GdF₃∶Nd³⁺,Yb³⁺@NaGdF₄ Nanomaterials for Near Infrared Fluorescence and Magnetic Resonance Dual-mode Imaging Enhanced Publication

适用于近红外荧光/核磁双模成像的GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ @NaGdF 4 纳米材料 GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ @NaGdF 4 Nanomaterials for Near Infrared Fluorescence and Magnetic Resonance Dual-mode Imaging 1 first-author 何旭(1995-)，男，河北廊坊人，硕士研究生，2019年于河北大学获得学士学位，主要从事稀土掺杂发光材料的研究。E-mail: 18830285787@163.com http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=25656872&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=25656877&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=25656880&type= 何旭 (1995-)，男，河北廊坊人，硕士研究生，2019年于河北大学获得学士学位，主要从事稀土掺杂发光材料的研究。E-mail: 18830285787@163.com 18830285787@163.com 1 1 1 1 1 1 corresp *E-mail: lixcn@sina.com *E-mail: lixcn@sina.com 李旭(1978-)，男，河北石家庄人，博士，研究员，2016年于北京交通大学获得博士学位，主要从事稀土发光材料方面的研究。E-mail: lixcn@sina.com http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=25656886&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=25656891&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=25656896&type= 李旭 (1978-)，男，河北石家庄人，博士，研究员，2016年于北京交通大学获得博士学位，主要从事稀土发光材料方面的研究。E-mail: lixcn@sina.com lixcn@sina.com 1 corresp fenghe_wang@hotmail.com fenghe_wang@hotmail.com 王凤和(1983-)，女，河北沧州人，博士，讲师，2017年于新加坡国立大学获得博士学位，主要从事稀土发光材料方面的研究。E-mail: fenghe_wang@hotmail.com http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=25656901&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=25656905&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=25656909&type= 王凤和 (1983-)，女，河北沧州人，博士，讲师，2017年于新加坡国立大学获得博士学位，主要从事稀土发光材料方面的研究。E-mail: fenghe_wang@hotmail.com fenghe_wang@hotmail.com 河北大学　物理科学与技术学院，河北　保定　071002 河北大学　物理科学与技术学院，河北　保定　071002 College of Physics Science & Technology, Hebei University, Baoding 071002, China College of Physics Science & Technology, Hebei University, Baoding 071002, China 利用Nd 3+ 与Yb 3+ 之间的能量传递，设计了808 nm激发下具有近红外光致发光的GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ @NaGdF 4 磁性纳米探针。通过合成参数调控，研究了反应时间和前驱物浓度对GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ 材料形貌的影响。GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ 在808 nm激发下在近红外(NIR)第一/第二窗口具有较宽的发射峰(970~1 070 nm)，共掺杂体系实现了Yb 3+ 和Nd 3+ 双发光中心发光，有效提高了近红外区间的发光性能，同时克服了用980 nm激发的荧光成像引起生物组织过热的缺点。表面包覆NaGdF 4 惰性壳可以进一步提高GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ 的近红外发光强度，研究了不同厚度NaGdF 4 惰性壳对GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ 发光增强的影响。由于Gd 3+ 具有的顺磁特性，GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ @NaGdF 4 显示出顺磁性能，磁化值为0.45 A·m 2 /kg，适合作为磁共振成像(MRI)T1探针。GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ @NaGdF 4 纳米颗粒在NIR荧光成像和MRI领域具有广阔的应用前景。 GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ magnetic nanocomposites with near-infrared photoluminescence under 808 nm excitation were designed based on the energy transfer between Nd 3+ and Yb 3+ . The influence of synthesis parameters on the morphology of GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ was discussed. The obtained GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ exhibits a wide emission band(970-1 070 nm) under 808 nm excitation. The co-doping system of Nd 3+ and Yb 3+ can realize the dual emission center of Yb 3+ and Nd 3+ as the emission center. It effectively improves the luminescence performance in the near-infrared region and overcomes the disadvantage of overheating biological tissues by fluorescence imaging under 980 nm excitation. An inert shell of NaGdF 4 was grown on GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ surface, which could improve the emission intensity dramatically. Meanwhile, the effect of NaGdF 4 inter shell with different thicknesses on the luminescence enhancement of GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ was studied. The final products GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ @NaGdF 4 are paramagnetic with magnetization 0.45 A·m 2 /kg. This indicates that GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ @NaGdF 4 has broad application prospects in both the fluorescence imaging field and magnetic resonance imaging(MRI) field. 近红外 能量传递 磁共振成像 near-infrared energy transfer magnetic resonance imaging 引言 1 荧光成像一般利用来自内源性或外源性荧光团的颜色编码发射光谱，通过光谱来获取器官和组织以及亚细胞结构的详细图像，以揭示生物学的内在特征 [ 1 1 - 3 3 1-3 ] 。该技术具有非侵入性和非电离性的优点。目前荧光成像被应用于许多领域，如临床前测试和临床诊断、精确成像引导下的肿瘤手术切除、以及疾病进展的分子水平监测 [ 4 4 - 8 8 4-8 ] 。但是，波长400~650 nm的荧光在生物体内成像深度小于1 mm，并且在该波长范围内，生物组织自身荧光的干扰作用使得信号空间分辨率和信噪比降低，所获得的活体图像质量严重降低 [ 9 9 - 10 10 9-10 ] 。研究表明，在650~1 450 nm波长范围内生物组织吸收达到最低水平，且在该范围内成像波长越长，组织成分的光散射和自体荧光就会越少。并且根据公式 h=λ α ( h 为穿透深度； λ 是波长； α 的值在0.2~4之间，取决于组织的组成成分)可知，荧光成像波长越长，有效的成像深度越大 [ 11 11 ] 。相较于传统的可见光和近红外第一窗口(NIR-Ⅰ,700~900 nm)荧光成像，第二近红外窗口(NIR-Ⅱ,1 000~1 700 nm)的荧光成像因其前所未有的组织穿透性和空间分辨率而受到了极大关注，此外，它还具有最小的光子吸收和散射以及可以忽略的组织自荧光效应 [ 12 12 - 14 14 12-14 ] 。所以开发近红外荧光纳米级探针具有十分重要的意义。 作为NIR-Ⅱ荧光成像的优秀候选材料，镧系元素掺杂的下转移纳米颗粒具有优异的光学性质，如尖锐的发射带、大的斯托克斯位移、无光漂白性以及较长的荧光寿命 [ 15 15 - 16 16 15-16 ] 。Yb 3+ 具有单一激发态( 2 F 5/2 )，它产生的发射中心在1 000 nm附近，通常具有数百微秒的发射寿命，比自发荧光寿命高出几个数量级 [ 17 17 ] 。因此，含有Yb 3+ 的纳米晶体在近红外时间门控光学成像领域具有很大吸引力。然而，Yb 3+ 需要使用980 nm的激光作为激发光源，生物物种过度暴露在980 nm的光下会导致组织过热问题，从而导致显著的细胞死亡和组织损伤。解决这一问题可以通过共掺杂Nd 3+ 将激发波长峰值从980 nm调控至800 nm附近。因为Nd 3+ 具有以800 nm为中心的锐利吸收带，而且生物组织中的水分子在800 nm处的吸收系数比在980 nm处的吸收系数要低10倍左右，可以有效避免激发光源引起的生物组织过热问题 [ 18 18 ] 。Nd 3+ 的 4 F 3/2 能级与Yb 3+ 的 2 F 5/2 能级接近，Nd 3+ 和Yb 3+ 共掺杂体系在808 nm激发下，Nd 3+ 既作为Yb 3+ 的敏化剂，同时又作为发光中心，实现了同时具备Nd 3+ 和Yb 3+ 两个发光中心的双发光中心近红外发光，既避免了980 nm激发的组织过热问题，同时又提高了近红外发光的性能。 Gd 3+ 具有7个未成对电子，可以有效地诱导水质子的纵向弛豫。含有Gd 3+ 的化合物一般具有顺磁性，可以作为磁共振成像(MRI)造影剂 [ 19 19 ] 。GdF 3 和NaGdF 4 材料具有光学惰性，是很好的稀土掺杂基质材料。因此，稀土掺杂使得Gd 3+ 的氟化物同时具备了荧光成像和MRI成像的双模成像性能。双模成像模型可以有效增加病灶诊断的准确性，为诊断和治疗提供有力依据。 本文采用GdF 3 为基质，利用Nd 3+ 和Yb 3+ 共掺杂体系，实现了808 nm激发下的双发光中心近红外发光。采用热分解方法合成GdF 3 纳米材料，并讨论了合成参数对产物形貌的影响，研究了离子掺杂浓度对纳米GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ 发光性能的影响。通过异质壳层NaGdF 4 的包覆形成具有核壳结构的GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ @NaGdF 4 ，研究了惰性层对纳米材料GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ 发光性能的影响，研究了GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ @NaGdF 4 材料的近红外发光性能和磁性能。 