第一作者：黄萍

通讯作者：郑伟、陈学元

第一单位：中国科学院福建物质结构研究所

核心内容：

1. 综述了陈学元课题组在稀土和过渡族金属离子掺杂无机纳米发光材料的最新研究进展，包括材料的控制合成、电子结构、光学性能设计及其在疾病标志物体外检测方面的应用。

2. 系统地阐述了稀土和过渡族金属离子掺杂无机纳米发光材料的发光物理（包括掺杂离子的电子结构和激发态动力学）与其光学性能的关系，并提出改善该类材料发光性能的有效途径。

稀土/过渡金属掺杂无机纳米发光材料

稀土和过渡族金属离子掺杂无机纳米发光材料具有优异的发光性能，如长荧光寿命的下转移发光、近红外激发的上转换发光以及无需激发源的长余辉发光，因此有望成为新一代荧光探针应用于生物医学的各个领域。稀土和过渡族金属离子在不同介质材料中的光学性能主要取决于其局域态的电子结构和激发态动力学，对稀土和过渡族金属离子掺杂无机纳米发光材料开展深入的发光物理研究对该类材料光学性能的优化及其在生物医学领域的应用具有重要意义。

内容简介

鉴于此，中科院福建物构所陈学元课题组系统介绍了该课题组在稀土和过渡族金属离子掺杂无机纳米发光材料的最新研究进展。概述了材料的控制合成，重点讨论了以生物医学应用为导向的光学性能设计以及提高该类材料发光效率的有效方法，并展示其作为无背景荧光生物探针在疾病标志物体外检测方面的应用。

图1综述内容概略：稀土和过渡族金属离子掺杂无机纳米发光材料的控制合成、电子结构、光学性能及生物应用

1. 控制合成

1.1 稀土掺杂NaREF₄纳米发光材料的宏量制备

目前稀土掺杂氟化物纳米材料的制备局限于实验室的小规模制备，通常一次合成量小于0.5 g，无法满足大规模转移转化的应用需求。陈学元课题组结合传统高温热分解和共沉淀的方法发展了一种固液热分解法，实现了稀土掺杂NaREF₄纳米晶及其核壳结构的宏量制备，该方法一次反应可制得63.38 g NaREF₄纳米晶，为目前已报道的稀土掺杂无机纳米材料宏量制备的最高值。

图2稀土掺杂NaREF₄纳米晶及其核壳结构的宏量制备（Nanoscale 2018, 10, 11477-11484）

1.2 基于电子束刻蚀实现中空核壳稀土上转换纳米晶的原位构筑

中空核壳结构稀土上转换纳米晶在生物传感、成像、药物缓释和医学诊疗等方面具有广泛的应用前景。目前合成中空核壳结构上转换纳米晶主要利用硬模板法，其合成工艺复杂且无法实现在衬底上原位构筑中空核壳结构纳米晶，从而极大限制了其应用范围。陈学元课题组利用NaLuF₄:Gd/Yb/Er@NaLuF₄:Nd/Yb@NaLuF₄核壳结构纳米晶内核与壳层界面处的缺陷调控，借助电子束刻蚀首次实现了在碳膜衬底上原位构筑中空核壳结构稀土上转换纳米晶。

图3基于电子束刻蚀实现中空核壳结构稀土上转换纳米晶的原位构筑（Adv. Sci.2018, 5, 1800766）

1.3 水热/溶剂热法合成长余辉纳米晶

长余辉纳米晶因其独特的光学性能，近年来在生物体内成像、疾病治疗等领域引起广泛关注。目前合成高质量的长余辉纳米晶仍是该领域的一个技术难题。陈学元课题组采用一种溶液-固体-液体（LSS）三相溶剂热法合成了形貌可控、粒径可调（4-10 nm）且单分散性良好的ZnGa₂O₄:Cr³⁺近红外长余辉纳米晶。该纳米晶具有良好的长余辉发光性能，可采用白光LED手电筒反复的充电储存激发光能量发射长余辉。

