纳米人联合奇物论编辑部对2019年国内外重要科研团队的代表性重要成果进行了梳理，今天，我们要介绍的是新加坡国立大学化学系刘小钢教授。

刘小钢教授主要从事纳米材料制备和自组装、生物无机化学和超分子化学、催化表面科学、光电太阳能技术、传感器和生物医学应用等方面研究。

课题组研究方向包括：

（1）DNA修饰的纳米粒子；

（2）纳米结构材料；

（3）过渡金属基催化；

（4）掺杂镧系元素的发光纳米粒子。

下面，我们简要总结了刘小钢教授课题组2019年部分研究成果，供大家交流学习。

1）由于相关论文数量较多，本文仅限于通讯作者文章（不包括序言、短篇评述等），以online时间为准。

2）由于学术有限，所选文章及其表述如有不当，敬请批评指正。

3）由于篇幅限制，部分成果未列入编号，仅以发表截图展示。

以下分为四个方面展开：

Part Ⅰ 上转换

Part Ⅱ 上转换生物医学

Part Ⅲ 光学安全

Part Ⅳ 综述

Part Ⅰ 调节上转换

1. Nature Nanotechnology：寿命不到2 μs的上转换超爆发

通过镧系元素掺杂的上转换纳米粒子产生的反斯托克斯发射对于能量收集，生物成像和光学密码术中的技术应用非常重要。然而，上转换纳米粒子的吸收弱和辐射寿命长可能会极大地限制其在成像和标记应用中的应用，在这些应用中，快速自发发射率至关重要。

新加坡国立大学刘小钢和波尔多大学Renaud A. L. Vallée团队报道了通过将间隙等离子体激元模式耦合到纳米粒子发射体上，直接观察到具有定向、快速和超亮发光的上转换超爆发（superburst）。通过精确控制纳米粒子的局部状态密度，将发射放大了4到5个数量级，自发发射速率提高了166倍。研究还证明，调整等离激元腔的模式可以主动控制上转换发射的颜色输出。这些发现可能有益于快速非线性图像扫描纳米技术的未来发展，并开辟了构建由电信波长驱动的高频单光子发射器的可能性。

Upconversionsuperburst with sub-2μs lifetime，Nature Nanotechnology (2019)

https://www.nature.com/articles/s41565-019-0560-5

2. Nature Photonics: 颜色可调的超长有机磷光体！

在可见光谱中表现出长寿命、持久发光的材料在显示器，信息加密和生物成像等领域具有具有广泛的应用前景。有鉴于此，黄维院士、安众福以及新加坡国立大学刘小钢团队合作，报道了几种颜色可调的超长有机磷光体，为开发具有动态控制磷光的智能发光材料和传感器提供了行之有效的途经。

该有机磷光体提供颜色可调的超长有机磷光（UOP）。可以通过改变激发波长来调节发射颜色，从而允许从可见光谱的紫色到绿色进行动态颜色调谐。研究表明，这些有机磷光体的超长寿命为2.45 s，最大磷光效率为31.2％。颜色可调UOP在多色显示器中的应用以及300至360nm范围内紫外光的视觉感应。

Gu,L., et al., Colour-tunable ultra-longorganic phosphorescence of asingle-component molecular crystal. Nat. Photonics 2019.

https://doi.org/10.1038/s41566-019-0408-4

3. Nature Commun.: 通过介电超透镜调制以放大上转换发光

在低辐照度下实现有效的光子上转换不仅是一项根本挑战，而且也是从光伏到生物光子学的众多先进应用的核心。然而，迄今为止，几乎所有上转换发光增强方法都需要严格控制许多因素，例如纳米磷光体的组成和大小。于此，刘小钢教授等人报道了利用介电微珠来显着增强镧系元素掺杂的纳米晶体中的光子上转换过程。通过介电超透镜效应调制激发场和发射场的波前，可以实现高达5个数量级的发光放大。

Liang,L., et al. Upconversion amplification through dielectric superlensingmodulation. Nat Commun 10, 1391 (2019).

https://doi.org/10.1038/s41467-019-09345-0

4. Angew：亚2 nm有机硅纳米杂化物用于超分辨率成像

受激发射损耗（STED）显微镜可实现对生物样品进行高时空分辨率的超微结构成像。新加坡国立大学刘小钢教授和深圳大学屈军乐教授等人绍了一种基于荧光有机硅纳米杂化体的具有亚2nm尺寸和高量子产率的STED纳米探针。

富含重原子有机荧光团的自旋轨道耦合（SOC）通过硅烷分子介导的缩合/脱卤化过程得到缓解，从而在一个杂化纳米点中形成具有多个发射体的明亮荧光有机硅纳米杂化物。当用作STED纳米探针时，这些荧光纳米杂交体显示出强烈的光致发光，高生物相容性和长期的光稳定性。

