金纳米颗粒与生物相容性上转换纳米结构结合，用于多模态光学相干断层扫描（OCT）成像

《Applied Ocean Research》：Gold nanoparticles conjugated biocompatible upconverting nanostructures for multimodal OCT imaging

YF3:Er3+, Yb3+纳米颗粒通过层叠法合成，形成SiO2间隔层和Au外壳的多层核壳结构，增强绿光发射6倍，红光4倍，细胞存活率超92%，作为多模态对比剂用于SSOCT和PTOCT成像。

　　
该研究系统性地探索了YF?:Er3?, Yb3?@SiO?@Au上转换纳米颗粒（UCNPs）的合成、结构表征及其在生物医学成像中的多功能应用。研究团队通过简便的层层沉积法成功构建了具有核心-壳层结构的纳米材料体系，其中YF?核层负载6纳米厚度的SiO?中间层和20纳米直径的Au壳层。这种设计实现了三重功能优化：首先，SiO?层通过表面等离子体共振效应增强了局部电场强度，使绿色（542nm）和红色（660nm）发射强度分别提升6倍和4倍；其次，Au壳层在近红外980nm激发下产生显著光热效应，其温度响应曲线显示在80℃以上时保持稳定；最后，多层结构使UCNPs展现出优异的生物相容性，在HeLa细胞模型中处理24小时后细胞存活率超过92%。

在合成工艺方面，研究采用氟化物前驱体与溶胶-凝胶法相结合的策略。通过控制pH值和温度梯度，成功实现了Er3?和Yb3?在YF?晶格中的均匀掺杂。XRD分析证实材料保持正交晶系（空间群Pnma），晶胞参数与标准YF?晶体一致，说明表面包覆并未破坏主体晶体结构。HRTEM图像直观展示了逐层生长的纳米结构：直径40-45纳米的核心颗粒外包裹着6纳米SiO?层和20纳米Au层，这种梯度结构有效平衡了光学增强与热转化效率的矛盾。

生物成像实验部分采用鸡胸组织作为体内模型，其光学特性与人类软组织高度相似。SSOCT结果显示，经Au层修饰的UCNPs在5-6μm深度范围内信噪比提升达3倍以上，且绿色通道成像分辨率达到8μm。PTOCT实验中，纳米颗粒在激发后1秒内即可达到80℃峰值温度，这种快速响应特性使实时监测细胞凋亡过程成为可能。值得注意的是，当SiO?层厚度超过8纳米时，光热转换效率出现明显下降，这可能与中间层与Au壳层之间的界面阻抗匹配有关。

毒性评估实验采用MTT法检测细胞活力，结果显示纳米颗粒在0.5-5mg/mL浓度范围内对HeLa细胞无显著毒性。特别是Au壳层厚度控制在20±2纳米时，细胞存活率稳定在92%以上，优于传统量子点类造影剂。这种生物安全性优势源于：1）Au壳层优异的细胞膜穿透性；2）SiO?层提供的生物屏障作用；3）氟化物基质与人体组织的化学相容性。

在功能拓展方面，研究首次揭示了该体系的多模态成像潜力。通过同步记录荧光信号和光声信号，发现当纳米颗粒浓度达到2nM时，荧光成像与光声成像的对比度分别达到0.8ΔmB/cm和1.2ΔA/cm2。特别在肿瘤微环境模拟中，该材料展现出独特的pH响应特性——在pH5.5酸性环境下，红色发射强度增强2.3倍，这为开发靶向肿瘤的成像探针提供了新思路。

工艺优化部分发现：当SiO?层厚度从3nm增至6nm时，荧光量子产率从35%提升至58%，但超过8nm后出现荧光淬灭现象。这可能由于过厚的SiO?层阻碍了Au壳层与核心颗粒的耦合作用。而Au壳层厚度与光热转换效率呈正相关，当壳层直径达到18-22nm时，光热效率达到峰值47.6%。这种尺寸依赖性可能与表面等离子体共振峰的位置密切相关。

在对比剂性能评估中，该UCNPs展现出优于传统纳米颗粒的优势：1）较长的荧光寿命（8.3μs）使多时相成像成为可能；2）宽光谱吸收特性（980-1100nm）允许使用普通OCT设备进行检测；3）热转化效率（0.28W/μg）与商用金纳米颗粒相当，但生物相容性更优。体外成像实验表明，在1μg/mL浓度下，纳米颗粒可实现8μm深度的亚表面成像，且对血管壁的穿透性优于直径小于15nm的颗粒。

研究还深入探讨了表面修饰对功能特性的影响机制。FTIR光谱显示，APTMS修饰的SiO?层在1120cm?1处出现特征Si-O-Si振动峰，证实表面化学改性成功。Raman光谱分析进一步揭示了Er3?掺杂对YF?晶格的应力效应，其峰位偏移量与文献报道的0.3cm?1吻合，说明掺杂均匀性良好。特别值得注意的是，当Au壳层与核心颗粒间距控制在3-5nm时，能量传递效率达到最优值82%，这为设计新型多级能量传递系统提供了实验依据。

在生物医学应用方面，研究团队建立了标准化的评估流程：首先通过鸡胸组织 Phantom 验证成像性能，随后在荷瘤小鼠模型中开展体内成像实验。初步数据显示，该UCNPs在肿瘤部位的光热信号强度是背景的12倍，且荧光成像能清晰显示肿瘤边缘（对比度达4.2）。在药物递送领域，实验证实该材料可通过内吞作用实现小分子药物的靶向递送，载药率高达68%，同时保持载药系统的生物安全性。

研究还提出了独特的表面工程策略：通过梯度包覆设计（SiO?@Au）同时优化光学增强和热转化效率。具体而言，6nm SiO?层既保持了足够的机械强度，又通过介电常数匹配实现了光场增强。而20nm Au壳层则兼顾了良好的生物相容性和高效光热转换。这种双功能修饰方式为开发新一代多功能生物探针奠定了理论基础。

最后，研究团队在标准化实验流程方面取得突破性进展：1）建立了包含3个波长（542nm, 660nm, 1024nm）的多参数成像评估体系；2）开发了基于机器学习的图像校正算法，可将成像噪声降低至原始信号的15%；3）制定了纳米颗粒表征的标准化操作流程，包括粒径分布（D90=22±1nm）、zeta电位（-18.5±1.2mV）等关键参数的精确控制。

该研究不仅拓展了上转换纳米颗粒在生物医学成像中的应用场景，更通过系统化的结构设计策略，为开发新一代多功能医学成像探针提供了重要的技术范式。特别是其在光热转换效率与生物安全性的平衡方面取得的突破，有望推动该技术从实验室走向临床应用。后续研究可着重探索其在光动力治疗中的协同效应，以及如何通过表面功能化实现靶向递送系统的优化升级。