综述：2025 年稀土发光纳米晶体在生物成像和生物传感应用中的进展综述

《Journal of Rare Earths》：Review on progress of rare earth luminescent nanocrystals for bioimaging and biosensing applications in 2025

　　

摘要

稀土纳米材料凭借其独特的光学和磁学性质以及丰富的同位素组成，已成为精确疾病诊断和治疗的重要工具，代表了支撑生物医学前沿研究的关键探针之一。本综述总结了 2025 年稀土发光纳米晶体在生物成像和生物传感应用方面的最新进展。讨论了亚细胞显微成像、体内高分辨率成像、多重检测以及成像引导的协同治疗等前沿方向，以及跨各种成像模式的稀土纳米材料设计原理。最后对该方向进行了展望。

引言

现代医学成像技术正朝着更高分辨率、更高通量、多模态以及诊疗一体化方向发展，主要目标是不断提高成像性能，以实现疾病发生和进展的精确可视化。这一趋势对成像探针提出了严格且多样化的要求，需要具备深层组织穿透能力、同时多靶标检测能力、多模态成像能力、成像与治疗一体化以及优异的生物安全性。稀土离子独特的 4f 电子构型赋予其丰富的光学和磁学性质，为满足医学成像的多样化需求奠定了基础。在发光方面，稀土离子可在近红外激发下实现上转换和第二近红外（NIR）-II 发射，有效减少组织散射和吸收，从而增强成像深度和分辨率。^[1]其丰富的窄带跃迁和可调发射寿命实现了光谱和寿命多重成像与检测。在磁学方面，Gd³⁺和 Dy³⁺等稀土离子拥有大量未成对电子，表现出优异的顺磁性和大磁矩，使其成为磁共振成像（MRI）的有效造影剂成分。^[2]此外，稀土元素具有丰富的同位素组成，为放射性核素成像提供了优势，如正电子发射断层扫描（PET）和单光子发射计算机断层扫描（SPECT）。^[3]在纳米尺度上，小尺寸和表面/界面效应可以进一步优化稀土的发光和磁学行为，而表面修饰可赋予稀土纳米材料良好的生物相容性和靶向能力。^[4]因此，稀土纳米材料已成为推进生物医学研究的重要成像探针。^[5]

本综述总结了 2025 年稀土发光纳米晶体在生物成像和生物传感应用方面的最新进展，重点关注亚细胞显微成像、体内高分辨率光学成像、多重光学成像、生物传感与检测、多模态成像及诊疗一体化。

章节摘要

亚细胞显微成像

亚细胞显微成像旨在揭示细胞内部复杂的结构和动态分子事件，实现生物过程的实时和长期可视化。近红外激发的稀土上转换纳米粒子（UCNPs）可避免细胞自发荧光的干扰。其卓越的光稳定性支持在高功率连续激发下的长时间动态跟踪。此外，独特的梯状能级构型

高分辨率体内成像

与本综述第 2 节讨论的亚细胞成像不同，本节侧重于体内成像，关键挑战是在组织深度上实现足够的分辨率和信噪比。生物组织的散射系数随波长增加呈指数下降。第二近红外窗口（NIR-II）允许对深层组织进行高分辨率成像和体内功能监测，这对疾病诊断和

光学多重检测

光学多重检测技术能够在生物样本中同时检测多个目标并实时成像，为精确诊断和病理机制研究提供了关键工具。稀土纳米材料的发射波长范围从可见光到近红外区域，便于构建多个光谱通道以满足多重成像的需求。此外，其窄带发射有效最小化了光谱串扰。

生物传感

温度是一个关键物理参数，可通过稀土发光纳米探针进行检测。报道了一种适用于体内快速温度检测和成像的稀土发光纳米探针。^[41]将两种发光分子铱和铕配合物负载到聚苯乙烯微球中，具有不同的发光寿命但相似的激发和发射波长。可以采用时间分辨技术来区分发光强度

多模态成像和诊疗应用

稀土发光纳米材料可作为功能集成平台与其他功能成分结合。设计并合成了一种用于成像和治疗的多功能稀土发光纳米探针，其中集成了 Lu₂O₃:Yb,Er,Li、光敏剂 Ce6、纳米酶催化剂 MIL-101(Fe) 和葡萄糖氧化酶 (GOx)。该复合系统在近红外激发下实现光动力疗法、化学动力疗法和光热疗法，并且

结论与展望

上述研究进展表明，依靠稀土纳米材料独特的发光特性，可以实现高质量的生物成像、近红外光诱导疾病治疗以及其他生物医学应用。当前研究集中在两个方面。一方面，优化稀土发光纳米材料的发光性能和成像模式。另一方面，构建微环境响应型检测探针或集成

利益冲突声明

? 作者声明，他们没有任何已知的竞争经济利益或个人关系，可能影响本论文报告的工作。

冯威 | 董浩 | 孙凌东

复旦大学化学系 & 高分子分子工程国家重点实验室，中国上海 200433