图4 LSS溶剂热法合成ZnGa₂O₄:Cr³⁺长余辉纳米晶（Nanoscale 2017, 9, 6846-6853）

1.4 热注射法合成稀土和过渡族金属离子掺杂CsPbX₃钙钛矿纳米晶

全无机钙钛矿量子点（CsPbX₃, X = Cl, Br, I）由于其优异的光学性能，在太阳能电池和LED 照明领域展现出了极大的应用价值。稀土和过渡族金属离子的掺杂可望赋予钙钛矿量子点新颖的光、电、磁特性，为该类材料的性能优化提供了一种有效的途径。近期，陈学元等发展了一种HX （X = Cl, Br, and I）热注射法合成CsPbX₃纳米晶，克服了常规高温注射法与常温过饱和重结晶法存在的Cs源降温易析出、PbX₂成本高及溶剂用量大等缺点，该方法可以方便制备CsPbCl₃:Mn²⁺和 CsPbCl₂Br₁:Yb³⁺等纳米晶。

图5 HX热注射法合成稀土和过渡族金属离子掺杂CsPbX₃钙钛矿纳米晶

2. 3dⁿ 和 4fⁿ组态的电子结构

2.1稀土离子[Xe]4fⁿ组态的电子结构

三价稀土离子具有[Xe]4fⁿ（0<n<14）电子组态，由于5s²5p⁶外壳层的屏蔽作用，稀土离子通常只受到周围晶体场的微弱作用而引起稀土自由离子能级的劈裂（Stark劈裂），劈裂数目与离子在晶体中所处的局域位置对称性相关。陈学元等以Eu³⁺离子为结构探针，揭示了Eu³⁺的光谱学位置对称性在立方相NaYF₄中由结晶学位置点群O_h降低为C_s（或C₂）, 而在六方相NaYF₄中则由结晶学位置点群C_3h降低为C_s，并进一步通过晶体场能级拟合对此结晶学位置对称性破缺进行了验证。更重要的是, 还指出了稀土掺杂无序晶体材料体系（如KLaF₄:Eu³⁺和KGdF₄:Eu³⁺纳米晶等）具有普适的结晶学位置对称性破缺现象, 从而解决了长期困扰该领域的一个争议, 为此类发光材料结构分析和性能优化奠定了理论和实验基础。

图6稀土掺杂无序纳米晶中的结晶学位置对称性破缺现象（Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 1128-1133）

2.2 过渡族金属离子[Ar]3dⁿ组态的电子结构

过渡族金属离子具有[Ar]3dⁿ(0<n<10)电子组态，由于没有闭壳层的屏蔽，电子运动受晶体场和晶格振动的影响较大，如具有3d³组态的Cr³⁺或Mn⁴⁺的T-S能级图所示，除²T₁和²E能级外，其他能级均随晶体场强度发生明显变化。一般来讲，过渡族金属离子的发光特性可以通过位形坐标图来判断。如氟化物基质中掺杂的Mn⁴⁺离子，由于基态⁴A₂和激发态⁴T₁/⁴T₂来源于不同的电子轨道，位形坐标原点的位移较大，又因为⁴A₂→⁴T₁,⁴T₂为自旋允许（△S=0）的跃迁，因此氟化物基质中掺杂的Mn⁴⁺离子具有较强的宽峰激发（或吸收）。又由于²E_g和⁴A₂能级源于相同的电子轨道且²E_g→⁴A₂为自旋禁戒跃迁，因此其发射谱为尖锐的线状光谱。

图7 Mn⁴⁺掺杂氟化物材料的能级及发光性能（Nat.Commun. 2014, 5, 4312）

3. 光学性能设计

3.1 半导体基质敏化稀土发光

半导体纳米晶的基质敏化稀土发光具有吸收截面大、敏化效率高、发光稳定性好等优点，是提高稀土纳米荧光标记材料发光效率的一种有效途径。陈学元课题组采用溶胶-凝胶溶剂热法实现了稀土离子在一系列宽禁带半导体纳米晶中（如ZnO、TiO₂、SnO₂, In₂O₃、Ga₂O₃和ZrO₂等）的体相掺杂，并通过半导体纳米晶基质的有效敏化显著提高稀土离子的发光效率。例如，在ZrO₂:Eu³⁺ (Tb³⁺) 纳米晶中，与直接激发稀土离子相比，其基质敏化稀土发光绝对量子产率从9.8%（1.1%）提高到32.8%（5.2%）。