Liang L, Yan W, Qin X, Peng X, Feng H, Wang Y,et al. Designing Sub-2nm Organosilica Nanohybrids for Far-FieldSuper-Resolution Imaging. Angewandte Chemie International Edition.2020;59(2):746-51.

https://doi.org/10.1002/anie.201912404

5. Adv. Opt. Mater.：通过碱土金属掺杂调节长寿命的Mn（II）上转换发光

新加坡国立大学刘小钢、西北工业大学黄维院士、Xiaowang Liu等人采用碱土金属（A²⁺）掺杂的六方相NaGdF₄:Mn的晶位进而调节Mn²⁺掺杂的上转换发光。实验和计算结果表明，A²⁺掺杂能够改变Mn²⁺离子的占据位，使Mn²⁺离子在980nm激发下发射光从绿色（520nm）到黄色（583nm）。Mn²⁺的黄色发射显示出65ms的长发射寿命，比Mn²⁺的绿色发射（20ms）长3倍以上。可调谐长寿命Mn²⁺发射与单粒子水平的镧系元素发射的结合提供了一种在动态激发下三瞬态上转换色码的便捷途径，这提供了一种有吸引力的光学功能，特别适合于高效的文档编码。

XiaowangLiu, et al., Tuning Long‐Lived Mn(II) Upconversion Luminescence through Alkaline‐Earth Metal Doping and Energy‐LevelTailoring. Adv. Opt. Mater. 2019, 7, 1900519

https://doi.org/10.1002/adom.201900519

Part Ⅱ 上转换生物医学

6. Chem：过氧化钙纳米粒子用于钙超载介导的肿瘤治疗

钙超载，以游离钙离子（Ca²⁺）的异常胞浆积累为特征，是多种细胞类型损伤甚至细胞死亡的普遍原因。这种不良的破坏过程可以成为一种适用于癌症治疗的新工具。华东师范大学步文博教授和新加坡国立大学刘小钢教授等人以Ca²⁺独特的生物学效应为基础，利用pH敏感的透明质酸钠修饰过氧化钙纳米颗粒（SH-CaO₂ NPs），提出了一种高效的肿瘤治疗策略。

这些NPs在肿瘤细胞中产生一种人工的钙超载压力，这是导致细胞死亡的原因。值得注意的是，杀伤效应不限于肿瘤类型或低氧细胞，而正常细胞更能耐受NPS对肿瘤细胞的不利影响。Ca²⁺的富集也增加了肿瘤钙化的可能性，这可能有助于体内肿瘤抑制，并有助于医学成像监测治疗效果。

Zhang M, Song R, Liu Y, Yi Z, Meng X, Zhang J, et al.Calcium-Overload-Mediated Tumor Therapy by Calcium Peroxide Nanoparticles.Chem. 2019;5(8):2171-82.

https://doi.org/10.1016/j.chempr.2019.06.003

7. AM: 控制MRI开关进行体内肿瘤可视化

高性能造影剂在磁共振成像（MRI）中的开发近来受到了广泛的关注，因为它们作为癌症诊断的强大工具具有巨大的前景和潜力。尽管取得了重大成就，但开发基于纳米结构的生物相容性平台，且可以生成具有高信噪比和良好肿瘤特异性的按需MRI信号，仍然具有挑战性。在此，新加坡国立大学刘小钢教授等人报道了一类由NaGdF₄和碳酸钙自组装纳米共轭物组成的新型纳米造影剂的设计与合成。

在这种设计中，由于质子和晶格之间的相互作用不足，T1源（Gd³⁺）的空间限制导致“关闭”磁共振信号。然而，当在肿瘤弱酸性微环境中时，嵌入的碳酸钙纳米颗粒会产生二氧化碳气泡并随后断开纳米结合物，从而产生“开”磁共振信号。与商用造影剂Magnevist相比，这些纳米结合物在体内的表现显示肿瘤可视化中的对比增强超过60倍。这项工作为构建适合于深部组织成像和靶向肿瘤诊断的智能核磁共振纳米探针提供了重要进展。

Yi,Z., In Vivo Tumor Visualization through MRI Off‐On Switching of NaGdF4–CaCO3 Nanoconjugates. Adv. Mater. 2019, 31, 1901851.

