中国教育报-中国教育新闻网讯（记者 任朝霞）近红外光是一种人眼不可见的光，相对于可见光（400—700nm）而言，生物组织在近红外窗口（700-1700nm）对光的吸收与散射较小，所以发射近红外光的探针在加密通讯和生物活体成像等领域具有天然优势。然而，传统的近红外探针通常需要在能量较高的激光照射下才能发光，过高的照射功率不可避免地会造成背景的干扰，从而影响成像的信噪比和分辨率。此外，外部激光的辐照往往会造成潜在的过热现象，容易对生物组织造成伤害。如何降低辐照光的能量，甚至在功率较低的环境光照射下实现高信噪比的近红外成像，一直是科研人员面临的难题。

近日，复旦大学化学系张凡教授团队开发的高亮度近红外探针实现了弱光照射下的高信噪比生物成像，为以上难题的攻克提供全新思路。2024年9月13日，相关研究成果以《高亮度过渡金属敏化的镧系近红外发光纳米颗粒》为题，在《自然·光子学》期刊在线发表，这也是复旦大学在交叉学科领域取得的又一重大成果。

近年来，纳米尺寸的发光材料在微纳加工、信息加密以及生物医学领域发挥了重要作用。镧系发光纳米颗粒的结构具有原子级别的可调性和界面能量传递的特性，因此在发光波长调节和斯托克斯位移调控等方面更加丰富了发光材料的性能。镧系发光纳米颗粒的发光效率在很大程度上取决于镧系敏化剂对外部激发光能量的吸收和转换效率。由于传统镧系敏化剂吸收截面较低，通常需要较高功率的激光才可以点亮。因此，如何在低功率条件下特别是低照度的环境光激发下高效发出近红外光以扩大近红外发光材料的应用范围，一直是科研人员面临的难题。

针对以上难题，张凡团队开发了一系列尺寸均一、结构和发射波长可调的新型过渡金属元素铬敏化的镧系纳米发光颗粒。

团队首次在纳米尺度实现了过渡金属铬离子对于六种镧系激活剂的敏化，发光范围覆盖900—1700 nm。此外，与需要激光激发的传统镧系敏化纳米粒子相比，新型的CLNPs在较弱的环境光照射下即可实现高效近红外发光，CLNPs的亮度比相同尺寸的传统镧系敏化纳米粒子最多高出370倍。而其他过渡金属（例如Mn2+，Ni2+）也有类似的敏化能力，这证明了过渡金属对镧系离子敏化在纳米结构中具有一定普适性这一重要科学发现。

不仅如此，CLNPs还可以外延生长至传统镧系敏化纳米粒子表面，形成长程有序的核壳纳米界面结构，三价铬离子同样可以通过界面能量传递的方式对传统镧系纳米颗粒进行敏化，实现最高20倍的发光增强。这一发现不仅拓宽了现有镧系纳米颗粒的工具库，还开启了依靠过渡金属敏化来实现镧系纳米颗粒高效发光的新领域。

基于CLNPs良好的化学稳定性，团队将其作为新型防伪墨水实现了近红外窗口的四色加密：喷洒了防伪墨水的树叶在肉眼下仍然保持绿色，但在近红外相机视野中，不再需要高功率的激光，仅需环境光的照射便可以清晰地观察到不同通道的加密信息。

不仅如此，在小鼠皮下瘤的手术切除实验中，团队利用CLNPs的强消光特性，仅在手术室无影灯的照射下就可实现近红外手术导航。相比之下，为达到相同效果，使用传统激光激发的功率需要高出11倍。

此外，团队还使用了口服商品化长余辉材料作为“内照射”光源，通过选用掺杂不同镧系激活剂的CLNPs可以实现小鼠不同脏器和不同病灶部位的高对比度多重成像。这一技术的应用极大地简化了近红外成像的使用条件，同时也拓宽了近红外纳米探针的使用范围。

由于铬的全球年产量约为所有镧系元素总产量之和的150倍，基于CLNPs的发光平台还极具高效和经济性。即使在极低光照条件下，CLNPs仍然具有高效发光的性质。这一科研进展将为材料科学、分析化学、信息工程、生物光子学、生物医学工程和医疗诊断等领域拓宽研究视野。本研究第一作者为复旦大学化学系博士生明江，通讯作者为复旦大学化学系教授张凡。

作者：任朝霞