基于长余辉荧光共振能量转移（PLRET）工程化的ZGO@IR-820：近红外-II区余辉发射与光热治疗性能

《Materials Today Nano》：Persistent Luminescence Resonance Energy Transfer (PLRET)-Engineered ZGO@IR-820 with NIR-II Afterglow Emission and Phototherapeutic Properties

　　

摘要：

近红外二区（NIR-II）发光成像凭借其显著的组织深穿透和高空间分辨率优势，已成为癌症诊断的一项有前景的技术。NIR-II 成像与多功能治疗模式的整合在生物医学领域得到了广泛探索，提供了宝贵的发展机会。余辉发光纳米颗粒（PLNPs）由于能够在无需原位激发的情况下发射余辉，而在生物医学应用中备受关注。然而，单一 PLNPs 在与光热疗法（PTT）和光动力疗法（PDT）相关的过程中性能有限，且目前仍缺乏同时具备 NIR-II 余辉发光以及 PDT、PTT 和光催化疗法（PCT）性能的 PLNPs 基多功能纳米复合材料。在此，我们报道了一种新型多功能纳米复合材料 ZGO@IR-820，它由 PLNPs（ZnGa_1.97O₄:Cr_0.01,Bi_0.02，ZGO）和近红外荧光染料 IR-820 组成。该纳米复合材料不仅表现出 NIR-II 余辉发射，还整合了 PDT、PTT 和 PCT 性能。NIR-II 余辉性能是通过 PLNPs 和 IR-820 之间的余辉发光共振能量转移（PLRET）实现的。这种多功能设计扩展了 PLNPs 基纳米复合材料的光物理和光化学性能，为精准疾病诊断和高效治疗的发展提供了创新的材料设计策略。

引言

癌症作为全球主要的健康威胁，由于其高发病率和死亡率而带来了严峻挑战。[1], [2] 荧光成像、光动力疗法（PDT）、光热疗法（PTT）和光催化疗法（PCT）是光疗技术，它们依靠其非侵入性特征和高时空可控性，为结合生物成像和肿瘤治疗的综合策略奠定了基础。这些技术在癌症诊断和治疗领域引起了广泛关注。[3], [4], [5], [6] 为了实现更好的成像性能，近红外二区（NIR-II）成像在空间分辨率、穿透深度和信背比方面优于近红外一区（NIR-I）成像，在生物成像中显示出巨大潜力。[7], [8], [9] NIR-II 通常定义为 950-1700 nm 光谱范围，尽管一些研究将其限制在 1000-1700 nm。[10], [11], [12], [13] 同时，单一治疗模式容易受到肿瘤微环境异质性和耐药性的限制，使得难以根除肿瘤。[14], [15] 因此，整合多模态治疗性能的多功能纳米复合材料的合理设计已成为该领域的前沿主题。

余辉发光纳米颗粒（PLNPs）由于其独特的光电存储和释放机制，即使在激发光源关闭后仍能持续发光。这种特性有效地避免了组织背景荧光干扰，从而显著提高了生物成像的灵敏度和分辨率。[16], [17] 同时，PLNPs 表现出良好的生物相容性和稳定性，便于其在生物医学领域的广泛应用。[18] 例如，Liu 等人报道了一种双功能 PLNPs 复合材料（Zn₃Ga₂SnO₈:Cr³⁺,Yb³⁺,Ho³⁺-RB），该材料在红色 LED 激发下发射 NIR-I 余辉用于生物成像，并在 980 nm 激发下产生上转换发光以激活光敏剂进行 PDT。[19] 此外，我们之前报道了一种基于 PLNPs（LiGa_4.99O₈:Cr_0.01/IrO₂）的多功能纳米平台，该平台表现出 NIR-I 余辉性能并融合了 PTT 和 PDT 能力。[20] 基于我们之前的研究，为了进一步扩展 PLNPs 在生物医学领域的综合应用，我们设计了一种多功能纳米平台 ZGO-xCNTs，将 PLNPs（ZnGa_1.97O₄:Cr_0.01, Bi_0.02，ZGO）负载到碳纳米管（CNTs）表面。该平台整合了 PTT、药物递送、光催化降解和 PCT 功能。[21] 尽管上述研究在提高 PLNPs 用于癌症治疗的综合性能方面取得了显著进展，但目前的研究仍局限于将 NIR-I 余辉发光与 PTT 和 PDT 相结合。关于具有更深组织穿透力的 NIR-II 余辉发光和 PCT 功能的研究仍然非常有限。如表 S1 所示，我们系统地比较了过去三年报道的代表性多功能诊疗材料的核心性能。结果表明，现有材料普遍存在功能失衡的问题。具体来说，一些系统牺牲成像能力以追求更高的治疗效率，而剩余具有成像能力的系统仅限于 NIR-I 区域的浅层组织成像。此前报道的 PLNPs 基材料最多可同时整合三种治疗性能。迄今为止，很少有研究报告了将 NIR-II 余辉发光与 PDT、PTT 和 PCT 性能结合在单一系统中的 PLNPs 基材料。

