华体会-稀土科技新突破：近红外发光探针照亮生物体内部—新闻—科学网

本文环绕2022年度上海市天然科学奖一等奖项目?“稀土近红外发光探针可控合成、机能调控和生物利用根本研究”?睁开，该项目由复旦年夜学化学系传授张凡领衔完成。

漫长的发现之旅

稀土的发现始在北欧，1787年在瑞典斯德哥尔摩四周一个名叫伊特比（Yteerby）的村落，业余矿物学家阿累尼乌斯（C.A.Arrhenius）寻得了一块他从未见到过的黑色矿石，就借用这个村名将其定名为伊特比矿（Yteerite）。就此拉开了稀土元素的序幕。紧接着，1794年芬兰化学家加多林（J.Gadolin）从这类矿物中发现了一种新元素“钇土”，将其定名为Yteelium（钇）。局限在那时的分手手艺，“钇土”实际上是夹杂稀土氧化物。因为稀土元素之间性质太附近，这些元素被当做了一种元素。跟着工业提纯和冶炼手艺的成长，科学家们陆续从这类“钇土”中接踵发现了镱、铒、铽等稀土元素。一样在发现“钇土”9年后的1803年，瑞典化学家伯采利乌（J. J. Berzelius）和他的教员黑新格尔（W. Hisingerr）发现了“铈土”。厥后又从此中分手出镧、镨、钕等稀土元素。就如许，直到1947年，美国人马林斯克（J. A. Marinsky）和他的同事们在原子反映堆铀废物平分离出最后一个稀土元素钷，共履历了153年，才算完成了17个稀土元素的全数成长史。跟着稀土元素的发现，稀土分手纯化手艺也在不竭前进，稀土元素才最先在各个范畴中崭露头角。

发光

稀土元素的奇异起首表示在其非凡的发光特征上，特别是其光致发光特征，早在19世纪末至20世纪初，波兰化学家波古斯瓦夫 凯尔楚夫斯基（Bogus?aw K?czyński）和法国化学家乔治 乌尔班（Georges Urbain）不雅察到稀土元素的发光现象。他们发现，某些稀土元素在遭到紫外光或高能电子轰击时会发出特定色彩的光。20世纪中期，稀土发光材料在照明和显示手艺中的利用逐步成为研究热门，被普遍利用在电视、电脑显示器和节能灯等范畴。

稀土元素的发光特征首要来历在其未布满的4f电子轨道内的电子跃迁，发生发光现象是因为稀土离子显现出分歧的电子跃迁情势和极为丰硕的能级跃迁。而可以跃迁的通道凡是存在在可见光和红外光区内。是以，稀土离子可以接收或发射从紫外到红外区的多种波长的光而构成多种多样的发光材料。另外，稀土元素的发光寿命凡是具有微秒至毫秒量级的发光寿命，这使得它们可以或许与短折命的布景荧光辨别开来，合用在需要持久发光的利用中，例如光存储材料和持久荧光标识表记标帜。稀土元素的特异光学特征为新型光学材料和器件的开辟供给了丰硕的资本。进入21世纪，稀土发光材料被普遍利用在新型显示手艺（如LED和OLED），稀土搀杂的纳米颗粒因为其怪异的光学机能，被普遍用在生物成像和传感手艺中。

探针

20世纪末，科学家们最先摸索稀土搀杂纳米材料，年夜大都稀土离子搀杂的纳米探针具有较窄的接收和发射光谱，开初大师存眷的是它们从较长的红外到较短波长的上转换发光特征。但是，短波长的可见光（400～700 nm）在穿过生物组织时轻易被接收和散射，是以仅能知足体外诊断和细胞层面的生物成像。与可见光或紫外光比拟，近红外光（NIR，700～1700 nm）可以更深切地穿透生物组织，使其很是合适深条理的体内成像。是以，稀土的下转换发光的近红外区窗口，作为生物组织相对“透明”的光学窗口，因为生物组织较弱的接收和散射和更低的自体荧光，特别是1000nm-1700 nm的近红外二区荧光，具有更深的组织穿透能力和更高的成像信噪比。此中Pr3＋、Nd3＋、Ho3＋、Er3＋、Tm3＋因其发射波长位在1000nm-1700 nm的光谱规模内，是稀土搀杂纳米粒子下转移发光探针中经常使用的发光中间。陪伴着稀土搀杂纳米颗粒低毒性、高化学不变性、窄带发射和长荧光寿命等长处，已被愈来愈多地利用在生物成像、光学传感、疾病医治等范畴。

