熒光讀板系統、近紅外探測器等的成本控制；
（4）家用智能、即時檢測技術的開發。
總之，納米熒光標記材料已邁進臨床應用開發時代，蘊藏著巨大的機遇和挑戰！
參考文獻：
P.Huang, W.Zheng, Z.Gong, W.You, J.Wei, X.Chen, Rare earth ion– and transition metal ion–doped inorganic luminescentnanocrystals: from fundamentals to biodetection. Materials Today Nano, 2019:100031.
DOI: 10.1016/j.mtnano.2019.100031
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2588842019300148
