掺入Ag+的Er3+/Yb3+: Gd2O3荧光粉用于提升光声成像和荧光成像性能

《Inorganic Chemistry Communications》：Ag+-incorporated Er3+/Yb3+: Gd 2O 3 phosphor for improved photoacoustic and fluorescence imaging performance

　　

摘要 光声成像（PAI）是一种强大且无创的生物医学成像技术，广泛应用于疾病诊断和多种临床应用。本研究通过燃烧法合成了Gd2O3:Er3+/Yb3+磷光体，并用一价Ag+离子进行共掺杂。通过X射线衍射（XRD）分析其晶体相，通过场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）观察其形貌结构。利用980 nm激光激发研究上转换（UC）数据，并使用1064 nm脉冲Nd/YAG激光进行光声成像。随后，使用紫外-可见-近红外（UV-VIS-NIR）分光光度计测量了样品的光吸收。最终，我们证明了该磷光体在低浓度极限下可作为一种高效的光声造影剂，增强光声图像（声子非辐射跃迁）和荧光图像（光子辐射跃迁）的质量。这种双模态成像能力凸显了其在临床前和临床成像应用中的潜力。

引言 稀土（RE）掺杂磷光材料因其在日常技术中的广泛应用而受到大量研究，包括阴极射线管（CRT）、场发射显示器（FED）、固态照明系统、发光二极管（LED）、高清电视（HDTV）、等离子显示屏（PDP）、温度传感、潜在指纹检测、医学诊断、活体内成像以及低功率激光治疗[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。基于这些多功能特性，稀土材料还以其独特的发光和磁性特性著称，使其在磁共振成像（MRI）[13]、[14]、荧光成像[15]和近红外成像[16]等成像技术中成为高效的造影剂。此外，其光稳定性、长发光寿命和多模态成像能力进一步增强了其在先进生物医学成像应用中的实用性[17]、[18]、[19]。当材料吸收光后，会经历多种能量弛豫路径，包括光热转换、光化学过程、荧光发射等[20]、[21]、[22]。在这些机制中，我们特别关注光热和荧光技术（具体为光声成像PAI和上转换成像UCI），以实现增强的双模态生物成像。

近年来，稀土掺杂纳米晶基质材料因其卓越的光学特性和增强的发光性能而备受关注[23]、[24]、[25]。在探索的各种磷光体系中，Er3+/Yb3+共掺杂Gd2O3纳米磷光体被确定为高效的材料，特别是由于其强烈的上转换发射强度。由于这些磷光体能高效地将近红外（NIR）光转换为可见光，被认为是有前景的上转换材料。在980 nm激发下，Yb3+离子有效吸收近红外光子，并将激发能量依次传递给Er3+离子，填充较高的激发态，产生特征性的绿色（527 nm和548 nm）和红色（672 nm）上转换发射。Gd2O3基质的相对较低的声子能量以及良好的化学和热稳定性可减少非辐射弛豫并有利于辐射跃迁[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]。其中，上转换荧光涉及较低能量的光吸收（较长波长）随后产生较高能量的发射（较短波长）[35]。这些磷光体的上转换发光强度主要源于稀土掺杂离子4f壳层内的内配位电子跃迁。发光性能对基质组成、掺杂剂浓度和晶体结构等因素非常敏感。为实现强烈的上转换发射，基质材料应具有较低的声子能量，以抑制通过多声子衰减过程发生的非辐射弛豫。这一要求对上转换机制尤为重要，因为根据能隙定律，它们受到声子支持的猝灭效应的强烈影响[36]、[37]。此外，Gd2O3是一种高效的UC发光基质材料，因其具有较低的声子能量（约550–600 cm?1，对应每个声子约0.068–0.074 eV的能量）、高化学稳定性和优异的光学透明度[38]、[39]。这些特性可抑制非辐射损耗并促进Er3+、Yb3+、Ho3+和Tm3+等稀土离子的高效辐射跃迁，在近红外980 nm激光激发下产生强烈的可见光发射[41]、[42]。为实现高效的上转换发射，激活离子必须具有长寿命的中间亚稳态，使电子有足够的时间从敏化离子或激发源获取额外的能量，从而实现向更高能级的连续跃迁[40]。另一方面，Gd2O3通过声子的非辐射弛豫过程支持有效的光声信号产生，其中吸收的光能转化为热能。在调制脉冲激发下，产生的热量引起热弹性膨胀并产生声波。此外，该氧化物具有良好的热稳定性、合适的缺陷结构以及承载高浓度稀土掺杂剂的能力，有助于增强光声信号的产生。在敏化离子中，Yb3+由于其在980 nm处具有极高的摩尔消光系数、简单的能级结构以及大的吸收截面（约11.7 × 10?21 cm2）而被最广泛使用。Yb3+离子通过连续的能量转移过程促进激活离子较高激发能级的填充，从而增强可见光上转换发射。此外，与Yb3+敏化系统相关的相对较低的非辐射衰减率促进了有效的能量迁移和转移，从而提高了上转换效率。另一方面，Er3+离子因其明确的能级构型和长寿命的亚稳态而被认为是理想的激活剂，这有利于高效的能量转移和上转换过程[41]、[42]、[43]。Er3+的长寿命亚稳态支持通过连续能量转移机制高效填充较高的激发态。此外，与Yb3+离子的强光谱重叠和高效的辐射衰减路径显著增强了磷光体系统的上转换性能和可见光发射强度。