但是，因为稀土离子的接收截面较小，且f-f轨道间跃迁存在被制止的事实，一般稀土搀杂纳米粒子下转换发光效力较低，成长高活络度的荧光系统一向是稀土搀杂纳米粒子研究的主要内容。也是将稀土搀杂纳米探针利用在临床上的要害。跟着纳米手艺的成长，稀土近红外探针的合成工艺和机能获得了进一步晋升，经常使用的稀土发光调制策略，包罗染料敏化、元素搀杂、核壳布局设计、概况改性等。

复旦年夜学张凡团队一向致力在近红外荧光份子探针的开辟，持久从事稀土发光纳米材料的设计合成和利用研究工作。张凡2008年卒业在复旦年夜学化学系赵东元院士团队。开初，张凡随着赵教员做无机多孔材料范畴的研究，在进修研究进程中，张凡在文献浏览中渐渐发现了本身更感爱好的发光材料范畴。在赵教员的撑持下，张凡在博士时代就踏上发光材料的研究道路，并获得了优异的研究功效，博士时代工作别离取得复旦年夜学优异博士论文和上海市优异博士论文称号。2008年博士卒业后张凡赴美插手加州年夜学圣巴巴拉分校美国两院院士Galen Stucky传授课题组，展开博士后研究，继续从事稀土相干研究工作。自从2010年美国博士后研究回国后，张凡传授一向专注在近红外二区成像范畴，包罗稀土纳米探针、有机小份子探针、化学发光探针等，张凡传授将本身的研究归纳综合为“活体深组织红外光学成像窗口”的摸索。

在对稀土发光纳米材料的不竭深切研究中，张凡团队发现活体动物原位生物学机制摸索对疾病的诊断和医治尤其主要，但因为光传布进程中生物体内组织（如皮肤、脂肪、骨骼等）的散射和接收感化，使得近红外活体荧光成像的光学穿透深度和成像分辩率一向都不睬想，稀土发光荧光探针的潜力还未获得完全开辟。

为了提高稀土的发光强度，张凡团队在摸索中测验考试经由过程核壳布局的体例来增年夜稀土离子的接收截面的方式，他们提出了一种单原子层持续发展方式来修建稀土纳米粒子的核壳布局，经由过程壳层的层级构建，来晋升近红外探针的发光效力和不变性。他们还测验考试了经由过程对核壳布局在亚纳米标准上的精准调控，来注释稀土发光离子搀杂的纳米壳层能量迁徙调控机理，并是以构建了一系列分歧发射波长的近红外第二窗口荧光探针，为活体生物成像供给了主要东西。

另外，为了进一步降服生物体内组织对光的散射和接收感化的影响，张凡团队试图经由过程稀土离子的长荧光寿命特点，提出了基在时候维度的生物成像检测方式，操纵稀土纳米离子在近红外第二窗口的荧光寿命检测手艺，实现了组织穿透深度达3cm~5 cm的活体原位多重成像，显著提高了活体成像阐发中的检测活络度和组织穿透深度，解决了近红外荧光探针在活体深组织多重定量检测的困难。

十多年来，张凡团队一向致力在近红外发光探针制备，经由过程提高荧光发射和调控荧光寿命，连系纳米材料的概况功能化，付与了稀土纳米粒子多种物化性质。同时在近红外生物成像仪器搭建和活体荧光寿命成像手艺方面获得了主要冲破，为生物医学阐发研究作出重年夜进献。

如张凡传授所说，稀土近红外发光探针就像打开一扇不雅察生物体内部的窗口，经由过程稀土纳米材料进行特异性标识表记标帜后，便可主动定位到某个器官或某处组织，对特定生物组织进行精准检测，可以获得如肠道的蠕动、肿瘤细胞的游走、血管的散布等生物体动态信息。其即时性、高分辩率、无创等优势，为精准手术导航手艺范畴供给了较好的利用前景，有望成为一种新型的无创肿瘤病理诊断方式。稀土纳米材料与其他医治手段（如光热疗法，光动力疗法，靶向药物递送）连系，可能会为癌症等重年夜疾病供给全新的医治策略。

特殊声明：本文转载仅仅是出在传布信息的需要，其实不意味着代表本网站不雅点或证实其内容的真实性；如其他媒体、网站或小我从本网站转载利用，须保存本网站注明的“来历”，并自大版权等法令责任；作者假如不但愿被转载或联系转载稿费等事宜，请与我们联系。