【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，上海科技大學物質(zhì)科學與技術學院朱幸俊課題組在鑭系發(fā)光納米測溫材料方面取得重要進展，大幅提高了納米溫度探針在近紅外二區(qū)b的測溫靈敏度，研究成果在國際學術期刊《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)上在線發(fā)表。
近年來，基于稀土發(fā)光納米材料的遠程溫度成像技術，憑借其優(yōu)異的光穩(wěn)定性、低侵入性以及可實現(xiàn)二維溫度分布測量的特性，是替代傳統(tǒng)生物測溫手段的有力方案。在活體光學檢測領域被認為是“最佳成像窗口”的近紅外二區(qū)b(NIR-IIb)波段的光信號，具有實現(xiàn)深層組織高分辨率成像的卓越性能。然而，當前工作于NIR-IIb波段的稀土發(fā)光納米溫度探針在生理溫度范圍內(nèi)的靈敏度仍然有限，制約了其在活體高分辨溫度成像中的應用。
針對這一挑戰(zhàn)，朱幸俊課題組首次從調(diào)控納米粒子微環(huán)境的視角出發(fā)，提出鉺離子亞晶格介導的能量回收(sublattice-mediated energy recycling，SMER)策略，用于增強發(fā)光波長位于NIR-IIb區(qū)的鑭系發(fā)光納米溫度探針的測溫靈敏度。
團隊通過晶格內(nèi)環(huán)境調(diào)控，引入瞬態(tài)能量捕獲中心銩離子，利用鉺和銩離子之間的交叉弛豫作用，賦予NIR-IIb區(qū)發(fā)光溫度響應能力；通過介質(zhì)外環(huán)境調(diào)控，引入水分子介導的環(huán)境淬滅輔助的下轉移過程(environment quenching assisted downshifting，EQAD)，進一步提高溫度響應能力。有趣的是，晶格內(nèi)環(huán)境調(diào)控和介質(zhì)外環(huán)境調(diào)控相結合，進一步放大了NIR-IIb區(qū)發(fā)光溫度響應能力，實現(xiàn)了“1+1>2”的效果，這是因為水分子介導的EQAD過程可以抑制鉺離子之間的能量遷移，從而促進鉺離子和銩離子之間的能量傳遞。在生理溫度范圍內(nèi)該探針展現(xiàn)出3 % °C-1的溫度靈敏度，相較于傳統(tǒng)鉺摻雜溫度探針提升了約3倍，也是目前NIR-IIb區(qū)工作的鑭系發(fā)光納米溫度探針的最高值。
圖1. NIR-IIb區(qū)稀土發(fā)光信號的溫度響應機理的示意圖
圖2. NIR-IIb區(qū)發(fā)光信號的溫度響應性能與調(diào)控過程。
本項研究不僅揭示了一種稀土發(fā)光溫度響應行為的調(diào)控機制，也為發(fā)展工作于NIR-IIb波段、適用于生物體深層成像的高性能溫度探針提供了全新設計思路和技術路徑，有望推動活體溫度成像技術在醫(yī)學診斷和精準治療中的應用進程。
本項工作中，上海科技大學物質(zhì)學院2025級博士研究生王浩為第一作者，上海科技大學物質(zhì)學院朱幸俊教授為本文的通訊作者，上海科技大學為第一完成單位。
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