https://doi.org/10.1002/adma.201901851

8. AM：聚多巴胺包封上转换NPs激活抗肿瘤免疫和转移

协同性光学治疗可以有效克服肿瘤的异质性和复杂性，因此它比单模态的光动力治疗(PDT)或光热治疗(PTT)有着更好的癌症治疗效果。然而，以往将PDT和PTT相结合的方法都主要致力于治疗原发肿瘤而忽略了肿瘤转移这一过程。华中科技大学刘笔锋教授、深圳大学王瑀博士和刘小钢教授合作制备了一种上转换-聚合物混合型纳米颗粒，并在其表面负载光敏剂Ce6用于实现PDT和PTT联合治疗，该策略不仅可以治疗原发肿瘤，也能通过激活抗肿瘤免疫响应来对抗肿瘤的转移。

研究表明，在聚合物内核上的上转换材料可以确保在单次近红外光照射下进行充分的光吸收以产生活性氧，并且这种协同性光学治疗还能够诱导产生全身抗肿瘤免疫反应，将其与免疫检查点阻断治疗相联合后可有效抑制两种肿瘤转移模型荷瘤小鼠的肿瘤复发和转移，并延长荷瘤小鼠的生存期。

ShuangqianYan, et al. Activating Antitumor Immunity and Antimetastatic Effect ThroughPolydopamine-Encapsulated Core–Shell Upconversion Nanoparticles. AdvancedMaterials. 2019

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201905825

9. AM: 上转换纳米粒在活体光遗传学和神经调节中的应用

光遗传学是一种利用可见光进行选择性神经调节的光学技术。尽管付出了巨大的努力，但利用可见光对位于神经系统深层结构中的靶向神经元进行有效刺激仍然是一项技术挑战。与可见光相比，近红外照明由于光衰减程度较低而提供更高的组织穿透深度。

新加坡国立大学刘小钢与美国约翰霍普金斯医学院Angelo Homayoun All等人综述了利用上转换纳米颗粒介导的光遗传学技术开发神经回路调节新模式的研究进展。这些进展导致了对神经元的微创性光刺激和抑制，显著提高了选择性、敏感性和空间分辨率。重点是对评价上转换参数的机制基础进行全面的回顾，这将有助于设计、执行和报告光遗传学实验。

All,A. H., et al., Expanding the Toolbox of Upconversion Nanoparticles for In VivoOptogenetics and Neuromodulation. Adv. Mater. 2019, 31, 1803474.

https://doi.org/10.1002/adma.201803474

10. Angew：追踪神经元内运动蛋白

轴突上的载体运输是运动蛋白介导的一个生理过程，对神经元的功能和生存至关重要。目前轴突转运研究的一个局限性是缺乏一种具有高时空分辨率的鲁棒成像技术来实时和定量地观察运动蛋白在不同深度平面上的运动。有鉴于此，新加坡国立大学刘小钢、Angelo H. Al和日本理化研究所脑科学中心Thomas J. McHugh等人提出一种动态成像技术，充分利用了上转换纳米颗粒的特性。

这项技术可以用作微观探针，用于在多层培养物中以单粒子分辨率定量原位追踪逆向运输神经元。这项研究可能为揭示动态神经元活动和轴突内运输功能以及轴突运输机制的突变或损伤引起的任何相关神经退行性疾病提供有力的工具。

X.Zeng,et al., Visualization of Intra‐neuronal Motor ProteinTransport through Upconversion Microscopy. Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 9262

https://doi.org/10.1002/anie.201904208

Part Ⅲ 光学安全

11. AM: 可调谐振器上转换发射（TRUE）彩色打印及其在光学安全方面的应用

镧系元素掺杂的纳米磷光体在防伪和安全印刷应用中很有前途。这些纳米磷光体可以作为透明墨水掺入，通过将近红外照明上转换为可见光来发出荧光，从而轻松验证文档。但是，这些油墨通常表现出单一的发光颜色、低的发射效率和低的打印分辨率。

于此，新加坡科技设计大学Joel K. W. Yang和新加坡国立大学刘小钢等人通过将上转换纳米粒子（UCNP）放置在等离子体纳米谐振器中，可以实现可调谐的谐振器上转换发射（TRUE）。印刷的彩色和发光图像具有超高分辨率（约5万dpi），并且可以从单个激发源获得多种颜色，从而提高了安全性。

H.Liu, et al. Tunable Resonator‐Upconverted Emission (TRUE) Color Printingand Applications in Optical Security. Adv. Mater. 2019, 31, 1807900

https://doi.org/10.1002/adma.201807900

12. Adv. Opt. Mater.: 激光喷溅等离子体纳米坑用于比率上转换调节和加密

具有优异光学性能的上转换纳米颗粒（UCNPs）已成为通过多色编码、寿命调整和激发光定相进行数据加密的新范例。但是，除了内部量子效率低之外，由于需要复杂设计的多组具有特殊定制光学特性的UCNPs，因此极大地阻碍了UCNPs用于数据加密的用途。暨南大学李向平、新加坡国立大学刘小钢教授等人发现，金属-绝缘体-金属（MIM）配置能够通过激光喷射的亚微米坑的可编程几何相关等离子体特性来调节UCNPs的上转换发射。