图8 ZrO₂:Eu³⁺(Tb³⁺)纳米晶基质敏化Eu³⁺ (Tb³⁺)发光（J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 15083-15090）

3.2 调控单颗粒纳米晶能量传递实现上转换荧光增强

能量传递是发光材料中非常重要的物理过程，通过稀土离子在纳米晶中的空间可控掺杂可以实现对离子间能量传递过程的调控，从而提高稀土离子的发光效率。陈学元组等利用热分解分段定向外延生长制备方法，将稀土离子分别掺杂到KSc₂F₇纳米棒的不同部位，并在不同部位之间生长一定厚度的惰性基质材料以增加稀土离子之间的距离，减小不同稀土离子之间因能量传递和交叉弛豫过程而引起的能量损耗，从而大幅提高稀土掺杂无机纳米材料的上转换发光强度和量子产率。

图9基于单颗粒纳米晶中能量传递过程调控实现上转换荧光增强（Chem. Sci. 2017, 8, 5050-5056）

3.3 全无机CsPbX₃量子点全光谱上转换发光调控

CsPbX₃全无机钙钛矿量子点因其优异的光学性能，在光电器件中展现出了极大的应用前景。实现钙钛矿量子点在低功率密度激发下的高效上转换发光一直是国内外学者感兴趣的课题。陈学元课题组利用稀土纳米晶到CsPbX₃钙钛矿量子点的辐射能量传递，首次实现了CsPbX₃量子点在低功率半导体激光器激发下的高效上转换发光，并通过剪裁稀土离子的激发态荧光寿命将CsPbX₃量子点激子的表观荧光寿命从ns量级显著提升到ms量级。

图10基于稀土纳米晶和CsPbX₃全无机钙钛矿量子点的辐射能量传递上转换发光调控（Nat. Commun. 2018, 9, 3462）

3.4 充电式、LED激发ZnGa₂O₄:Cr³⁺近红外长余辉纳米材料

针对长余辉纳米材料控制合成的国际难题，陈学元等提出改进的LSS三相溶剂热法，制备出单分散、充电式、白光LED激发的ZnGa₂O₄:Cr³⁺长余辉纳米晶。该纳米材料不仅易于表面修饰和生物偶联，而且因其可再激活特性，可以克服当前长余辉纳米材料普遍存在的余辉强度弱、余辉时间短的缺点。通过对热释光与余辉衰减分析，发现该材料存在着深、浅两种陷阱分布，并揭示了热激活和量子隧穿两种长余辉发光机理。

图11充电式、LED激发ZnGa₂O₄:Cr³⁺近红外长余辉纳米材料（Nanoscale2017, 9,6846-6853）

4. 疾病标志物体外检测

陈学组课题组以稀土和过渡族金属离子掺杂无机纳米发光材料作为无背景荧光生物探针，发展了均相时间分辨荧光共振能量传递（TR-FRET）、异相上转换荧光（UCL）及溶解增强荧光免疫分析（DELBA）等检测方法，实现了对一系列疾病标志物的高灵敏特异性体外检测。相关工作如表1和表2所示：

表1基于稀土和过渡族金属离子掺杂无机纳米荧光探针的均相生物检测

表2基于稀土和过渡族金属离子掺杂无机纳米荧光探针的异相生物检测 

4.1 基于稀土和过渡族金属掺杂无机纳米荧光探针的均相TR-FRET检测方法

TR-FRET生物检测方法主要是以稀土掺杂无机纳米荧光探针（如NaYF₄:Ce/Tb, KGdF₄:Tb,ZrO₂:Tb和CaF2:Ce/Tb等）和有机荧光染料（FITC和TRITC等）分别作为能量供体和受体，利用能量供受体之间的FRET实现对目标物的检测。近期，我们将TR-FRET生物检测技术从稀土掺杂扩展到过渡族金属离子掺杂纳米发光材料体系，发展了基于过渡金属离子如 Mn²⁺的 d-d禁戒跃迁的时间分辨荧光生物检测与成像方法，并在生物素-亲和素检测模型中利用Mn²⁺的荧光寿命作为检测信号去除辐射再吸收的干扰，对亲和素的检测限达到32pM，比此前基于稀土掺杂纳米荧光探针的检测灵敏度得到了进一步提升。