实验 1 实验药品 2 实验原料包括：稀土氧化物(Gd 2 O 3 、Nd 2 O 3 、Yb 2 O 3 )、三氟乙酸锂(CF 3 COOLi)、三氟乙酸(CF 3 COOH)、氯化钆(GdCl 3 ·6H 2 O)、十八烯(ODE)、油酸(OA)、氢氧化钠(NaOH)、氟化铵(NH 4 F)、环己烷、无水乙醇、甲醇、丙酮均为分析纯(AR)，阿拉丁化学试剂有限公司；高纯氩气(99.999%)，保定京联气体有限公司。 实验方法 2 GdF 3 和GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ 合成 3 以相应的镧系氧化物和三氟乙酸为原料，合成相应的稀土三氟乙酸化合物 RE (CF 3 COO) 3 ( RE =Gd,Nd,Yb) [ 20 20 - 21 21 20-21 ] 。所有纳米颗粒都在高沸点极性溶液中以热分解的方法合成 [ 22 22 ] 。分别将1 mmol的 RE -(CF 3 COO) 3 和1.5 mmol的CF 3 COOLi加入12 mL OA和12 mL ODE的混合物中，在室温下将其置于四颈烧瓶中，搅拌并通氩气持续30 min。在氩气保护氛围中将以上溶液加热到120 ℃，并搅拌去除水蒸气。以30 ℃/min的升温速率，将溶液快速加热至280 ℃，并在氩气气氛中保持特定的反应时间。溶液冷却至室温后，加入过量的丙酮沉淀纳米颗粒，用乙醇和环己烷洗涤三次，离心收集。最终产物分散在环己烷中。 GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ @NaGdF 4 合成 3 采用热注入法包裹惰性壳NaGdF 4 [ 23 23 ] 。将6 mL OA、15 mL ODE和一定量的GdCl 3 ·6H 2 O室温下置于四颈烧瓶中，搅拌并通氩气持续30 min。然后在氩气保护氛围中将溶液加热到120 ℃，保持30 min至溶液澄清透明，除去水蒸气后降温。缓慢滴入NaOH和NH 4 F的甲醇溶液，升温到70 ℃，搅拌30 min去除甲醇。再把GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ 纳米颗粒加入到上述溶液中，加热到80 ℃，搅拌半小时去除环己烷。通60 min氩气后将上述溶液加热到300 ℃保持 1 h，然后降温冷却。用乙醇和环己烷溶液对合成产物进行洗涤，最终产物分散于环己烷中。根据制备核与壳的反应物中Gd 3+ 的量比值，将合成的不同惰性壳厚度的GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ @NaGdF 4 材料分别标记为核壳比1∶0.5,1∶1和1∶2。通过双亲性聚合物PBMA-g-C 12 对GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ @NaGdF 4 进行表面改性 [ 24 24 ] ，制备的亲水性材料标记为GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ @NaGdF 4 @PBMA-g-C 12。 样品表征 2 样品衍射数据表征使用X射线衍射仪(XRD 6000 Shimadzu)，扫描速度为8(°)/min。样品的形貌由透射电子显微镜(TEM,JEOL 2100 plus)进行表征。光致发光的发射光谱采用Acton-2750光谱仪和液氮冷却普林斯顿PyLon 100BR-eXcelon阵列CCD探测器测定，激发光源为808 nm激光器。样品近红外照片中的“HBU”图案采用激光打标机(亚聚激光，YJ-001)在黑色PE板刻蚀得到。MRI弛豫时间和 T 1 加权成像照片通过核磁共振扫描仪(BioSpec 94/20 US)在9.4 T磁场下进行测试。所有测试均在室温下完成。 结果与讨论 1 合成参数对形貌的影响 2 实验过程中，材料合成参数会对合成产物的形貌产生明显的影响，在本实验中我们讨论了反应时间和前躯体浓度对GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ 纳米颗粒形貌的影响。材料合成时的反应时间是影响材料形貌的一个主要因素。一般来说，较长的反应时间往往会产生较大的纳米颗粒。为了研究反应时间对GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ 形貌的影响，我们固定前驱物中的药品浓度，调节反应时间长短。 图1 图1 为不同反应时间下合成的GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ 纳米颗粒的TEM形貌。从图中可以看出，当反应时间为15 min时，得到的纳米颗粒为细长棒状结构，粒径约为45 nm。随着反应时间逐渐增加至60 min，纳米颗粒的长度未发生明显变化，宽度逐渐增加，逐渐开始显示出六边形的形貌。继续增加反应时间，GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ 的粒子形状没有明显变化，尺寸开始明显增大，由45 nm增加至100 nm。当我们固定反应时间为60 min，调节前驱物的浓度也可以有效地调控纳米颗粒形貌。将 RE -(CF 3 COO) 3 和前驱体CF 3 COOLi的比例分别调节为1∶1.5和1∶0.5，前驱物浓度降低时，制备的GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ 纳米颗粒明显变小。如 图2(a) 图2(a) 所示，当前驱物浓度降低到1∶0.5时，合成的纳米颗粒尺寸为(6.6±1.2) nm。 由于GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ 颗粒的尺寸非常小，所以掺杂的稀土元素很多都位于纳米颗粒的表面。纳米颗粒表面存在大量的缺陷，容易引起发光猝灭现象。为了有效地避免这一现象发生，我们引入具有光学惰性的NaGdF 4 作为保护层生长在GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ 纳米颗粒上，形成核壳结构。 图2(b)~(d) 图2(b)~(d) 分别展示了核壳比为1∶0.5,1∶1和1∶2的不同惰性壳厚度的GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ @NaGdF 4 核壳纳米颗粒的形貌，NaGdF 4 包覆后能明显地观察到纳米颗粒尺寸增加，尺寸分别为(8.9±1.8),(10.2±1.1),(13.6±1.9) nm，壳层厚度分别为(2.3±0.6),(3.6±0.1),(7.0±0.7) nm。 GdF 3 ∶ Nd 3+ ,Yb 3+ @NaGdF 4 的X射线衍射(XRD)图谱和发光机理 2 本实验后续表征均选用(6.6±1.2) nm的GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ 纳米颗粒为研究对象。