此外，还展示了一种比率计量加密策略，该策略通过调节放置在等离子体MIM配置中的固定成分的单组UCNPs的双频发射比率来实现。通过发光比例测量策略进行的高通量加密和解密，可以以简便的激光写入方式实现，并且具有可扩展性和亚微米级精度。该演示为大编码容量的发光调制开辟了一条新的途径，并为UCNPs在多路数据存储和信息加密中的潜在应用奠定了基础。

Feng,Z., et al., Laser‐Splashed Plasmonic Nanocrater for Ratiometric UpconversionRegulation and Encryption. Advanced Optical Materials 2019, 7, 1900610.

https://doi.org/10.1002/adom.201900610

Part Ⅳ 综述

13. Nano Today：上转换纳米晶体用于新兴应用的最新进展

新加坡国立大学刘小钢教授、Kezhi Zheng和韩国化学技术研究所Yung Dong Suh等人从基本的发光机理，新的合成路线以及当前实用的方法来回顾上转换纳米颗粒的领域，这些方法可用于调整发射颜色和提高上转换效率。特别是，作者重点介绍了利用上转换纳米晶体进行生物成像、治疗、生物传感、神经科学、超分辨率成像、光开关和激光应用的最新进展。还讨论了在不同环境下进一步实施上转换纳米颗粒的关键挑战和关键问题。

ZhengK, et al. Recent advances in upconversion nanocrystals: Expanding thekaleidoscopic toolbox for emerging applications. Nano Today. 2019:100797.

https://doi.org/10.1016/j.nantod.2019.100797

14. Chem：4-喹诺酮类化合物的催化合成研究进展

4-喹诺酮类及其类似物是一组异质的生物活性化合物，在现代已经发展成为抗生素研究最前沿的实用工具。它们已被用来对抗革兰氏阴性或革兰氏阳性细菌、抑制肿瘤生长并治疗许多严重的感染。这些抗微生物剂也已用于促进细胞凋亡和DNA修复，以治疗癌症。新加坡国立大学刘小钢和杭州师范大学章鹏飞等人综述了总结了制备4-喹诺酮类及其类似物的各种催化途径合成开发的实验进展；讨论目前对涉及生物催化合成、一般催化合成和不对称合成的反应机理的理解；最后介绍了新兴领域的未来前景。

C.Shen,Recent Advances in the Catalytic Synthesis of 4-Quinolones ,Chem 2019, 5,1059-1107.

https://doi.org/10.1016/j.chempr.2019.01.006

15. ACS Cent. Sci.: 稀土激活上转换纳米晶的能量转移编辑

先进的纳米合成技术为可编程控制掺镧系离子纳米晶体的尺寸、形貌和成分提供了一个多功能平台。镧系元素的4f-4f光学跃迁所产生的特征上转换发光特性可以通过预先设计的能量传递途径来实现，从而实现从超灵敏生物检测到具有高时空分辨率的先进光谱仪器的广泛应用。

于此，刘小钢等人回顾了最近的科学和技术发现，这些发现促使人们认识到稀土掺杂的上转换纳米晶体的这些特殊功能，并讨论了上转换过程中能量转移的机理研究。这些先进的方案包括交叉弛豫介导损耗、多脉冲顺序泵浦和纳米结构设计。重点放在破坏性技术上，例如超分辨率显微镜、光遗传学、纳米激光和光学防伪，这些技术充分利用了与掺镧纳米晶体相关的上转换纳米现象。

QinXian, et al. Energy-Transfer Editing in Lanthanide-Activated UpconversionNanocrystals: A Toolbox for Emerging Applications“. ACS Central Science 2019,5, 29-42

https://doi.org/10.1021/acscentsci.8b00827

此外，刘小钢教授课题组在2019年还有其他上转换相关的成果，由于内容较多，在此不一一列举，感兴趣的读者可前往刘小钢教授课题组网进行学习。

课题组网站：http://liuxg.science.nus.edu.sg/

刘小钢简介

刘小钢，新加坡国立大学教授，在新加坡科学院材料工程研究所兼任高级研究员，主要从事纳米材料制备和自组装、生物无机化学和超分子化学、催化表面科学、光电太阳能技术、传感器和生物医学应用等方面研究。

近五年来在红外上转换发光材料领域取得了多项重大技术突破，有多项国际发明专利，并在Science、Nature、NatureMaterials、Nature Nanotechnology、Nature Communications等国际顶级学术期刊上发表论文150多篇，被引用2.4万多次，最高单篇引用2100多次。