内容提要
染料敏化可以增强稀土上转换纳米粒子（UCNPs）的上转换发光（UCL），但受到从有机染料到稀土离子Yb3+的界面能量转移的阻碍。为了克服这些限制，我们改变了染料共轭结构上的配位位点，并最小化上转换纳米粒子中Yb3+和染料的荧光中心之间的距离。我们设计的近红外（NIR）染料二磺化-吲哚菁绿（二磺化-ICG）作为天线分子，与单独使用980 nm激发的UCNPs相比，在808 nm激发下的发光强度增加了2413倍。亮度的显著提高归因于纳米粒子中从二磺化-ICG到Yb3+的能量转移效率高达72.1%，其中大部分能量来自二磺化-ICG的三线态。缩短染料和镧系离子之间的距离增加了能量转移的可能性并增强了重原子效应，从而增多了三线态的布居数，改善了染料的三线态敏化上转换。重要的是，该方法也适用于730 nm激发Cy7-SO3敏化体系，克服了Cy7和Yb3+之间严重的光谱失配，实现了52倍的发光增强。此外，我们证明了通过染料敏化在单颗粒水平上增强上转换。该策略扩大了近红外染料敏化的范围，并为高效染料敏化上转换体系开辟了新途径。
结果与讨论
为了验证我们的假设，使用溶剂热法制备了NaYbF4: Er@NaLuF4: Yb的核壳结构的上转换纳米粒子。在核中，我们采用NaYbF4作为基质材料和8% Er3+掺杂，这是单粒子水平高效上转换的最佳选择。核的尺寸为11.4 nm。对于壳层，由于NaLuF4与NaYbF4或NaErF4之间的晶格匹配，我们使用NaLuF4作为基质材料。在我们之前的工作中，当最外层Yb3+掺杂量为70%时，染料敏化的增强效果最显著。因此最外面的NaLuF4壳层中掺杂了70% Yb3+，以提高染料敏化效率。核壳结构的总尺寸为14.4 nm。高分辨率透射电子显微镜图像（TEM）和X射线粉末衍射（XRD）证明了UCNPs的六方相。
在808 nm激发染料敏化体系中，我们采用了吲哚菁绿（ICG）作为骨架，这是一种经美国食品和药物管理局批准用于多种临床应用的化合物。我们的设计引入了ICG（共轭结构上没有磺酸盐）和二磺化-ICG（共轭结构上有磺酸盐），它们具有非常相似的光学特性。这表明这些染料具有相当的光捕获能力以及与Yb3+相近的光谱重叠。作为对照，我们还采用了广泛使用的天线分子IR806进行染料敏化。TEM和DLS表征证实有机染料修饰的UCNPs分散性良好。与之前的研究结果一致，IR806在其最佳敏化浓度下与在980 nm激发下单独的UCNPs相比产生了显著的增强（73倍）。ICG则表现出很弱的染料敏化效果，并且808 nm激发下的UCL发射强度与980 nm激发下单独的UCNP的发射强度相近。有趣的是，在芳香族部分上进行两个磺酸盐修饰的二磺化-ICG产生了非常强的染料敏化上转换发射，与单独的UCNPs在980 nm激发下相比，表现出2431倍的增强。对于ICG敏化的UCNPs，芳香族部分上两个额外磺酸基的存在导致染料敏化效果增强2351倍。因此，我们推测二磺化ICG分子在UCNPs表面的配位主要是由芳香族部分修饰的两个磺酸盐主导，缩短了花菁染料荧光中心与Yb3+之间的距离，提高了染料的敏化效果。尽管二磺化-ICG和Yb3+之间存在一定的光谱不匹配，我们仍然通过将配位位点直接连接到芳香族部分上实现了非常强的染料敏化上转换发射。我们进一步研究了配位染料对980 nm激发下UCL发射的影响。染料的存在导致UCNPs的发光淬灭，这可能是由于从UCNPs到染料的反向能量转移（BET）造成的。此外，我们测量了所有UCNPs在980 nm脉冲激发下的UCL衰减。与NOBF4处理的UCNPs相比，染料-UCNPs的UCL寿命较短，表明从UCNPs到染料发生了BET。二磺化-ICG-UCNPs表现出最短的UCL寿命，这意味着二磺化-ICG-UCNPs中染料和UCNPs之间距离的缩短。当激发脉冲宽度逐渐延长时，UCL发射呈现缓慢上升，这可归因于从敏化剂Yb3+到最近的激活剂Er3+的即时能量转移（ET）和来自远程的敏化剂Yb3+的延迟能量迁移（EM）的竞争过程。在短激发脉冲宽度下，ET占主导；延长的脉冲宽度导致EM的贡献最终可能超过ET。