实验制备的GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ 纳米颗粒的衍射峰与标准六方相GdF 3 的衍射数据相比，基本吻合( 图3 图3 )。这表明合成的GdF 3 纳米颗粒为六方相，稀土元素的掺杂并未改变GdF 3 的晶体结构。包覆NaGdF 4 惰性壳后的纳米颗粒的XRD与NaGdF 4 六方相的标准卡片(JCPDS No.27-0699)吻合，证明NaGdF 4 壳层成功外延生长在GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ 纳米颗粒的表面。 图4 图4 为Nd 3+ 和Yb 3+ 的能级图。在808 nm激光激发下，Nd 3+ 捕获激发光的能量后，其处于 4 I 9/2 基态的电子被激发到 4 F 5/2 能级，而后处于 4 F 5/2 激发态的电子非辐射弛豫至 4 F 3/2 能级，最后处于 4 F 3/2 激发态的电子分别辐射跃迁至 4 I 11/2 和 4 I 13/2 能级而发射出1 064 nm 和1 340 nm的近红外二区荧光。Nd 3+ 的 4 F 3/2 能级的能量可通过 4 F 3/2 (Nd 3+ )+ 2 F 7/2 (Yb 3+ )→ 4 I 9/2 (Nd 3+ )+ 2 F 5/2 (Yb 3+ )的能量传递过程将其传递给Yb 3+ ，从而实现Yb 3+ 的 2 F 5/2 能级的980 nm发光( 2 F 7/2 → 2 F 5/2 ) [ 25 25 - 27 27 25-27 ] 。因此，本文选用Nd 3+ 和Yb 3+ 共掺杂体系实现了808 nm激发下的近红外发光。晶体材料中Yb 3+ 的掺入通常允许有数百微秒的发射寿命，比自发荧光寿命高出几个数量级 [ 17 17 ] ，所以用Nd 3+ 和 Yb 3+ 共掺的双发光中心纳米颗粒更适合做近红外生物成像探针。 近红外发射光谱 2 实验首先探究了掺杂不同浓度Nd 3+ 的纳米颗粒的近红外发光性能( 图5 图5 )。在808 nm激光激发下，单掺Nd 3+ 的GdF 3 发射光谱呈现出位于1 064 nm和1 340 nm的两个发射峰，这两个发射峰分别归因于Nd 3+ 的 4 F 3/2 → 4 I 11/2 和 4 F 3/2 → 4 I 13/2 电子跃迁 [ 28 28 - 29 29 28-29 ] 。Nd 3+ 掺杂浓度从1%提升到3%的过程中发射峰强度逐渐增强，当掺杂浓度超过3%时，发射峰强度减弱。这是由于浓度猝灭效应引起的， 4 F 3/2 + 4 I 9/2 →2 4 I 15/2 的交叉弛豫可以通过非辐射跃迁使 4 http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=25656975&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=25656984&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=25656979&type= 的能级布居数减少 [ 30 30 ] 。随着Nd 3+ 浓度的增加，由于Nd 3+ -Nd 3+ 距离变近，这种非辐射交叉弛豫过程会增强，导致近红外发光减弱 [ 31 31 ] 。 为了研究GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ 纳米颗粒的近红外光学性质，在808 nm激光的激发下，对制备的材料进行了室温下发射光谱测试，测试结果根据材料在808 nm的吸光度做归一化处理。如 图6 图6 所示，Nd 3+ 掺杂浓度固定为3%，改变Yb 3+ 掺杂浓度可以显著改变发射光谱。随着Yb 3+ 浓度从1%增加到5%,Yb 3+ 粒子的980 nm发射强度显著增加。这表明在GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ 体系中，存在明显的Nd 3+ 到Yb 3+ 能量传递现象。随着Yb 3+ 含量的进一步增加，Yb 3+ 的980 nm发射强度逐渐降低。实验结果表明，Yb 3+ 的掺杂浓度为5%时与Nd 3+ 之间具有较高的能量传递，高掺杂水平下发射强度的降低可能是由于浓度猝灭效应 [ 24 24 , 30 30 ] 。 小尺寸纳米颗粒常常由于其较大的比表面积存在较多的表面缺陷，从而引起明显的光猝灭现象，通常采用包覆惰性壳的方式来钝化这些缺陷，以减少因表面缺陷造成的能量损失。有报道表明，相比于同质核壳结构，异质核壳结构更有利于提高纳米材料的发光强度 [ 32 32 ] 。实验结果表明，包覆NaGdF 4 壳层的厚度对GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ @NaGdF 4 核/壳纳米晶体的发光强度有明显的影响( 图7 图7 )。在NaGdF 4 壳层的外延生长过程中，GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ 纳米晶的表面缺陷逐渐钝化，有利于改善因表面缺陷引起的光猝灭现象。 图7 图7 展示了具有不同厚度惰性壳的GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ @NaGdF 4 纳米颗粒发射光谱。通过改变制备阶段核与壳的前驱物比例来调控NaGdF 4 壳层厚度。我们以合成核和壳的前驱物中Gd 3+ 的量比值为准，分别合成了惰性壳厚度为(2.3±0.6),(3.6±0.1),(7.0±0.7) nm的GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ @NaGdF 4 样品。通过对比发现，生长惰性层后样品的发光强度有显著的提升。当惰性壳厚度为(3.6±0.1) nm时，样品的发光强度是未生长惰性层样品发光强度的2.43倍。继续生长惰性壳厚度，样品发射强度开始下降，是由于惰性壳厚度过厚导致激发光和发射光透过惰性层后强度发生衰减。 近红外成像和磁性性能 2 热分解法合成的GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ @NaGdF 4 纳米颗粒具有疏水性，为了适应生物领域的应用环境，我们选择双亲性聚合物PBMA-g-C 12 对其进行表面改性，成功地将GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ @NaGdF 4 纳米颗粒转入水相。如 图8(a) 图8(a) 所示，GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ @NaGdF 4 纳米颗粒被成功地包裹到聚合物PBMA-g-C 12 之中，形成大小约100 nm的纳米球，标记为GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ @ NaGdF 4 @PBMA-g-C 12 。MRI成像性能使用核磁共振扫描仪在9.4 T磁场下进行测试。