新型吲哚菁绿（IR-820）作为一种典型的 NIR 荧光染料，凭借其优异的 NIR-I 荧光性能、良好的生物相容性和卓越的稳定性，在众多荧光染料中脱颖而出。[22], [23] IR-820 不仅具有产生单线态氧的能力，适合用于 PDT，还具备光热转换能力，使其能够应用于 PTT。[24], [25] 将 PLNPs 与 IR-820 结合，可以制备出一种整合多种治疗性能并通过余辉发光共振能量转移（PLRET）实现 NIR-II 余辉性能的多功能纳米复合材料。然而，目前尚无关于 PLNPs 与 IR-820 复合体系的报道。

在本研究中，通过将 PLNPs（ZnGa_1.97O₄:Cr_0.01,Bi_0.02，ZGO）与 IR-820 结合，构建了一种新型多功能纳米复合材料 ZGO@IR-820。利用 ZGO 的 NIR-I 余辉能力持续激发 IR-820，从而实现了 NIR-II 余辉发射。此外，该纳米复合材料还具备对应于 PDT、PCT 和 PTT 的三种光治疗性能。通过系统的材料表征、光学性能评估以及与 PDT、PCT 和 PTT 过程相关的体外性能测试，充分验证了 ZGO@IR-820 良好的光物理和光化学性能。这种多功能纳米复合材料的构建丰富了 PLNPs 基光学材料在生物医学领域的设计策略。

章节片段

材料

Ga(NO₃)₃（99.9%）、Zn(NO₃)₂·6H₂O（99.99%）、Bi(NO₃)₃·5H₂O（99.99%）、Cr(NO₃)₃·9H₂O（99.95%）、乙二醇（99%）、3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）（99%）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）（99.5%）、氨水（25%-28%）、乙醇（99.7%）和 IR-820 购自上海麦克林生化科技有限公司。1,3-二苯基异苯并呋喃（DPBF）（>97%）购自阿拉丁生化科技有限公司。NaOH（97%）由天津兴博特化学科技有限公司提供。所有

物相与结构表征

如图 1a 所示，采用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）表征了 ZGO 及其改性样品的表面官能团。所有样品均在 461 cm^-1 和 584 cm^-1 处显示出特征吸收峰，分别对应于 Ga-O 和 Zn-O 键的伸缩振动。这表明 ZGO 的基本结构在改性过程中保持稳定。[27], [28] 在 ZGO-OH 的 FT-IR 光谱中，3450 cm^-1 处的吸收峰归因于

结论

在本研究中，我们成功合成了一种基于 PLNPs 的新型多功能 ZGO@IR-820 纳米复合材料，并系统地评估了其在 NIR-II 余辉发光、PTT、PDT 和 PCT 方面的性能。结果表明，ZGO@IR-820 通过 ZGO 和 IR-820 之间的 PLRET 机制实现了 NIR-II 余辉发光。在 254 nm 激光照射下，ZGO@IR-820 产生的 ¹O₂ 与其浓度呈正相关。值得注意的是，¹O₂ 产率是

CRediT 作者贡献声明

Houlin Li：调查、正式分析、数据整理、写作 – 原稿；Jiaxin Sun：调查、正式分析、数据整理；Peng Yan：调查、正式分析、数据整理；Aikelaimu Aihemaiti：调查、正式分析、数据整理；Abdukader Abdukayum：概念化、方法论、监督、写作 – 审阅与编辑、资金获取、项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

数据可用性

支持本研究结果的数据可根据合理要求从通讯作者处获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到国家自然科学基金委员会（22364016）、中国新疆天山人才培训计划（2024TSYC）、新疆维吾尔自治区自然科学基金（2022D01E16）以及中国新疆维吾尔自治区天山创新团队计划（2023D14002）的支持。

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