【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，上海科技大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院朱幸俊課題組在鑭系發(fā)光納米測(cè)溫材料方面取得重要進(jìn)展，大幅提高了納米溫度探針在近紅外二區(qū)b的測(cè)溫靈敏度，研究成果在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)功能材料》(Advanced Functional Materials)上在線發(fā)表。
近年來(lái)，基于稀土發(fā)光納米材料的遠(yuǎn)程溫度成像技術(shù)，憑借其優(yōu)異的光穩(wěn)定性、低侵入性以及可實(shí)現(xiàn)二維溫度分布測(cè)量的特性，是替代傳統(tǒng)生物測(cè)溫手段的有力方案。在活體光學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域被認(rèn)為是“最佳成像窗口”的近紅外二區(qū)b(NIR-IIb)波段的光信號(hào)，具有實(shí)現(xiàn)深層組織高分辨率成像的卓越性能。然而，當(dāng)前工作于NIR-IIb波段的稀土發(fā)光納米溫度探針在生理溫度范圍內(nèi)的靈敏度仍然有限，制約了其在活體高分辨溫度成像中的應(yīng)用。
針對(duì)這一挑戰(zhàn)，朱幸俊課題組首次從調(diào)控納米粒子微環(huán)境的視角出發(fā)，提出鉺離子亞晶格介導(dǎo)的能量回收(sublattice-mediated energy recycling，SMER)策略，用于增強(qiáng)發(fā)光波長(zhǎng)位于NIR-IIb區(qū)的鑭系發(fā)光納米溫度探針的測(cè)溫靈敏度。
團(tuán)隊(duì)通過(guò)晶格內(nèi)環(huán)境調(diào)控，引入瞬態(tài)能量捕獲中心銩離子，利用鉺和銩離子之間的交叉弛豫作用，賦予NIR-IIb區(qū)發(fā)光溫度響應(yīng)能力；通過(guò)介質(zhì)外環(huán)境調(diào)控，引入水分子介導(dǎo)的環(huán)境淬滅輔助的下轉(zhuǎn)移過(guò)程(environment quenching assisted downshifting，EQAD)，進(jìn)一步提高溫度響應(yīng)能力。有趣的是，晶格內(nèi)環(huán)境調(diào)控和介質(zhì)外環(huán)境調(diào)控相結(jié)合，進(jìn)一步放大了NIR-IIb區(qū)發(fā)光溫度響應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)了“1+1>2”的效果，這是因?yàn)樗肿咏閷?dǎo)的EQAD過(guò)程可以抑制鉺離子之間的能量遷移，從而促進(jìn)鉺離子和銩離子之間的能量傳遞。在生理溫度范圍內(nèi)該探針展現(xiàn)出3 % °C-1的溫度靈敏度，相較于傳統(tǒng)鉺摻雜溫度探針提升了約3倍，也是目前NIR-IIb區(qū)工作的鑭系發(fā)光納米溫度探針的最高值。
圖1. NIR-IIb區(qū)稀土發(fā)光信號(hào)的溫度響應(yīng)機(jī)理的示意圖
圖2. NIR-IIb區(qū)發(fā)光信號(hào)的溫度響應(yīng)性能與調(diào)控過(guò)程。
本項(xiàng)研究不僅揭示了一種稀土發(fā)光溫度響應(yīng)行為的調(diào)控機(jī)制，也為發(fā)展工作于NIR-IIb波段、適用于生物體深層成像的高性能溫度探針提供了全新設(shè)計(jì)思路和技術(shù)路徑，有望推動(dòng)活體溫度成像技術(shù)在醫(yī)學(xué)診斷和精準(zhǔn)治療中的應(yīng)用進(jìn)程。
本項(xiàng)工作中，上海科技大學(xué)物質(zhì)學(xué)院2025級(jí)博士研究生王浩為第一作者，上海科技大學(xué)物質(zhì)學(xué)院朱幸俊教授為本文的通訊作者，上海科技大學(xué)為第一完成單位。
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