以纯水为对照，我们测试了不同Gd 3+ 浓度的GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ @NaGdF 4 @PBMA-g-C 12 水溶液的 T 1 弛豫时间。并且通过 T 1 弛豫时间和Gd 3+ 的浓度计算得到GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ @NaGdF 4 @PBMA-g-C 12 的磁共振纵向弛豫率 r 1 为5.10 L·mmol -1 ·s -1 。 图8(c) 图8(c) 显示了GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ @NaGdF 4 @PBMA-g-C 12 的MRI的 T 1 加权图像。从图中可以看出，与纯水对比，GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ @NaGdF 4 @PBMA-g-C 12 溶液在较低的Gd 3+ 浓度下即可明显提高MRI成像对比度。 如 图8(e) 图8(e) ，在暗室中，通过扩束镜对808 nm激光扩束后激发材料，采用近红外相机拍摄得到近红外照片，上下两部分分别为空白“HBU”和填充样品后的“HBU”(可参照 图8(d) 图8(d) 自然光下拍摄的照片)，可以看到GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ @NaGdF 4 样品具有良好的近红外发光性能。 图8(f)、(g) 图8(f)、(g) 分别为GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ @NaGdF 4 @PBMA-g-C 12 水溶液在自然光下的照片和808 nm激光激发下的近红外成像照片。由图中可以看出，通过聚合物将纳米颗粒转移到水相后，纳米颗粒仍具备较好的近红外发光性能。 以上结果表明GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ @NaGdF 4 纳米材料同时具备NIR荧光成像性能和MRI成像性能，可以作为双模的荧光探针和MRI造影剂使用，有利于避免单模成像自身局限性。 结论 1 本文合成了Nd 3+ 和Yb 3+ 掺杂的GdF 3 纳米颗粒，并通过合成参数调控纳米材料的形貌。XRD数据表明该纳米材料为六方相，稀土离子的掺杂未使得晶相发生改变。在808 nm激发下，GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ 纳米材料显示出近红外发射，发射峰分别位于980,1 064,1 340 nm。在GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ 中存在明显的Nd 3+ 到Yb 3+ 的能量传递。其中Nd 3+ 的最佳掺杂浓度为3%,Yb 3+ 的最佳掺杂浓度为5%。高浓度掺杂会造成发光强度降低，主要是因为浓度猝灭效应。在GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ 表面外延生长NaGdF 4 惰性壳能够有效增强纳米颗粒的发光强度，当壳层厚度为(3.6±0.1) nm时，纳米颗粒的发光强度增强到原来的2.43倍。GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ @NaGdF 4 具有良好的顺磁性，适合作为MRI成像造影剂。本文通过Nd 3+ 对Yb 3+ 的能量传递，实现了808 nm激发下Nd 3+ 和Yb 3+ 的近红外发光，避免了传统980 nm激发对生物体产生的过热损伤。GdF 3 ∶Nd 3+ ,Yb 3+ @NaGdF 4 纳米材料显示了出色的近红外发光性能和顺磁性能，通过双亲性聚合物PBMA-g-C 12 将其转入水相，在生物荧光成像和MRI成像中具有良好的应用前景。 本文专家审稿意见及作者回复内容的下载地址：http://cjl.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJL.20210391. 参考文献： ZHANG H X , CHEN Z H , LIU X , et al . A mini-review on recent progress of new sensitizers for luminescence of lanthanide doped nanomaterials [J]. Nano Res. , 2020 , 13 ( 7 ): 1795 - 1809 . A mini-review on recent progress of new sensitizers for luminescence of lanthanide doped nanomaterials CHEN S , WEITEMIER A Z , ZENG X , et al . Near-infrared deep brain stimulation via upconversion nanoparticle-mediated optogenetics [J]. Science , 2018 , 359 ( 6376 ): 679 - 684 . Near-infrared deep brain stimulation via upconversion nanoparticle-mediated optogenetics PĄZIK R , ZACHANOWICZ E , PO ŻNIAK B , et al . Non-contact Mn 1- x Ni x Fe 2 O 4 ferrite nano-heaters for biological applications—heat energy generated by NIR irradiation [J]. RSC Adv. , 2017 , 7 ( 29 ): 18162 - 18171 . Non-contact Mn1-xNixFe2O4 ferrite nano-heaters for biological applications—heat energy generated by NIR irradiation LI C Y , WANG Q B . Advanced NIR-Ⅱ fluorescence imaging technology for in vivo precision tumor theranostics [J]. Adv. Therap. , 2019 , 2 ( 9 ): 1900053 . Advanced NIR-Ⅱ fluorescence imaging technology for in vivo precision tumor theranostics FAN Y , LIU L , ZHANG F . Exploiting lanthanide-doped upconversion nanoparticles with core/shell structures [J]. Nano Today , 