稀土摻雜上轉換納米晶作為一種新型熒光探針已廣泛應用于生物檢測和成像中。特別地，由于鋱離子（Tb3+）的5D4→7FJ躍遷的能量遷移上轉換發光不受納米晶表面或近鄰有機分子/配體高頻聲子的影響，其能量遷移上轉換發光強度和熒光壽命可以作為一種穩定、可靠的檢測信號源，以保證生物檢測和成像的高準確性。
在傳統的Tb3+摻雜的能量遷移上轉換納米晶核殼設計方案中（如NaGdF4:Yb3+/Tm3+@NaGdF4:Tb3+），由于敏化劑鐿離子（Yb3+）、蓄能劑銩離子（Tm3+）被共摻在納米晶內核中，激活劑Tb3+則被限域在外殼層中，導致Tm3+的紫外上轉換發光總是與Tb3+的能量遷移上轉換發光相伴而生，基于此類Tb3+摻雜能量遷移上轉換納米晶的生物應用往往面臨著由Tm3+紫外上轉換發光誘導產生的嚴重背景熒光干擾問題。
圖1、三明治型核殼結構納米晶及其上轉換發射光譜示意圖。
為解決上述難題，中科院功能納米結構設計與組裝/福建省納米材料重點實驗室陳學元團隊首次提出一種將敏化劑、蓄能劑、激活劑實行空間分離的特殊三明治型核殼結構納米晶設計方案：NaLuF4:Yb3+/Gd3+@NaGdF4:Tm3+@NaLuF4:Tb3+，即將Yb3+、Tm3+、Tb3+分別摻入納米晶內核、中間殼層和外殼層中（圖1）。制備的三明治型核殼結構納米晶在中等功率密度（~ 200 W/cm2）的980 nm近紅外激光照射下，Tb3+對應于5D4→7F5躍遷的能量遷移上轉換發光與Tm3+最強紫外上轉換發射的峰值強度比值約為58.9（圖2a），遠超傳統的非三明治型核殼結構納米晶NaLuF4:Yb3+/Gd3+/Tm3+@NaGdF4@NaLuF4:Tb3+（對應的比值小于1.2）（圖2b）。換言之，三明治型核殼結構納米晶在獲得Tb3+高效能量遷移上轉換發光的同時，也可幾乎完全抑制Tm3+紫外上轉換發光。
圖2、（a）三明治型核殼結構納米晶上轉換發射光譜（980 nm，~ 200 W/cm2）；（b）非三明治型核殼結構納米晶上轉換發射光譜；（c）Tb3+能量遷移上轉換機理圖（左部），以及非三明治型（右上）和三明治型核殼結構納米晶（右下）中內核和殼層中稀土離子的能量傳遞路徑示意圖。（d）空白樣品與三明治型核殼結構納米晶的上轉換熒光衰減曲線。
究其原因，研究團隊發現，在三明治型核殼結構納米晶中，由于Tm3+摻雜在中間殼層，因此中間殼層中的Gd3+可以迅速將藉由Yb3+－Tm3+五光子上轉換過程蓄積的能量直接傳遞至外殼層中的Tb3+，以實現Tb3+高效能量遷移上轉換發光（圖2c左部及右下部）。作為對照，在非三明治型核殼結構納米晶中，由于Tm3+在內核中，且Gd3+在內核中亦有分布，因此Yb3+－Tm3+五光子上轉換過程蓄積的能量傳遞至內核中的Gd3+后，會在Gd3+離子之間發生“無規跳躍”式的隨機能量回傳，并存在一定幾率將能量傳遞至猝滅中心/晶格缺陷，或者回傳至Tm3+，從而極大削弱Tb3+能量遷移上轉換發光（圖2c右上部）。也正因為存在Gd3+離子間隨機能量回傳過程，在非三明治型核殼結構納米晶中，可以觀測到Gd3+的上轉換熒光衰減曲線呈雙指數衰減特征，其慢衰減部分的熒光壽命長達4.60毫秒（圖2d）。
此外，通過精確對比外殼層中未摻雜Tb3+的空白樣品NaLuF4:Yb3+/Gd3+@NaGdF4:Tm3+@NaLuF4（圖3a，d）與三明治型核殼結構納米晶（圖3b，c）的上轉換發光強度，可以分析出三明治型核殼結構納米晶中稀土離子的穩態能級布居數在Tb3+摻入外殼層前后的變化（圖3e）。研究團隊發現，在三明治型核殼結構納米晶中，中間殼層與外殼層間的Gd3+（6P7/2）→Tb3+（5D0）能量傳遞可顯著增強Yb3+－Tm3+五光子上轉換以及隨后的Tm3+（1I6）→Gd3+（6P7/）能量傳遞過程，并最終產生高效的對應于Tb3+ 5D4→7FJ躍遷的能量遷移上轉換發光。上述微觀機制也可通過基于簡化的能量遷移上轉換模型（圖3f）的穩態速率方程推導出的解析結果進行理論描述。
圖3、（a-b）空白樣品（a）與三明治型核殼結構納米晶透射電鏡圖像；（c-d）三明治型核殼結構納米晶（c）和空白樣品（d）的環己烷分散液在980 nm激光激發下的照片；（e）空白樣品與三明治型核殼結構納米晶的穩態上轉換發射光譜對比圖；（f）簡化的Tb3+能量遷移上轉換模型。
綜上所述，該項研究工作在探究稀土無機納米晶中涉及納米尺度能量傳遞的能量遷移上轉換發光這一基礎物理過程方面提供了更深入的見解，還為調控稀土納米晶上轉換發光以實現其在生物領域的前沿應用鋪平了新道路。相關結果以全文形式發表在中國化學會旗艦雜志CCS Chemistry上（CCS Chem. 2021, 3, 2032–2043），論文的第一作者是福建物構所碩士研究生徐丹，通訊作者為徐金副研究員和陳學元研究員。該研究得到中科院海西研究院“春苗”青年人才專項、中科院戰略性先導科技專項、科技部國家重點研發專項和國家自然科學基金等項目支持。
此前，陳學元團隊在稀土無機納米材料的電子結構、光學性能和生物應用研究方面取得了一系列重要進展。例如，提出了一種基于稀土納米晶的輻射能量傳遞上轉換敏化新機制，實現 了CsPbX3鈣鈦礦納米晶在低功率半導體激光器激發下的全光譜高效上轉換發光（Nat. Commun. 2018, 9, 3462）；發展了一種近紅外雙激發比率型稀土上轉換熒光策略實現細胞內生物分子的精準檢測（Adv. Sci. 2019, 6, 1901874）。