鑭系發光納米溫度探針及光學測溫技術

胡倩¹朱幸俊¹

¹上?？萍即髮W物質科學與技術學院

生物體溫度監測在醫學診斷和治療方面有著重要意義。傳統的生物體測溫方式依賴于侵入式探頭或者局限于體表檢測的熱成像設備。對于體內深層組織的無損溫度探測仍然是一項挑戰。光學測溫技術基于溫度敏感的發光材料和器件，以光信號作為輸出實現溫度檢測。在發光材料中，鑭系發光納米材料（LLNs）具有光穩定性好、發射譜帶豐富、低自發熒光干擾等獨特優點，在體內成像檢測和疾病診斷方面具有廣泛應用。目前已報道了一系列LLNs的發光信號的強度、壽命等光學性質與溫度相關，因此可以作為溫度檢測探針。與此同時，LLNs本身的納米級尺寸有別于傳統溫度檢測的宏觀設備，因此可以勝任亞細胞級別的微觀熱效應檢測以及熱傳遞過程研究，提升測溫的空間精度，借助LLNs的近紅外發光，能進一步提高光信號在組織中穿透深度，更好的實現深組織、非侵入性溫度檢測。

（一）LLNs溫度探針的測溫策略

溫度可以改變LLNs的發光強度比、帶寬、光譜偏移、壽命等方式影響LLNs的發光特性^[1]-[3]。其中，發光強度比和發光壽命這兩種策略受生理環境的干擾更小，從而具有更高的測溫準確性^[4]-[5]。

基于發光強度比率構建溫度探針

電子在兩個相鄰激發能級（能級差一般小于1000 cm-1）中的分布與溫度有關，滿足Boltzmann分布，因此具有熱依賴性的兩個能級發光強度比與溫度之間的關系可描述為,

^[6]-[7]，

其中I2/I1為兩個能級的發射強度比；ΔE是兩個能級能量差，C是由發光基質材料確定的常數,T為溫度,kB為玻耳茲曼常數。因此，通過在不同溫度下檢測兩條發射峰的比值，可得到溫度以發射強度比值的關系，作為溫度檢測的校正曲線。

基于發光壽命構建溫度探針

在LLNs體系中，溫度敏感的能量轉移也會導致激發態壽命的變化，從而可以測量在脈沖激發下特定能級躍遷的壽命與溫度的依賴關系，通過發光衰減曲線推斷溫度信息^[8]-[9]。

（二）LLNs測溫技術與設備

基于發光強度比率的測溫技術較為直觀，相關設備的設置與光譜檢測系統類似，主要特點是恒溫控制系統的附加。其裝置如圖1所示，由半導體激光器、樣品臺、控溫器、濾光片、光譜檢測器和計算機組成，其中激光器、樣品臺、濾光片、光譜檢測器用于發光材料的光信號激發與收集，控溫器件用于樣品的恒溫與變溫進而得到不同溫度的光譜。類似的基于發光強度比率的成像檢測設備的光譜檢測器被替換為CCD相機，通過濾光片系統采集不同波段的發射帶，通過光強度成像圖的計算得到溫度分布結果。光強比率測溫技術的設備較為簡單，但這項測溫方法易受生物環境引起的光散射或吸收的干擾^[4]，需在組織或模擬組織的假體中對溫度曲線進行校正來減小誤差^[10]；基于發光比率的溫度檢測其優點是檢測速度較快，對于快速變化的溫度具有更好的實時跟蹤能力。發光壽命作為熒光團固有特性，受環境干擾較小，因此可以提高測量準確性^[11]-[12]，而且LLNs的發光壽命相對小分子熒光探針更長，對于基于成像的壽命檢測系統的構建相對短壽命檢測難度較低。具體的設備構建如圖2所示，將常規的熒光成像代替為時間門控熒光成像系統，配合波形發生器、斬波器等，對相機的分辨率要求高，并且由于壽命衰減曲線的測試需要借助時間門控單元，對光信號進行多次采集，因此獲取完整衰減曲線的圖像時間較長，不利于檢測快速變化的溫度信號^[8]。兩種發光溫度檢測技術各有優勢，目前研究工作中所報道的比率型溫度檢測技術較為成熟，壽命檢測的測溫技術仍然處于優化階段，主要難點是長波長近紅外發射的壽命檢測技術尚不成熟。