2019 , 25 : 68 - 84 . Exploiting lanthanide-doped upconversion nanoparticles with core/shell structures PROFIO A E , BALCHUM O J , LAM S . Endoscopic fluorescence detection of early lung cancer [C]. Proceedings of SPIE 1426, Optical Methods for Tumor Treatment and Early Diagnosis : Mechanisms and Techniques , Los Angeles , 1991 : 1426 . Endoscopic fluorescence detection of early lung cancer HUANG J G , XIE C , ZHANG X D , et al . Renal-clearable molecular semiconductor for second near-infrared fluorescence imaging of kidney dysfunction [J]. Angew. Chem. Int. Ed. , 2019 , 58 ( 42 ): 15120 - 15127 . Renal-clearable molecular semiconductor for second near-infrared fluorescence imaging of kidney dysfunction HAO X X , LI C Y , ZHANG Y J , et al . Programmable chemotherapy and immunotherapy against breast cancer guided by multiplexed fluorescence imaging in the second near-infrared window [J]. Adv. Mater. , 2018 , 30 ( 51 ): 1804437-1-8 . Programmable chemotherapy and immunotherapy against breast cancer guided by multiplexed fluorescence imaging in the second near-infrared window DEL ROSAL B , VILLA I , JAQUE D , et al . In vivo autofluorescence in the biological windows:the role of pigmentation [J]. J. Biophotonics , 2016 , 9 ( 10 ): 1059 - 1067 . In vivo autofluorescence in the biological windows:the role of pigmentation WEN Q X , ZHANG Y J , LI C Y , et al . NIR-Ⅱ fluorescent self-assembled peptide nanochain for ultrasensitive detection of peritoneal metastasis [J]. Angew. Chem. Int. Ed. , 2019 , 58 ( 32 ): 11001 - 11006 . NIR-Ⅱ fluorescent self-assembled peptide nanochain for ultrasensitive detection of peritoneal metastasis BASHKATOV A N , GENINA E A , KOCHUBEY V I , et al . Optical properties of human skin,subcutaneous and mucous tissues in the wavelength range from 400 to 2 000 nm [J]. J. Phys. D: Appl. Phys. , 2005 , 38 ( 15 ): 2543 - 2555 . Optical properties of human skin,subcutaneous and mucous tissues in the wavelength range from 400 to 2 000 nm LI C Y , CHEN G C , ZHANG Y J , et al . Advanced fluorescence imaging technology in the near-infrared-Ⅱ window for biomedical applications [J]. J. Am. Chem. Soc. , 2020 , 142 ( 35 ): 14789 - 14804 . Advanced fluorescence imaging technology in the near-infrared-Ⅱ window for biomedical applications HU Z H , FANG C , LI B , et al . First-in-human liver-tumour surgery guided by multispectral fluorescence imaging in the visible and near-infrared-Ⅰ/Ⅱ windows [J]. Nat. Biomed. Eng. , 2020 , 4 ( 3 ): 259 - 271 . First-in-human liver-tumour surgery guided by multispectral fluorescence imaging in the visible and near-infrared-Ⅰ/Ⅱ windows HU Z H , CHEN W H , TIAN J , et al . NIRF nanoprobes for cancer molecular imaging:approaching clinic [J]. Trends. Mol. Med. , 2020 , 26 ( 5 ): 469 - 482 . NIRF nanoprobes for cancer molecular imaging:approaching clinic FAN Y , WANG P Y , LU Y Q , et al . Lifetime-engineered NIR-Ⅱ nanoparticles unlock multiplexed in vivo imaging [J]. Nat. Nanotechnol. , 2018 , 13 ( 10 ): 941 - 946 . Lifetime-engineered NIR-Ⅱ nanoparticles unlock