掺杂Yb3+/Er3+的Gd2O3在近红外-IIb区域增强了下转换过程，并研究了这种纳米荧光体在MRI/NIR-II成像中的动态特性

《ACS Applied Materials & Interfaces》：Gd2O3 Doped with Yb3+/Er3+ for Boosted Downshifting Pathway in NIR-IIb Region and Exploring the Dynamics of MRI/NIR-II Imaging in the Nanophosphor

镝氧化物纳米颗粒掺杂Yb3+/Er3+通过能量转移机制在近红外II区（1500–1700 nm）实现高量子效率（22.8%）和显著组织穿透性（达9 mm），结合Gd3+的磁性特性，可同时作为荧光成像和MRI对比剂。APTES涂层增强生物相容性并改善分散性，细胞毒性低，在体内成功显影肝脏、肠道等器官。研究揭示了Yb3+到Er3+的非辐射能量转移机制，为多模态生物成像提供了新策略。

　　近年来，纳米材料在生物医学领域的应用引起了广泛关注，尤其是在疾病诊断与治疗方面。纳米探针因其独特的物理化学性质和优异的成像性能，成为研究的重点。特别是在近红外二区（NIR-II）荧光成像方面，其低散射和低自发荧光的特性使得其在生物组织中的成像更加清晰。此外，NIR-IIb窗口（1500–1700 nm）由于其良好的穿透深度和较低的背景噪声，被广泛认为是生物成像的理想波段。在这一背景下，基于稀土离子的纳米材料因其丰富的能级结构，展现出多种发光特性，从而成为高效的纳米探针。本文聚焦于氧化钆（Gd?O?）作为宿主材料，因其易于合成和低毒性而备受关注。通过掺杂Yb3?和Er3?离子，研究团队实现了Gd?O?系统在NIR-IIx和NIR-IIb窗口中高达22.8%的量子效率，为生物成像提供了新的可能性。

本研究的重点在于探索Yb3?到Er3?的能级转移过程，并通过深入的光学研究，显著提升了Gd?O?:Yb3?,Er3?系统的内部量子效率（IQE）超过40%。同时，通过不同的实验条件和测试方法，进一步验证了其在NIR-IIx和NIR-IIb区域的发光特性。此外，通过（3-氨基丙基）三乙氧基硅烷（APTES）的包覆，显著改善了纳米颗粒在水中的分散性，使其能够更有效地应用于生物成像。APTES的包覆不仅提升了纳米颗粒的稳定性，还增强了其在生物体内注入后的成像能力。

在材料表征方面，采用柠檬酸溶胶-凝胶法合成Gd?O?:Yb3?,Er3?纳米颗粒，并在800 °C下进行高温烧结。X射线衍射（XRD）分析结果显示，所合成的GOYE系统具有纯相结构，没有额外的杂质峰，表明其具有良好的晶体结构。XRD图谱进一步验证了不同Yb3?和Er3?浓度下的晶格参数，为后续研究提供了基础。高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）分析显示，GOYE纳米颗粒的平均粒径约为28.72 ± 2.98 nm，具有均匀的圆柱形结构，表明其良好的形貌特征。APTES包覆后的GOYE@APTES纳米颗粒在HRTEM图像中显示了均匀的包覆层，厚度约为3–5 nm，进一步提升了其在生物成像中的应用潜力。

通过X射线光电子能谱（XPS）分析，验证了材料的化学组成和键合结构。结果表明，Yb3?和Er3?离子在材料中存在，并且形成了稳定的Gd–O键合结构。同时，APTES包覆的GOYE纳米颗粒通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析，显示出新的低强度吸收峰，表明其表面被成功修饰。此外，XPS结果进一步支持了Yb3?和Er3?离子的掺杂效果，以及其在材料中的分布情况。

在光学性能分析中，研究团队通过不同波长的激发和发射光谱，评估了GOYE纳米颗粒的发光特性。结果表明，当使用980 nm激光激发时，Yb3?离子主要吸收光子，然后通过非辐射跃迁将能量传递给Er3?离子，最终产生1540 nm的发射。相比之下，使用808 nm激光激发时，Er3?离子直接被激发，并通过一系列能量转移或激发态吸收过程产生可见光或近红外发射。这一过程的效率受Er3?离子在808 nm波段吸收截面的影响，因此Yb3?作为敏化剂在980 nm激发下表现出更高的发光效率。通过比较不同掺杂浓度的纳米颗粒的激发和发射光谱，研究团队发现，Yb3?和Er3?的最佳掺杂比例为2.5%和0.01%，使得纳米颗粒在NIR-IIb区域表现出最高的发光强度。

为了进一步验证Yb3?和Er3?之间的能量转移效率，研究团队采用了Inokuti–Hirayama模型（I–H模型）。通过分析Yb3?的衰减曲线，研究团队发现，随着Er3?浓度的增加，Yb3?的衰减时间逐渐缩短，表明能量转移效率提高。此外，通过电子自旋共振（EPR）分析，研究团队进一步评估了纳米颗粒的磁性特征，发现GOYE和GOYE@APTES样品在不同浓度下的EPR信号强度变化，表明其在磁共振成像（MRI）中的应用潜力。同时，通过比较不同激发波长（808 nm和980 nm）下的NIR-II信号强度，研究团队发现，808 nm激发下的信号强度衰减更缓慢，表明其具有更好的穿透深度。

在生物相容性方面，研究团队通过体外实验评估了GOYE和GOYE@APTES样品对正常肝细胞和癌细胞的影响。结果显示，GOYE@APTES样品的细胞存活率显著高于GOYE样品，表明其具有更好的生物相容性。此外，通过溶血实验，研究团队发现，GOYE@APTES样品在不同浓度下的溶血率显著低于GOYE样品，表明其对红细胞的损伤较小。同时，通过组织切片和H & E染色分析，研究团队发现，GOYE@APTES样品在小鼠器官中没有引起明显的组织学变化，进一步验证了其低毒性和良好的生物相容性。

在MRI成像方面，研究团队通过T1和T2映射实验评估了GOYE和GOYE@APTES样品的磁性特性。结果显示，GOYE样品的T1和T2弛豫率分别为0.0009和0.3262 mM?1 s?1，而GOYE@APTES样品的T1和T2弛豫率分别为0.0048和0.8558 mM?1 s?1。这一结果表明，GOYE@APTES样品在MRI成像中表现出更高的T2对比度，可能成为T2对比剂。同时，通过体内实验，研究团队发现，GOYE@APTES样品在808 nm和980 nm激光激发下均能清晰地显示小鼠器官，但980 nm激发下的信号强度更高，表明其具有更好的成像效果。此外，通过比较不同激发波长下的信号强度和穿透深度，研究团队发现，808 nm激发下的穿透深度更优，可能更适合深层组织的成像。

综上所述，本文的研究结果表明，通过合理设计和优化，Gd?O?:Yb3?,Er3?纳米颗粒在生物成像和MRI领域展现出显著的优势。其高效的能量转移机制、良好的光学性能和生物相容性，使其成为一种有前景的纳米探针。同时，APTES包覆显著提升了纳米颗粒的分散性和稳定性，使其在生物体内具有更好的应用潜力。未来，这种多功能纳米探针有望在疾病早期诊断和治疗中发挥重要作用，为临床应用提供新的可能性。