长余辉纳米颗粒（Persistent Luminescence Nanoparticles, PLNPs）具有特殊的荧光性能，它们能够吸收并储存激发光能量，并在激发光停止后，持续发射余辉光。余辉现象古时已有发现，“夜明珠”便是人们对于余辉材料的最早称呼。此后，块状或粉末状长余辉材料被广泛应用在饰品、应急标志及显示领域。二十一世纪初，纳米长余辉材料崭露头角。由于纳米长余辉材料不依赖于实时激发光，有利于其在生物组织深处的应用，并能避免激发光引起的自发荧光干扰，因而长余辉纳米材料在生物医学领域的应用广受期待。为了开发更适合生物医学应用的纳米长余辉材料，近五年来，研究人员进行了卓有成效的探索，开发了一系列尺寸和形貌可控的长余辉纳米颗粒，有力地推动了均一长余辉纳米颗粒这一荧光材料新势力在生物医学领域的发展。近日，美国麻省大学医学院韩纲教授团队与广州医科大学李战军教授、李杨教授在《Advanced Materials》期刊上发表了题为“Designing Next Generation of Persistent Luminescence: Recent Advances in Uniform Persistent Luminescence Nanoparticles”的综述文章（DOI: 10.1002/adma.202107962）。该篇综述文章系统介绍了尺寸和形貌可控的长余辉纳米颗粒的发展历程，充分论述了优化其光学性能的研究策略，分析了该领域当前面临的挑战并展望了未来的研究趋势。文章首先从三个方面分析了开发尺寸和形貌可控的长余辉纳米颗粒对于其生物医学应用的重要意义，包括有利于开发可靠的纳米颗粒表面功能化策略、有利于提高其生物医学研究的可重复性以及对潜在的临床医学转化至关重要。随后，文章回顾了均一长余辉纳米颗粒的发展历程，并着重介绍了三类制备均一长余辉纳米颗粒的合成方法，包括模版合成法（templated synthesis）、水热合成法（hydrothermal synthesis）及胶体溶液合成法（colloidal synthesis）（图1）。
文章的主体内容集中在系统性论述提升均一长余辉纳米颗粒光学性能的策略，包括提高其余辉发光强度、调控余辉激发方式及调控余辉发光波长（图2）。其中，针对提高余辉发光强度，文章分析了三类可行的策略，包括（1）优化均一长余辉纳米颗粒的储能陷阱、（2）提高均一长余辉纳米颗粒中发光中心的发光效率、（3）提高均一长余辉纳米颗粒的激发光吸收效率。这三类方法瞄准长余辉储能及发光的全过程，例如，若将长余辉发光简化为先对蓄电池充电再以其点亮灯泡的过程，那么优化储能陷阱类似于提升蓄电池容量、提高发光中心效率类似于使用节能灯泡、提高激发光吸收效率类似于提高充电效率。其中，文章着重强调了两种特别针对纳米形式长余辉的方法，即利用核壳结构保护发光中心免于表面淬灭和利用染料敏化提升激发效率（图3）。
图3. 染料敏化提高均一长余辉纳米颗粒发光强度用于余辉成像导航的肿瘤手术。对于调控余辉激发方式，文章主要论述了具有深组织穿透能力的近红外光激发及X射线激发。其中，文章着重分析了近年来研究人员为了实现近红外光激发或X射线激发余辉而在材料上的创新，包括提出深/浅电子陷阱阶梯式储能的类上转换机理实现近红外光激发，以及通过离子掺杂和开发新基质材料实现X射线激发（图4）。
对于调控余辉发光波长，文章分析了目前常用的两类策略，即利用离子对能量传递引入新发光峰实现多色上转换和利用镧系金属离子多能级特征实现多波长发射。特别值得一提的是，由于镧系金属离子在近红外二区具有多重能级，能够发射红外二区余辉光，十分有利于实现优良的深组织红外二区余辉荧光成像（图5）。
图5. 均一长余辉纳米颗粒用于近红外二区余辉荧光成像。文章最后分析了均一长余辉纳米颗粒领域所面临的挑战并分析了未来的研究趋势（图6），包括（1）提高均一长余辉纳米颗粒的余辉发光、（2）开发生物安全性更好的深组织激发方式、（3）开发生物安全性优良的纳米颗粒、（4）开发新型生物医学应用、（5）对余辉发光机理进行更深入研究、（6）制定通用的长余辉纳米颗粒光学性能评价体系。
麻省大学医学院黄凯博士为该论文的第一作者，广州医科大学李战军教授、李杨教授和麻省大学医学院韩纲教授为通讯作者。
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