圖1. 基于發光強度比率溫度計的實驗設備

圖2. 基于發光壽命溫度計的實驗設備^[8]

（三）LLNs溫度探針的生物應用

LLNs體內無創溫度監測的特性促使了一些新興的生物醫學領域應用，尤其在疾病診斷和指導治療方面^{[4],[13]-[16]}。我們最近總結了基于鑭系發光納米復合材料的溫度檢測技術及其生物學應用的研究工作，并梳理了不同測溫技術在生物應用上的特點（Chem. Eur. J., 2022, 28, e202104237），希望和大家一起探討光學測溫技術的應用空間以及相關設備的研制。

基于LLNs的生物體溫度檢測，近年來我們開展了一系列的應用。例如我們曾經報道了一種以上轉換發光材料為核心（NaLuF4:Yb,Er@NaLuF4)，以光熱材料（碳）作為外殼的LLNs，其中上轉換發光材料的Er3+發光中心特征的525與545 nm發射強度的比值與溫度呈現相關性，因此可作為光學溫度探針。通過檢測光熱過程中的微觀溫度變化，進一步發現光熱效應下納米顆粒的升溫幅度和速率大于常規的外部加熱方式。利用這一特性，可以實現溫和宏觀溫度下的微觀高溫，進而在保證光熱治療劑標記的惡性細胞被有效殺傷的同時，減少不必要的熱擴散而損傷病灶周邊的正常組織，提升治療的精度（如圖3a）^[17]。壽命檢測技術上，復旦大學李富友課題組利用PAA-PEG包裹的NaNdF4:Yb@CaF2納米顆粒，此種材料的Yb3+離子能夠發射980 nm光信號，由于Nd3+與Yb3+在不同溫度下的能量傳遞效率不同，Yb3+的980 nm發光壽命隨著溫度發生線性變化。在活體動物光學成像儀上進行了時間門控系統的附加，利用脈沖激光器對材料進行照射，然后采集材料的發光衰減，最終獲得溫度-壽命曲線，進一步在活體動物的血管部位進行光信號的采集，考察血管內血液溫度與血流相關性，為心血管疾病的診斷和療效評估提供了重要途徑（如圖3b）^[8]。

圖3. (a)基于強度比率的Er³⁺摻雜上轉換光熱LLNs用于光熱治療過程微觀溫度監測^[17]。(b) 基于壽命的Yb³⁺-Nd3+共摻雜的LLNs溫度計用于心血管疾病^[8]。

（四）LLNs溫度探針的展望

合成可調控的LLNs溫度探針的發展加速了其作為體內潛在溫度傳感工具的應用，但為了使其具有更準確的讀數結果，還需進一步優化。其中，減少外部干擾和校準通過組織的發光衰減是亟待解決的重要問題。同時進一步探索波長更長的光譜區域，可實現更深層次的組織傳感，促進LLNs在體內疾病診斷和治療方面的生物應用。

參考文獻

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【作者簡介】

胡倩 博士研究生

2020年畢業于湖南師范大學，獲化學專業學士學位。目前是上?？萍即髮W物質科學與技術學院博士研究生，師從朱幸俊教授，主要從事近紅外發射鑭系納米復合材料的溫度傳感和生物成像應用的研究。

朱幸俊 研究員

上?？萍即髮W物質科學與技術學院研究員、博士生導師。2017年博士畢業于復旦大學生物研究院（導師李富友教授），2017-2019年在美國斯坦福大學材料科學與工程系作為博士后學者從事生物醫學成像以及神經調控材料與器件的研發工作。目前已在Nature Communications, Chemical Society Reviews, Nano Letters, ACS Nano, PNAS, Biomaterials等國際著名期刊上發表研究論文30余篇，他引3500余次（H因子26），并持有多項專利。多項研究成果入選科睿唯安ESI化學和材料領域前1%高被引論文(Highly Cited Paper)。研究項目獲國家自然科學基金、上海市浦江人才計劃資助。

課題組致力于發展適用于生物醫學的新型納米材料和技術，通過構建納米復合材料，利用其光、熱、磁、聲等性質，實現高選擇性、低侵入性的生物成像、疾病治療和生理功能調控。

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（本文編輯：劉立東）

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