通过将各种掺杂离子掺入基质晶格中，可以显著改善上转换发射强度，包括一价离子（Li+、K+）、二价离子（Mn2+、Mg2+、Zn2+、Cd2+）和三价离子（Mo3+、Fe3+、Sc3+）[44]、[45]、[46]、[47]、[48]、[49]、[50]、[51]、[52]。在此前的研究中，系统研究了共掺杂离子（Mg2+和Zn2+）对La2O3:Er3+/Yb3+磷光体上转换发射强度和光声光谱特性的影响[53]。然而，在本研究中，采用了不同的方法，即将一价Ag+离子引入优化后的Er3+/Yb3+共掺杂Gd2O3纳米磷光体中以增强声波信号。Ag+离子的引入预计将改变局部晶格环境和缺陷态，从而促进更高效的非辐射弛豫路径，进而增强光声信号[22]、[54]。

此外，发射强度受多种参数控制，包括组分氧化物的浓度、晶粒尺寸、表面积、形貌、反应物的选择以及合成方法[55]、[56]。目前，采用有机燃料的燃烧合成引起了广泛关注，因为与传统制备路线相比，它具有产品纯度高、处理温度低、组分混合均匀以及形成近球形颗粒等优点。此外，其低能耗要求使其非常适合大规模生产。磷光材料已通过多种技术合成，包括微波辅助法、溶胶-凝胶法、共沉淀法、水热法和燃烧合成法[57]、[58]、[59]、[60]。其中，燃烧法因其经济高效、合成时间短以及能够生产高度均质材料而通常被优先选用[61]、[62]。此外，这种磷光材料通过将在上转换发射中未利用的非辐射多余吸收光能转化为热弹性膨胀来产生光声信号，这一过程称为光声效应[63]、[64]。光声成像已成为一种有前景的无创生物医学成像技术，在前所未有的成像深度（约厘米级）下实现了强光学对比度和高超声空间分辨率的协同效应[65]。通常，内源性造影剂（血红蛋白、黑色素、脂质及其他组织色团）提供组织信息，随后用于重建结构和功能信息。光声成像能够提取丰富的多尺度病理生理信息，包括血氧饱和度（SO2）、氧合血红蛋白（HBO）、总血红蛋白（HBT）、氧代谢率（MRO2）以及血流速度。这些参数对于广泛的临床应用至关重要，如皮肤科、眼科、肿瘤学、血管成像、神经成像、胃肠成像、肿瘤成像和淋巴成像[66]、[67]、[68]。在某些情况下，当固有的光声对比度不足以进行准确监测或诊断时，外源性造影剂（从体外引入体内）在增强光声成像的敏感性和特异性方面发挥着至关重要的作用[69]。在这些造影剂中，稀土材料因其近红外（NIR）吸收特性而引起了极大的关注。