图12基于CaF₂:Ce/Mn纳米发光材料的均相TR-FRET检测方法（Sci. China Mater. 2019, 62, 130）

4.2 基于稀土纳米发光材料的溶解增强荧光免疫分析

镧系解离增强荧光免疫分析方法（DELFIA）因其灵敏度高，在科学研究和医疗领域已获得广泛应用。陈学元课题组结合DELFIA技术和无机稀土纳米晶的优势发展了基于稀土纳米发光材料的溶解增强荧光免疫分析DELBA方法，克服了商用DELFIA试剂盒因采用稀土螯合物作为标记物，存在稀土离子标记比率低、光化学稳定性差和价格昂贵等缺点，并利用该方法实现了对疾病标志物癌胚抗原（CEA）、前列腺特异性抗原（PSA）、甲胎蛋白（AFP）和miRNA-21的超灵敏体外检测，检测限分别达到0.5fM、15.2 fM、870fM和1.4fM，检测灵敏度比商用DELFIA试剂盒提高了2-3个数量级。

图13基于DELBA的miRNA-21超灵敏检测（Nano Res. 2018, 11, 264-273）

4.3 基于异相UCL的肿瘤标志物检测

与传统荧光标记材料相比，上转换发光纳米材料因采用近红外光源激发，可有效抑制背景荧光的干扰，实现无背景荧光的高灵敏体外检测。陈学元等发展了一系列稀土掺杂纳米发光材料（如LiLuF₄:Yb,Er@LiLuF₄, NaGdF₄:Yb/Tm@NaGdF₄:Eu@NaEuF₄和NaGdF₄:Yb,Er@NaYF₄等）作为上转换纳米荧光探针，并利用集成研制的上转换荧光读板机实现了对多种肿瘤标志物（如人绒毛膜促性腺激素β亚单元、AFP和PSA）的高灵敏特异性体外检测。其中对人体血清AFP的检测线性范围为0.01–60 ng mL^-1，检测限为20 pg mL^–1，检测灵敏度比商用DELFIA 试剂盒提高了30倍。

图14基于异相UCL方法实现对前列腺特异抗原的检测（Nanoscale 2018, 10, 11477-11484）

4.4 基于均相UC-FRET方法的糖尿病标志物检测

以NaYF₄:Yb/Er上转换纳米发光材料和聚合多巴胺（PDA）分别作为能量供体和受体，我们成功构建一种基于UC-FRET的均相生物检测新方法，并实现对复杂生物体系（如血清和全血）中H₂O₂和葡萄糖浓度的高灵敏特异性检测，检测限达到1.2 μM。该方法具备快速、灵敏、经济实用等诸多优点，且适用于所有H₂O₂生成体系相关血清疾病标志物的检测，有望拓宽上转换纳米荧光探针在生物医学领域的应用潜力，实现上转换纳米荧光探针在疾病研究和临床诊断的高值应用。

图15基于均相UC-FRET方法的H₂O₂和葡萄糖检测（Nano Res. 2018, 11, 3164–3174）

5. 结论与展望

5.1 取得成果

（1）   制备一系列稀土和过渡族金属掺杂纳米荧光探针并突破其宏量制备；

（2）   利用基质敏化和掺杂离子能量传递过程调控实现材料的高效发光；

（3）   发展多种新颖的生物检测技术和方法，实现了对一些重要疾病标志物如CEA、AFP、PSA等的高灵敏特异性体外检测。

5.2 面临挑战

（1）稀土和过渡族金属掺杂无机纳米材料发光效率的进一步提高；

（2）发展普适、高效的纳米探针表面改性方法，提高其在复杂体系中的特异性；

（3）高端检测仪器例如上转换荧光读板系统、近红外探测器等的成本控制；

（4）家用智能、即时检测技术的开发。

总之，纳米荧光标记材料已迈进临床应用开发时代，蕴藏着巨大的机遇和挑战！

参考文献：

P.Huang, W.Zheng, Z.Gong, W.You, J.Wei, X.Chen, Rare earth ion– and transition metal ion–doped inorganic luminescentnanocrystals: from fundamentals to biodetection. Materials Today Nano, 2019:100031.

DOI: 10.1016/j.mtnano.2019.100031

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2588842019300148