multiplexed in vivo imaging DONG H , DU S R , ZHENG X Y , et al . Lanthanide nanoparticles:from design toward bioimaging and therapy [J]. Chem. Rev. , 2015 , 115 ( 19 ): 10725 - 10815 . Lanthanide nanoparticles:from design toward bioimaging and therapy BRENIER A . Excited-state dynamics including radiative diffusion in quasi-three-level laser crystals:application to Yb 3+ -doped Y 3 Al 5 O 12 [J]. J. Opt. Soc. Amer. B , 2006 , 23 ( 10 ): 2209 - 2216 . Excited-state dynamics including radiative diffusion in quasi-three-level laser crystals:application to Yb3+-doped Y3Al5O12 LI X L , JIANG M Y , LI Y B , et al . 808 nm laser-triggered NIR-Ⅱ emissive rare-earth nanoprobes for small tumor detection and blood vessel imaging [J]. Mater. Sci. Eng. C , 2019 , 100 : 260 - 268 . 808 nm laser-triggered NIR-Ⅱ emissive rare-earth nanoprobes for small tumor detection and blood vessel imaging WANG F H , BAE K , HUANG Z W , et al . Two-photon graphene quantum dot modified Gd 2 O 3 nanocomposites as a dual-mode MRI contrast agent and cell labelling agent [J]. Nanoscale , 2018 , 10 ( 12 ): 5642 - 5649 . Two-photon graphene quantum dot modified Gd2O3 nanocomposites as a dual-mode MRI contrast agent and cell labelling agent ROBERTS J E . Lanthanum and neodymium salts of trifluoroacetic acid [J]. J. Am. Chem. Soc. , 1961 , 83 ( 5 ): 1087 - 1088 . Lanthanum and neodymium salts of trifluoroacetic acid MAI H X , ZHANG Y W , SI R , et al . High-quality sodium rare-earth fluoride nanocrystals:controlled synthesis and optical properties [J]. J. Am. Chem. Soc. , 2006 , 128 ( 19 ): 6426 - 6436 . High-quality sodium rare-earth fluoride nanocrystals:controlled synthesis and optical properties CHATTERJEE D K , RUFAIHAH A J , ZHANG Y . Upconversion fluorescence imaging of cells and small animals using lanthanide doped nanocrystals [J]. Biomaterials , 2008 , 29 ( 7 ): 937 - 943 . Upconversion fluorescence imaging of cells and small animals using lanthanide doped nanocrystals LI X K , YOU F T , PENG H S , et al . Synthesis and near-infrared luminescent properties of NaGdF 4 ∶Nd 3+ @NaGdF 4 core/shell nanocrystals with different shell thickness [J]. J. Nanosci. Nanotechnol. , 2016 , 16 ( 4 ): 3940 - 3944 . Synthesis and near-infrared luminescent properties of NaGdF4∶Nd3+@NaGdF4 core/shell nanocrystals with different shell thickness WANG F H , PENG E , LIU F , et al . Fluorescence-tagged amphiphilic brush copolymer encapsulated Gd 2 O 3 core-shell nanostructures for enhanced T 1 contrast effect and fluorescent imaging [J]. Nanotechnology , 2016 , 27 ( 42 ): 425101-1-12 . Fluorescence-tagged amphiphilic brush copolymer encapsulated Gd2O3 core-shell nanostructures for enhanced T1 contrast effect and fluorescent imaging WANG Y F , LIU G Y , SUN L D , et al . Nd 3+ -sensitized upconversion nanophosphors:efficient in vivo bioimaging probes with minimized heating effect [J]. ACS Nano , 2013 , 7 ( 8 ): 7200 - 7206 . Nd3+-sensitized upconversion nanophosphors:efficient in vivo bioimaging probes with minimized heating effect TAN M L , DEL ROSAL B , ZHANG Y Q , et al . Rare-earth-doped fluoride nanoparticles with engineered long luminescence lifetime for time-gated in vivo optical imaging in the second biological window [J]. Nanoscale , 2018 , 10 ( 37 ): 17771 - 17780 . Rare-earth-doped fluoride nanoparticles with engineered long luminescence lifetime for time-gated in vivo optical imaging in the second biological window 林少伟 , 赵婧 , 法信蒙 , 等 . 