【JACS】复旦大学张凡课题组|激发1320 nm红外光!发光效率达20.7%:键长工程调控过渡金属掺杂纳米晶的二区近红外吸收与发射

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【JACS】复旦大学张凡课题组|激发1320 nm红外光!发光效率达20.7%:键长工程调控过渡金属掺杂纳米晶的二区近红外吸收与发射

【JACS】复旦大学张凡课题组|激发1320 nm红外光!发光效率达20.7%:键长工程调控过渡金属掺杂纳米晶的二区近红外吸收与发射#

文章标题A New Class of Bond-Length-Engineered Transition-Metal-Doped Nanocrystals with Tunable NIR-II Absorption and Emission

文章作者:Zhixiu Guo#, Yaning Shi#, Jiang Ming*, Zheng Xie, Zi-Han Chen, Hongyue Liu, Mingzhu Yang, Liuyi Yang, Wenlin Li, Yong Fan*, Fan Zhang*

文章链接https://doi.org/10.1021/jacs.6c11340

文章概要#

本研究开发了一类基于过渡金属镍离子(Ni²⁺)掺杂的二区近红外(NIR-II)荧光纳米探针,首次实现了通过键长工程在无稀土体系中对吸收与发射光谱的连续可调。研究团队利用镍离子的d–d电子跃迁机制,将其同时作为敏化剂与激活剂,通过调控不同氟化物基质中的Ni–F键长,将吸收峰从1318 nm精准红移至1414 nm,发射峰从1620 nm红移至1780 nm。优化后的NaMgF₃<9>.6%Ni@NaMgF₃核壳结构纳米晶在1320 nm激发下的荧光量子产率达到了20.7%。该探针在组织穿透深度多重活体成像的信噪比方面展现出显著优势,为下一代生物成像与光子学应用提供了全新的无稀土材料平台。

引言:研究背景与科学问题#

在生物医学成像与光子技术领域,第二近红外窗口(NIR-II,1000–2500 nm)因其具有更低的组织散射和吸收特性而备受关注。然而,现有的NIR-II发光材料大多依赖于镧系稀土离子或量子点,其光谱调控手段相对受限,且往往缺乏在NIR-II长波段(1500–1900 nm)的高效直接激发能力。相比之下,过渡金属离子的d–d电子跃迁对局域配位环境高度敏感,根据晶体场理论,金属与配体之间的键长变化会直接改变d轨道的分裂能,进而调控光吸收与发射波长。

尽管过渡金属离子具备这种独特的晶体场响应特性,但此前学术界在利用键长工程精准调制过渡金属掺杂纳米材料的NIR-II光谱方面仍面临巨大挑战。如何设计出既能实现光谱宽幅调控,又能保持高发光效率的过渡金属纳米发光材料,是当前该领域亟待解决的科学问题。

Fig.1 a) TEM image of NaMgF3<9>.6%Ni@NaMgF3 NCs. Inset: enlarged TEM, HR-TEM, and SAED images, respectively. b) Ni K-edge XANES spectra of NaMgF3<9>.6%Ni, NiF2 and Ni-foil. c) Fourier-transformed Ni K-edge of EXAFS spectra of NaMgF3<9>.6%Ni and NiF2. d) Absorption (top) and emission (bottom) spectra of NaMgF3<9>.6%Ni@NaMgF3 in dry powder. Inset: proposed luminescence mechanism of Ni2+. e) Luminescence intensity (785 and 1320 nm excitation) and f) decay curves (1320 nm excitation) of NaMgF3:_x_Ni@NaMgF3 (∼5 nm shell) with variable Ni2+ concentration in the cyclohexane phase (x = 0–14.3%). g) Luminescence intensity and h) decay curves under 1320 nm excitation of NaMgF3<9>.6%Ni@NaMgF3 with different shell thickness in cyclohexane solution.#

主要实验及结论:键长工程调控与生物成像应用#

为了攻克这一难题,研究团队首先合成了以NaMgF₃<9>.6%Ni为核心、NaMgF₃为外壳的包覆型纳米晶。如图1所示,高分辨透射电子显微镜和吸收光谱分析表明,镍离子成功以二价状态占领八面体配位点,并且在600–1700 nm范围内展现出宽光谱吸收。其中,位于1318 nm和770 nm处的两个主要吸收带分别对应镍离子的d–d跃迁。在785 nm或1320 nm激发下,该纳米晶产生了以1620 nm为中心的宽带NIR-II发射。通过优化掺杂浓度与壳层厚度,NaMgF₃<9>.6%Ni@NaMgF₃纳米晶光致发光量子产率达到了20.7%,其效率可与传统的镧系稀土纳米发光材料相媲美。

