水稳定近红外下转换纳米颗粒(WINPs)实现低功率高灵敏度生物传感

针对传统上转换纳米颗粒(UCNPs)在含水环境中信号淬灭和热效应问题，研究人员开发出水不敏感下转换纳米颗粒(WINPs)，其具有22.1%量子产率且可在5W cm-2低功率下稳定工作。该技术成功应用于禽流感病毒(AIV)侧流层析检测，在65例临床样本中实现100%灵敏度和特异性，为复杂生物基质检测提供新方案。

　　

在生物医学检测领域，光学探针的水环境稳定性一直是制约检测灵敏度的关键瓶颈。传统上转换纳米颗粒(UCNPs)虽然能实现近红外(NIR)激发，但其依赖的980 nm激发光恰与水分子的强吸收峰重叠，不仅导致信号严重淬灭，还会产生破坏生物样本的局部热效应。这种"水敏感"特性使得UCNPs在检测禽流感病毒(AIV)等实际样本时，常因样本基质复杂、背景干扰强而表现不佳。如何开发兼具水稳定性和高灵敏度的新型光学探针，成为当前生物传感领域亟待解决的难题。

针对这一挑战，Jiang Ming等研究者在《Light-Science & Applications》发表的研究工作中，创新性地设计出水不敏感下转换纳米颗粒(Water-Insensitive Down-shifting Nanoparticles, WINPs)。该团队采用核壳结构的NaYF₄:5% Nd@NaYF₄纳米颗粒，通过NIR-I-to-NIR-I下转换过程，实现800 nm激发光到865 nm发射光的高效转换。与UCNPs相比，WINPs在含水环境中展现出革命性的性能优势：单粒子水平测试显示其光致发光寿命在水环境和干燥条件下几乎无差异；仅需5W cm^-2的低功率密度即可达到检测限，比UCNPs所需功率降低15倍；量子产率高达22.1±0.9%，且800 nm激发几乎不产生热效应。

研究采用的关键技术包括：1) 核壳结构纳米颗粒的精准合成与表征；2) 单粒子水平的光物理性质测试；3) 低功率侧流层析检测平台构建；4) 65例临床禽类拭子样本的验证测试。这些方法系统验证了WINPs在实际应用场景中的稳定性优势。

【材料设计与性能表征】

研究人员通过对比实验证实，传统UCNPs在980 nm激发下因水分子吸收导致信号强度降低约90%，而WINPs在800 nm激发下信号稳定性提高近10倍。热成像分析显示，相同功率密度下980 nm激发使水温升高12°C，而800 nm激发仅导致0.5°C温升，这种差异源于水分子在800 nm波段的吸收系数比980 nm低两个数量级。

【生物传感应用验证】

将WINPs整合入侧流层析检测(LFA)平台后，在100mW cm^-2的低功率照射下即可实现AIV核衣壳蛋白的高灵敏度检测。临床样本测试显示，WINP-LFA的检测限比传统UCNP-LFA降低10倍，且完全避免了热效应导致的抗体变性问题。这种性能提升在禽类拭子等不透明样本中尤为显著，有效克服了可见光信号易受基质干扰的缺陷。

该研究的突破性意义在于：首次实现了含水环境中稳定工作的近红外光学探针，解决了传统探针"怕水"的核心难题；建立的低功率检测范式为开发便携式诊断设备奠定基础；展示的核壳结构设计策略为后续开发NIR-II区(1000-1700 nm)探针提供重要参考。虽然当前WINPs的组织穿透深度仍受NIR-I波段限制，但其展现的水稳定特性和低功率工作模式，为发展更深组织成像的非侵入式检测技术指明了方向。这项研究不仅推动了光学探针的基础理论发展，更为重大传染病现场筛查提供了切实可用的技术方案。