稀土科技新突破：近红外发光探针照亮生物体内部
【编者按】在上海市科学技术委员会资助（项目编号：22DZ2304300）下，澎湃新闻联合《世界科学》对获得国家及上海市科技奖励的获奖成果进行科普化报道。
本文围绕2022年度上海市自然科学奖一等奖项目 “稀土近红外发光探针可控合成、性能调控及生物应用基础研究” 展开，该项目由复旦大学化学系教授张凡领衔完成。
漫长的发现之旅
稀土的发现始于北欧，1787年在瑞典斯德哥尔摩附近一个名叫伊特比（Yteerby）的村庄，业余矿物学家阿累尼乌斯（C.A.Arrhenius）寻得了一块他从未见到过的黑色矿石，就借用这个村名将其命名为伊特比矿（Yteerite）。就此拉开了稀土元素的序幕。紧接着，1794年芬兰化学家加多林（J.Gadolin）从这种矿物中发现了一种新元素“钇土”，将其命名为Yteelium（钇）。局限于当时的分离技术，“钇土”其实是混合稀土氧化物。由于稀土元素之间性质太相近，这些元素被当成了一种元素。随着工业提纯和冶炼技术的发展，科学家们陆续从这种“钇土”中相继发现了镱、铒、铽等稀土元素。同样在发现“钇土”9年后的1803年，瑞典化学家伯采利乌（J. J. Berzelius）和他的老师黑新格尔（W. Hisingerr）发现了“铈土”。其后又从其中分离出镧、镨、钕等稀土元素。就这样，直到1947年，美国人马林斯克（J. A. Marinsky）和他的同事们在原子反应堆铀废料中分离出最后一个稀土元素钷，共经历了153年，才算完成了17个稀土元素的全部发展史。随着稀土元素的发现，稀土分离纯化技术也在不断进步，稀土元素才开始在各个领域中崭露头角。
发光
稀土元素的神奇首先表现在其特殊的发光特性上，尤其是其光致发光特性，早在19世纪末至20世纪初，波兰化学家波古斯瓦夫·凯尔楚夫斯基（Bogusław Kęczyński）和法国化学家乔治·乌尔班（Georges Urbain）观察到稀土元素的发光现象。他们发现，某些稀土元素在受到紫外光或高能电子轰击时会发出特定颜色的光。20世纪中期，稀土发光材料在照明和显示技术中的应用逐渐成为研究热点，被广泛应用于电视、电脑显示器和节能灯等领域。
稀土元素的发光特性主要来源于其未充满的4f电子轨道内的电子跃迁，产生发光现象是由于稀土离子呈现出不同的电子跃迁形式和极其丰富的能级跃迁。而可以跃迁的通道通常存在于可见光和红外光区内。因此，稀土离子可以吸收或发射从紫外到红外区的多种波长的光而形成多种多样的发光材料。此外，稀土元素的发光寿命通常具有微秒至毫秒量级的发光寿命，这使得它们能够与短寿命的背景荧光区分开来，适用于需要持久发光的应用中，例如光存储材料和持久荧光标记。稀土元素的特异光学特性为新型光学材料和器件的开发提供了丰富的资源。进入21世纪，稀土发光材料被广泛应用于新型显示技术（如LED和OLED），稀土掺杂的纳米颗粒由于其独特的光学性能，被广泛用于生物成像和传感技术中。
探针
20世纪末，科学家们开始探索稀土掺杂纳米材料，大多数稀土离子掺杂的纳米探针具有较窄的吸收和发射光谱，起初大家关注的是它们从较长的红外到较短波长的上转换发光特性。然而，短波长的可见光（400～700 nm）在穿过生物组织时容易被吸收和散射，因此仅能满足体外诊断和细胞层面的生物成像。与可见光或紫外光相比，近红外光（NIR，700～1700 nm）可以更深入地穿透生物组织，使其非常适合深层次的体内成像。因此，稀土的下转换发光的近红外区窗口，作为生物组织相对“透明”的光学窗口，由于生物组织较弱的吸收和散射以及更低的自体荧光，尤其是1000nm-1700 nm的近红外二区荧光，具有更深的组织穿透能力和更高的成像信噪比。其中Pr3＋、Nd3＋、Ho3＋、Er3＋、Tm3＋因其发射波长位于1000nm-1700 nm的光谱范围内，是稀土掺杂纳米粒子下转移发光探针中常用的发光中心。伴随着稀土掺杂纳米颗粒低毒性、高化学稳定性、窄带发射以及长荧光寿命等优点，已经被越来越多地应用于生物成像、光学传感、疾病治疗等领域。
