IF11.189 【解读 NANO LETT】巧妙设计具有双发射中心的稀土NIR 比率纳米探针，实现体内ONOO-快速灵敏检测

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研究背景

由于稀土下转换纳米颗粒具有窄带发射、大的斯托克位移以及荧光寿命长等特性，使其被广泛研究用于NIR II荧光探针。区别于无机量子点和有机染料，稀土下转换纳米颗粒的发射波长不受量子限制效应以及分子结构的影响，并且通过掺杂不同的稀土离子可使得纳米颗粒具有不同的发射波长。然而，当多种稀土离子掺杂时，交叉弛豫以及低效的多步能量转移过程都会造成能量的损失，限制了稀土下转换纳米颗粒的实际应用。因此，如何设计开发高效的稀土下转换纳米荧光探针成了急需解决的问题。

工作介绍

近日，中科院苏州纳米所王强斌研究员团队构建了一种核-多壳结构的稀土下转换纳米荧光探针（NaErF₄@NaYF₄@NaYF₄:10%Nd@NaYF₄@A1094），巧妙地利用缓冲层以及钝化层来增强Er³⁺和Nd³⁺的NIR II发射强度，实现了对类风湿关节炎小鼠模型中ONOO^-快速灵敏的比率型检测。

1：在DSNP中，利用NaYF₄作为发光中心离子Er³⁺和Nd³⁺之间的缓冲层，抑制了两种发光中心之间的能量跃迁，同时作为钝化层，降低了表面缺陷以及溶剂猝灭效应的影响，实现了发射峰强度的增强。

2：利用有机染料A1094与DSNP共轭，在808nm激光照射下，通过FRET效应猝灭Nd³⁺在1060nm处的发射光，而在ONOO^-存在的条件下，A1094被破坏从而使得1060nm处的发射峰强度增强，因此作为比率型检测的工作信号；而Er³⁺在808nm激光照射下发射的1525 nm发射峰强度不受影响，因此作为内参比信号。

Scheme 1.纳米探针（DSNP@A1094）检测ONOO^-的工作原理示意图

该工作发表在Nano. Lett.上，IF=11.189。

研究思路

1：DSNP的制备

2：对DSNP中缓冲层厚度以及钝化层厚度的优化

3：DSNP@A1094的构建以及在体外层次上对ONOO^-的检测

4：研究DSNP@A1094在类风湿关节炎小鼠模型中对ONOO^-的检测

论文导读

Figure 1. DSNP纳米荧光探针的构建

通过层层构建的方法制备了核-多壳结构的稀土掺杂下转换纳米颗粒（NaErF₄@NaYF₄@NaYF₄:10%Nd@NaYF₄），其中，Er3+和Nd3+作为发光中心离子，在808nm激光照射下具有1525nm和1060nm发射峰（Figure 1a,b）。该纳米颗粒平均粒径约为28nm,并且平均壳层厚度约为5nm，通过EDS mapping显示稀土元素均匀分布于纳米颗粒当中（Figure 1c-d）。

Figure 2.对DSNP中缓冲层厚度的优化

探究了不同厚度的缓冲层对于Er³⁺与Nd³⁺之间能量跃迁的影响。首先，通过光致荧光光谱，发现随着缓冲层厚度的增大，1525nm处峰强度同样增大（Figure 2b）。当Nd含量为0时，1060nm处的发射峰消失，而1525nm处发射峰强度几乎不发生变化，说明随着缓冲层厚度的增加，Er³⁺与Nd³⁺之间的能量跃迁逐渐降低，且当厚度达到3.5nm时，能量跃迁几乎不发生，因此选用3.5nm的缓冲层厚度（Figure 2c）。同样的，通过光致荧光衰减曲线可以发现随着缓冲层厚度的增大，其荧光寿命逐渐增长（Figure 2d）。

Figure 3. 对DSNP中钝化层厚度的优化

由于处于最外层的Nd³⁺的发射容易受到溶剂猝灭以及表面缺陷的影响，因此需要添加钝化层来保护Nd³⁺的发射。当DSNP溶解在三氯甲烷中时，随着钝化层厚度由0nm增加到2.6nm，Nd³⁺的发射峰强度逐渐增强，而Er³⁺的发射峰强度几乎不变，说明钝化层可以有效地抑制表面缺陷以及溶剂猝灭效应，增强Nd³⁺的发射（Figure 3a）。而将DSNP溶解于水中后，随着钝化层厚度的增加，Nd³⁺发射峰强度与Er³⁺的发射峰强度都得到了增强，这一现象归因于钝化层增加了Er³⁺与水溶液的距离，从而抑制了OH^-对1525nm发射光的猝灭效应（Figure 3b,c）。

Figure 4. DSNP@A1094的构建

以及在体外层次上对ONOO-的检测

首先通过共轭的方法将有机染料A1094偶联在DSNP表面，由于A1094在1060nm处具有强的吸收，因此可通过福斯特共振能量转移（FRET）猝灭Nd³⁺的发射，而Er³⁺的发射几乎不受影响（Figure 4a）。随着ONOO^-加入到DSNP@A1094溶液中，1060处的吸收逐渐降低（Figure 4b），而光致荧光光谱发现Nd³⁺的发射峰强度随ONOO-浓度的增大而增强，而1525nm处的荧光强度几乎不发生变化（Figure 4c）。因此以1525nm发射峰强度作为内参比信号，1060nm发射峰强度多为工作信号，可以对ONOO^-浓度进行比率型检测，在0-6μM范围内具有良好的线性关系，其检出限为0.8 μM（Figure 4d）。上述结果说明ONOO^-可激活DSNP@A1094纳米探针，从而实现快速灵敏的比率型检测。

Figure 5. DSNP@A1094在类风湿关节炎

小鼠模型中对ONOO^-的检测

以类风湿关节炎小鼠作为模型，在关节腔内注射DSNP@A1094纳米探针，同时以健康小鼠作为对照组，对二者进行NIR II 比率型荧光成像。对于类风湿关节炎小鼠而言，其关节部位由于存在大量的ONOO^-，从而使1064nm处的荧光强度增加，而1525nm处的荧光强度无明显变化（Figure 5a,c），而在健康小鼠体内，1060nm和1525nm处的荧光强度均无明显变化（Figure 5b,d）。因此，可通过I₁₀₆₀/I₁₅₂₅来实现对类风湿关节炎小鼠模型中ONOO-的快速灵敏检测（Figure 5e）。

论文亮点

1：在808nm激光照射下，通过在稀土下转换纳米颗粒掺杂Er³⁺和Nd³⁺作为发光中心，获得了两个波长的NIR II发射峰（Er³⁺:1525nm; Nd³⁺:1060nm）。

2：通过缓冲层以及钝化层的巧妙设计，增强了DSNP中发光中心Er³⁺和Nd³⁺发射光强度。

3：通过A1094与DSNP进行偶联，利用FRET效应猝灭1060nm发射光，而过氧亚硝基（ONOO^-）能破坏A1094的结构，从而使1064nm荧光恢复，实现了对活体内ONOO^-快速灵敏的NIR II比率型检测。

文献链接

Ziqiang Sun, Haoying Huang, Rong Zhang, Xiaohu Yang, Hongchao Yang,* Chunyan Li, Yejun Zhang, and Qiangbin Wang. Activatable Rare Earth Near-Infrared-II Fluorescence Ratiometric Nanoprobes. Nano. Lett. 2021.

DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c01962.

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