随后，我们研究了在最佳敏化浓度下附着在每个UCNP上的天线分子的数量，并试图消除染料分子数量变化造成的影响。为了实现这一目标，我们通过离心从溶液中分离了IR806-UCNPs和二磺化-ICG-UCNPs的纳米复合材料。在最佳浓度下，每个UCNP表面容纳的IR806分子数量大约是二磺化-ICG分子的一半。为了进行相对公平的比较，我们仔细调整了IR806和二磺化-ICG的浓度，增加IR806的浓度或降低二磺化-ICG的浓度，以实现附着在UCNPs表面的相似数量的分子。在天线分子数量相同的条件下，对于每个UCNP上分别附着13个和6个染料分子，所得二磺化-ICG-UCNPs的亮度分别高于所得的IR806-UCNPs的56倍和23倍。这些发现说明，与IR806-UCNPs相比，每个UCNP的染料数量增加，二磺化-ICG-UCNPs的染料敏化UCL的增强倍数会更多。
此外，研究了溶剂对二磺化-ICG敏化体系的影响。在极性溶剂中，如二甲基亚砜（DMSO）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、甲醇（MeOH）中，二磺化-ICG表现出显著增强的染料敏化效果，与980 nm激发下的UCNPs相比，分别增强了2413倍、832倍、170倍。相比之下，IR806在相同溶剂中分别表现出73倍、132倍和9倍的染料敏化增强。有趣的是，在乙二醇（EG）中，IR806没有观察到明显的染料敏化效果。然而，当与二磺化-ICG结合时，在808 nm激发下上转换发射明显增强。此外，我们试图探索二磺化-ICG在极性较小的溶剂（例如氯仿）中的染料敏化作用，但染料在这种介质中的溶解度很差。
为了通过改变最外层活性壳层的厚度来研究染料敏化效果与上转换纳米颗粒尺寸之间的关系，我们合成了一系列NaYbF4:8%Er@NaLuF4:70%Ybx nm（x=0.6，1.5、2.7、3.9、5.3）。在980 nm激发下，UCL强度随着壳层厚度的增加而增强。为了进行研究，对具有相同浓度但不同壳层厚度的UCNPs进行808 nm激发下二磺化-ICG敏化的UCL光谱测量。随着二磺化-ICG的加入，染料敏化的上转换发射逐渐增强并慢慢趋于饱和，随后由于聚集诱导淬灭而导致UCL强度降低。UCNPs尺寸的增加导致表面积扩大，用于敏化的二磺化-ICG的最佳浓度增加，这表明在808 nm激发下，较大的UCNPs中的能量输入更多。因此，较大的UCNPs显示出更亮的染料敏化上转换发射。然而，值得注意的是，核中Er3+离子的数量保持不变。因此，增加的能量输入最终导致Er3+所需能量的饱和。随着最外层壳层厚度的增加，染料敏化增强倍数先增加而后下降，在2.7 nm厚的壳层处实现最大增强，达到9804倍。
作者对二磺化ICG敏化带来的上转换发射增强的机制进行了进一步的研究。在染料敏化体系中，Yb3+通常用作能量受体，从有机染料接收能量，然后将其转移给活化剂Er3+。为了研究从花菁染料到Yb3+的能量转移过程，并比较808 nm激发染料之间的能量转移效率，我们合成了纯11.0 nm β-NaYbF4，并将其用作能量受体。二磺化-ICG（供体）和NaYbF4纳米粒子（受体）之间的配位导致二磺化-ICG发射强度的降低，NaYbF4发射的出现，以及与未和纳米粒子结合相比，二磺化-ICG的荧光寿命的缩短。我们发现二磺化-ICG的荧光发射在附着到NaYbF4纳米颗粒表面后淬灭比率高达78%。