808 nm激发的NaYF 4 ∶Yb/Tm/Ca@NaGdF 4 ∶Nd/Yb上转换纳米粒子的制备及其发光性质 [J]. 发光学报 , 2020 , 41 ( 11 ): 1358 - 1366 . 808 nm激发的NaYF4∶Yb/Tm/Ca@NaGdF4∶Nd/Yb上转换纳米粒子的制备及其发光性质 LIN S W , ZHAO J , FA X M , et al . Preparation and luminescent properties of NaYF 4 ∶Yb/Tm/Ca@NaGdF 4 ∶Nd/Yb up-conversion nanoparticles excited at 808 nm [J]. Chin. J. Lumin. , 2020 , 41 ( 11 ): 1358 - 1366 . (in Chinese) Preparation and luminescent properties of NaYF4∶Yb/Tm/Ca@NaGdF4∶Nd/Yb up-conversion nanoparticles excited at 808 nm DAI Y , YANG D P , YU D P , et al . Mussel-inspired polydopamine-coated lanthanide nanoparticles for NIR-Ⅱ/CT dual imaging and photothermal therapy [J]. ACS Appl. Mater. Interfaces , 2017 , 9 ( 32 ): 26674 - 26683 . Mussel-inspired polydopamine-coated lanthanide nanoparticles for NIR-Ⅱ/CT dual imaging and photothermal therapy SUN Z Q , HUANG H Y , ZHANG R , et al . Activatable rare earth near-infrared-Ⅱ fluorescence ratiometric nanoprobes [J]. Nano Lett. , 2021 , 21 ( 15 ): 6576 - 6583 . Activatable rare earth near-infrared-Ⅱ fluorescence ratiometric nanoprobes BEDNARKIEWICZ A , WAWRZYNCZYK D , NYK M , et al . Synthesis and spectral properties of colloidal Nd 3+ doped NaYF 4 nanocrystals [J]. Opt. Mater. , 2011 , 33 ( 10 ): 1481 - 1486 . Synthesis and spectral properties of colloidal Nd3+ doped NaYF4 nanocrystals CHEN G Y , OHULCHANSKYY T Y , LIU S , et al . Core/shell NaGdF 4 ∶Nd 3+ /NaGdF 4 nanocrystals with efficient near-infrared to near-infrared downconversion photoluminescence for bioimaging applications [J]. ACS Nano , 2012 , 6 ( 4 ): 2969 - 2977 . Core/shell NaGdF4∶Nd3+/NaGdF4 nanocrystals with efficient near-infrared to near-infrared downconversion photoluminescence for bioimaging applications HAN Q , SUN J C , WU H Y , et al . Enhanced up-conversion luminescence efficiency of heterogeneous hetero-phase α-NaLuF 4 ∶Yb/Er@β-NaYF 4 ∶Yb core-shell structure nanocrystals [J]. J. Alloys Compd. , 2020 , 848 : 156543 . Enhanced up-conversion luminescence efficiency of heterogeneous hetero-phase α-NaLuF4∶Yb/Er@β-NaYF4∶Yb core-shell structure nanocrystals 10.37188/CJL.20210391 O482.31 A 1000-7032(2022)03-0350-09 河北省自然科学基金（F2019201316）；国家自然科学基金（51802069）；中央引导地方项目（216Z104G）；河北大学人才引进项目（521000981236）；河北大学研究生创新项目（HUB2021ss066）资助 Supported by Natural Science Foundation of Hebei Province (F2019201316); National Natural Science Foundation of China (51802069); The Central Project Guide Local Science and Technology for Development (216Z104G); Advanced Talents Incubation Program of The Hebei University (521000981236); Post-graduate's Innovation Fund Project of Hebei University (HUB2021ss066) 2021-12-13 2021-12-29 2022-04-04 2022 发光学报 3 43