然而，由于稀土离子的吸收截面较小，且f-f轨道间跃迁存在被禁止的事实，一般稀土掺杂纳米粒子下转换发光效率较低，发展高灵敏度的荧光体系一直是稀土掺杂纳米粒子研究的重要内容。也是将稀土掺杂纳米探针应用在临床上的关键。随着纳米技术的发展，稀土近红外探针的合成工艺和性能得到了进一步提升，常用的稀土发光调制策略，包括染料敏化、元素掺杂、核壳结构设计、表面改性等。
复旦大学张凡团队一直致力于近红外荧光分子探针的开发，长期从事稀土发光纳米材料的设计合成及应用研究工作。张凡2008年毕业于复旦大学化学系赵东元院士团队。起初，张凡跟着赵老师做无机多孔材料领域的研究，在学习研究过程中，张凡在文献阅读中慢慢发现了自己更感兴趣的发光材料领域。在赵老师的支持下，张凡在博士期间就踏上发光材料的研究道路，并取得了优秀的研究成果，博士期间工作分别获得复旦大学优秀博士论文和上海市优秀博士论文称号。2008年博士毕业后张凡赴美加入加州大学圣巴巴拉分校美国两院院士Galen Stucky教授课题组，开展博士后研究，继续从事稀土相关研究工作。自从2010年美国博士后研究回国后，张凡教授一直专注于近红外二区成像领域，包括稀土纳米探针、有机小分子探针、化学发光探针等，张凡教授将自己的研究概括为“活体深组织红外光学成像窗口”的探索。
在对稀土发光纳米材料的不断深入研究中，张凡团队发现活体动物原位生物学机制探索对于疾病的诊断和治疗尤为重要，但由于光传播过程中生物体内组织（如皮肤、脂肪、骨骼等）的散射和吸收作用，使得近红外活体荧光成像的光学穿透深度和成像分辨率一直都不理想，稀土发光荧光探针的潜力还未得到完全开发。
为了提高稀土的发光强度，张凡团队在探索中尝试通过核壳结构的方式来增大稀土离子的吸收截面的方法，他们提出了一种单原子层连续生长方法来构筑稀土纳米粒子的核壳结构，通过壳层的层级构建，来提升近红外探针的发光效率和稳定性。他们还尝试了通过对核壳结构在亚纳米尺度上的精准调控，来解释稀土发光离子掺杂的纳米壳层能量迁移调控机理，并因此构建了一系列不同发射波长的近红外第二窗口荧光探针，为活体生物成像提供了重要工具。
此外，为了进一步克服生物体内组织对光的散射和吸收作用的影响，张凡团队试图通过稀土离子的长荧光寿命特点，提出了基于时间维度的生物成像检测方法，利用稀土纳米离子在近红外第二窗口的荧光寿命检测技术，实现了组织穿透深度达3cm~5 cm的活体原位多重成像，显著提高了活体成像分析中的检测灵敏度和组织穿透深度，解决了近红外荧光探针在活体深组织多重定量检测的难题。
十多年来，张凡团队一直致力于近红外发光探针制备，通过提高荧光发射和调控荧光寿命，结合纳米材料的表面功能化，赋予了稀土纳米粒子多种物化性质。同时在近红外生物成像仪器搭建以及活体荧光寿命成像技术方面取得了重要突破，为生物医学分析研究作出重大贡献。
如张凡教授所说，稀土近红外发光探针就像打开一扇观察生物体内部的窗口，通过稀土纳米材料进行特异性标记后，即可自动定位到某个器官或某处组织，对特定生物组织进行精准检测，可以获取如肠道的蠕动、肿瘤细胞的游走、血管的分布等生物体动态信息。其即时性、高分辨率、无创等优势，为精准手术导航技术领域提供了较好的应用前景，有望成为一种新型的无创肿瘤病理诊断方法。稀土纳米材料与其他治疗手段（如光热疗法，光动力疗法，靶向药物递送）结合，可能会为癌症等重大疾病提供全新的治疗策略。