Fig.2 a) Spatial distribution of Ni2+ 3d orbitals in an octahedral field and their interactions with F 2p orbitals. b) Elongation of the Ni–F bond weakens the orbital overlap. c) Reduced orbital overlap decreases the ΔE. d) Schematic of tuning Ni2+ absorption and emission by Ni–F bond length. e) Calculated PDOS of the Ni 3d t2g and eg orbitals and f) energy gap as a function of the theoretical Ni–F bond length in the four matrices. g) Two-dimensional electron-density maps of Ni–F interactions in different matrices. h) Bader charges of Ni2+ and F– as a function of the bond length in different matrices.#

为了验证晶体场环境对光谱的调控作用,研究团队系统地选择了具有不同局域晶格环境的氟化物基质。如图2所示,态密度计算和电子密度图表明,从NaMgF₃逐步替换为MgF₂、KMgF₃及NaMnF₃基质时,Ni–F平均键长从1.97 Å拉长至2.10 Å。随着键长的逐渐伸长,镍离子的3d轨道与氟离子的2p轨道之间的重叠削弱,晶体场分裂能随之降低,从而导致d–d跃迁能量减小。

Fig.3 a) TEM images of NaMgF3<9>.6%Ni, MgF2<9>.8%Ni, KMgF3<9>.8%Ni, and NaMnF3<10>%Ni NCs with similar particle size (∼10 nm). b) Normalized absorption spectra and c) emission spectra of Ni2+ for the above matrices in dry powder (1320 nm excitation). d) NIR-II emission energy as a function of Ni–F bond length. e) Emission fwhm as a function of Ni–F bond length. f) Comparison of absorption and emission wavelength of NLNCs with previously reported NIR-II luminescent materials. (31, 32, 38−48) In the quantum dot sample, the vertical lines represent the possible excitation wavelengths. Detailed optical properties of the materials are shown in Table S1.#

实验测试进一步印证了理论预测。如图3所示,随着Ni–F键长被系统性拉长,四种纳米晶的吸收峰从1318 nm单调红移至1414 nm,发射峰也相应地从1620 nm红移至1780 nm。吸收和发射能量与Ni–F键长之间呈现出良好的线性相关性,建立了明确的波长调控规律。同时,这四种基质纳米晶的发光半高全宽在240 nm至380 nm之间变化,量子产率保持在4.7%至20.7%的较高水平。

Fig.4 a) Optical transmittance spectra of intralipid and mouse tissues. b) Normalized attenuation of 980 and 1320 nm lasers in 1 wt % intralipid. c,d) Tissue penetration of 980 and 1320 nm lasers through mouse skin, muscle, and skull: c) transmitted-light images; d) corresponding intensity statistics. e) Schematic comparison of 980 nm laser-excited Er3+- or Tm3+-doped NCs and 1320 nm laser-excited NLNCs. f) In vivo dual-channel NIR-II-L imaging of mouse intestines and blood vessels using Er3+- or Tm3+-doped NCs (top) and NLNCs (bottom). g,h) SNR values (g) and fwhm values (h) of Er3+- or Tm3+-doped NCs and NLNCs along the dashed lines in f.#

得益于1320 nm处的强吸收,该探针开启了直接在NIR-II窗口内激发的全新路径。如图4所示,在离体组织和脂肪乳模拟组织实验中,1320 nm激发光展现出远高于传统980 nm激发光的穿透能力,大幅减少了组织散射与能量衰减。在活体小鼠成像测试中,经过聚乙二醇修饰的纳米探针成功实现了肠道和血管的高对比度成像。相比于传统镧系稀土探针,基于键长工程调控的纳米晶在活体多重成像中展现出极交叉干扰,使图像信噪比提升了1.1至1.2倍,精细结构的表观分辨率提升了约1.4倍。

总结及展望:研究意义与未来方向#

本研究成功开发了一类基于Ni²⁺离子d–d跃迁的新型无稀土NIR-II发光纳米晶,建立了利用键长工程精准调制光学响应的有效路径。该工作不仅打破了传统稀土材料对固定发光波长的限制,更实现了高效率与宽调控范围的兼顾。

未来,这一设计策略有望拓展至其他过渡金属激活剂体系,从而获得更广阔的光谱调控空间和多模态刺激响应功能。这为下一代深层组织高分辨率生物成像、传感以及光通信技术的创新应用奠定了坚实的材料基础。

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作者
Fluolab
发布于
2026-08-09
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