在高掺杂镧系纳米粒子中通过染料敏化级联能量传递放大1525 nm发光

体内更清晰的视野

在不切开组织的情况下清晰观察活体内部是现代医学的一大难题。基于光的成像具有快速、温和且可重复的优点，但我们的身体会散射并吸收光，使得深部结构显得模糊且暗淡。本研究引入了经过特殊设计的发光纳米粒子，它们在一段“最佳窗口”的不可见红外光下更明亮，从而可以以高分辨率和高对比度绘制皮下深处的血管。

为何不可见光很重要

大多数医学相机使用可见光或近红外光，但在这些波段光被强烈散射且组织本身会发出背景光，增加不需要的噪声。在稍长一点的波长范围，称为第二近红外窗口，散射和自然背景发光都要弱得多，因此图像可以更清晰、穿透更深。作者聚焦于该窗口内的一个窄带，约在1525纳米处，该波长在用常见的808纳米激光照明时，特别适合以强信号对比暗背景来可视化血管。

构建更亮的纳米级灯笼

这项工作的核心是由一种称为铒的镧系元素制成的微小晶体粒子，铒天然在1525纳米附近发光。然而铒原子本身对入射激光的吸收非常差，因此粒子发光微弱。研究人员通过构建分层纳米粒子解决了这一问题：一个富含铒的核心，被包裹在含有另一种镧系元素钇（应为镱， ytterbium）的薄壳中，整体直径不到20纳米。表面连接了一种医学用染料靛氰绿，它对808纳米光的吸收效率非常高。

纳米尺度的能量交接

当染料分子吸收激光光子时，它们将能量传递到粒子中，而不是作为自身荧光释放。关键的创新在于能量并非直接从染料跳跃到埋在内部的铒原子——那样只能激活靠近表面的铒——而是通过级联流动：先从染料传到富钇的壳层，再从那儿进入铒核心。这个“中继层”缩短了有效的能量传递距离，使得更多铒原子被激发。通过结构控制、光学测量和超快光谱学的组合，团队表明这种级联路径可以将大约90%的染料激发能量引导进纳米粒子，并强烈填充在1525纳米发射的铒能级。

调节层以获得最强发光

作者仔细改变壳层的厚度和成分，以弄清哪些因素有助或有害于亮度。一个惰性壳只起到隔离核心、减少表面能量损失的作用，但几乎不改善光的吸收。掺入额外铒或另一种元素钕的壳层反而会降低性能，因为能量会迅速向表面缺陷传递并在发射之前耗散。相比之下，含50%镱的壳层达到了一种有效平衡：它作为高效的能量收集器和桥梁，同时不会引入过多损失。在涂覆染料后，这一优化设计使1525纳米的发射相比裸核心提高了1965倍，相比已改进的核–壳粒子提高了11倍。

从试管到活体血管

为使粒子适应体内环境，研究团队用一种亲水的聚合物包覆它们，增强了它们在液体中的稳定性并减少聚集倾向。在细胞测试中，这种包覆粒子在高浓度下表现出低毒性，并在持续照明下保持明亮。注入小鼠后，纳米探针随血流循环，并在以安全水平的808纳米光照明且在1525纳米处探测时产生清晰的血管图像。血管可分辨到约200微米的宽度，信号比周围组织高出三倍以上，且发光持续时间足以——约为一小时量级——用于实用的血流和血管结构成像。

对未来成像的意义

通过精心设计的能量中继，将本来很暗的红外发射体转变为异常明亮的纳米级灯笼，这项工作为设计下一代成像探针提供了通用蓝图。这里开发的特定粒子已是绘制血管和研究活体循环的强大工具，类似策略也可应用于其他波长、染料和镧系元素。尽管在用于人体之前仍需进一步研究长期安全性和染料稳定性，但分层纳米粒子中的级联能量传递概念为实现更清晰、更深层且信息更丰富的体内光学成像开辟了有前景的道路。

引用: Long, F., Gan, D., Chen, H. et al. Dye-sensitized cascaded energy transfer for amplified 1525 nm luminescence in highly doped lanthanide nanoparticles. Light Sci Appl 15, 215 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02302-9

关键词: 近红外成像, 镧系纳米粒子, 染料敏化, 血管成像, 纳米探针