在本研究中，采用燃烧法合成了Gd2O3:Er3+/Yb3+磷光体材料，通过将吸收的电磁辐射转换为荧光和光声信号来实现双模态成像。声波信号由超声换能器获取A线信号，随后进行图像重建以生成最终图像；同时采用高清摄像机记录上转换图像。为进一步增强光声信号幅度，将一价银离子（Ag+）掺入优化后的组成中。通过XRD对制备的样品进行晶体相分析，并使用FE-SEM和EDAX分别检查其表面形貌和元素组成。然后，通过自制光声光谱仪和500 W氙灯源激发记录光声吸收光谱，并将其与电子UV-VIS-NIR吸收光谱进行比较。该样品在980 nm激发下表现出强烈的上转换发射强度和良好的光声信号响应，表明此类磷光体具有双功能特性。这种辐射（UC）和非辐射（PA）的联合响应使其成为光声成像和荧光成像等多模态成像的有前景的材料。

实验小节

所用化学品：为制备材料，使用了高纯度的起始化学品，包括氧化钆（Gd2O3，99.99%，Sigma-Aldrich）、氧化铒（Er2O3，99.99%，Sigma-Aldrich）、氧化镱（Yb2O3，99.99%，Sigma-Aldrich）、硝酸银（AgNO3，99.99%，Sigma-Aldrich）、尿素（CH4N2O，99.99%，Alfa Aesar）和硝酸（HNO3，90%，Finar Chemicals，印度），作为前驱体试剂。在整个反应过程中始终使用三重蒸馏去离子（DI）水。

实验装置：在本研究中，实验装置用于记录功率依赖的上转换发射和光声吸收光谱。功率依赖的上转换发射使用图1所示的装置记录。一台功率可调的连续波980 nm二极管激光器作为激发源。采用基于电荷耦合器件（CCD）的单色仪记录上转换发射光谱，在记录发射之前，在传感器前方放置了一个近红外滤波器。光声吸收光谱……

X射线衍射分析：进行XRD分析以验证所合成磷光体材料的晶体相。图4展示了合成样品和在1000°C退火4小时的样品的衍射图谱。所有观察到的峰与ICDD卡片编号43–1015的标准参考数据完美匹配，确认形成了不含可检测第二相的单相单斜结构。最突出的衍射峰出现在2θ值为26.16°……

应用：下一代生物成像技术整合互补信息以克服信息有限的成像问题，从而实现体内疾病检测和功能评估的改善。稀土材料中的多光子上转换涉及复杂的能量转移过程，包括产生光声信号和上转换发光的辐射和非辐射路径。这种多功能材料特性使其适用于双模态成像，包括光声成像和上转换成像。在本节中，我们展示了……

结论：通过燃烧法合成了Gd2O3:Er3+/Yb3+磷光体，然后将一价Ag+离子引入优化后的基质晶格中以增强声波信号强度。通过XRD确认了晶体相，并通过FE-SEM检查了形貌和结构特征。随后，使用980 nm二极管激光器激发记录了上转换发射光谱。最终样品的光声吸收光谱使用500 W氙灯源获取。

作者贡献声明（CRediT）：Minarul I. Sarkar：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，资源，调查研究，构思。Arijit Paramanick：验证，软件，方法学，形式分析。Deepayan Samanta：可视化，软件，资金获取。D. Jaiswal-Nagar：软件，方法学，形式分析。Suheshkumar Singh：验证，方法学，调查研究，形式分析，构思。

利益冲突声明：作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能对本论文所述工作产生影响。

致谢：作者衷心感谢印度生物技术部（DBT）根据拨款编号BT/PR50627/MED/32/993/2023提供的资金支持。Minarul感谢智利国家研究与开发署（ANID）通过FONDECYT博士后项目3250687提供的资金支持。Arijit衷心感谢印度政府总理研究奖学金（PMRF）计划根据PMRF ID: 0802614提供的资金支持。Minarul I.

Sarkar 目前担任智利康塞普西翁大学（Universidad de Concepción）科学学院分析化学与无机化学系 FONDECYT（项目编号：3250687）博士后项目的主研究员。他获得印度理工学院（印度矿业学院，Dhanbad）的博士学位，并在那里获得了物理学硕士学位。他在印度加尔各答的加尔各答大学完成了物理学学士学位。Minarul I. Sarkar｜Arijit Paramanick｜Deepayan Samanta｜D. Jaiswal-Nagar｜Suheshkumar Singh，生物医学与纳米生物科学工程实验室（BnBEng.LAB），印度科学与研究高等教育学院特里凡得琅分校（IISER-TVM）物理学院，印度特里凡得琅 695551。