同时在808 nm激发下观察到二磺化-ICG-NaYbF4在977 nm处的强发射峰。此外，附着在NaYbF4纳米颗粒上的二磺化-ICG（二磺化-ICG-NaYbF4，τ=0.3 ns）的荧光寿命明显短于单独的二磺化-ICG（τ=1.0 ns）。对于ICG和IR806，这些变化非常微小。二磺化-ICG-NaYbF4的能量转移效率为72.1%，远高于ICG-NaYbF4的能量转移效率（3.4%）。所有这些结果表明二磺化-ICG可以有效地将其能量转移到Yb3+，并且与芳香族部分共轭的磺酸根配位基团对于高效的能量转移至关重要。
此外，为了评估三线态能量转移在染料敏化中的重要性，我们研究了三线态淬灭剂环辛四烯（COT）对二磺化-ICG-UCNP和IR806-UCNP上转换发射的影响。添加COT后，二磺化-ICG-UCNPs的上转换发射显著下降，发射光谱积分淬灭78%。发现该淬灭比率与观察到的二磺化-ICG由于其附着在纳米粒子表面而引起的荧光淬灭比率相同。这些结果表明荧光淬灭可能是从单态（S1）到三线态（T1）增强的系间窜跃的结果，表明染料敏化机制涉及二磺化-ICG敏化的短程三线态。然而，IR806-UCNPs的上转换发光强度对COT的存在不太敏感。IR806-UCNPs和二磺化-ICG-UCNPs之间的差异表明，短程三线态能量转移是显著提高二磺化ICG-UCNPs的上转换发光强度的关键因素。荧光中心和Yb3+之间距离的缩短增加了重原子效应，导致二磺化-ICG-UCNPs中三线态布居数的增加，从而增强了三线态染料敏化的上转换发射。
作者将增强染料敏化的方法扩展到730 nm激发体系。先前的研究表明，由于严重的光谱失配，Cy7对Yb3+的有效染料敏化（λabs/λem：740/770 nm）需要Nd3+作为能量传递的桥梁。我们使用了两种Cy7化合物，烷基链上带有羧酸根的Cy7-COO和芳香族部分上带有磺酸根的Cy7-SO3。Cy7-COO和Cy7-SO3都具有非常相似的光学特性，表明它们与Yb3+的光谱重叠程度相近。在最佳浓度下，发现相近数量的染料附着在每个UCNP的表面。然而，在730 nm激发下，Cy7-SO3-UCNPs在730 nm激发下比在980 nm激发下单独的UCNPs表现出52倍的增强，而Cy7-COO-UCNPs仅产生非常暗的染料敏化上转换发射，比Cy7-SO3-UCNPs弱162倍。这些发现表明直接在芳香族部分上引入配位位点可以克服光谱失配，并实现高效的Cy7敏化的上转换发射。这种方法对于开发新的染料敏化体系非常有益。
此外，作者研究了单粒子水平的染料敏化上转换特性。然而，由于染料的光稳定性差，染料在激光照射下快速光漂白，我们没有从传统的干样品中获得单颗粒成像。因此，我们引入了抗坏血酸（AA），一种还原剂，可以提高染料的光稳定性。通过这种方法，能够在不同功率密度的976 nm和808 nm激发下实现二磺化-ICG-UCNP的单粒子成像，并观察到在1430、6500和11600 W/cm2的功率密度下，808 nm激发与976 nm激发相比，亮度分别增强了143.3、14.4、2.7倍。与荧光测量（2413倍，37.5 W/cm2）相比，单颗粒成像中染料敏化增强的减少可能归因于染料敏化效应的功率依赖性。由于与镧系元素离子相比，染料的吸收截面更大，更低的功率密度即可饱和镧系元素中间能态，因此可以在较低的辐照度下发生更有效的染料敏化上转换。此外，有机染料在高辐照度下相对较弱的光稳定性是另一个影响因素，虽然AA提高了染料的光稳定性，但IR806在激光激发下仍然快速光漂白，我们无法获得IR806-UCNPs的单颗粒成像。尽管如此，我们相信染料敏化策略在创造超亮上转换单分子成像探针方面具有巨大潜力。在未来的研究中，我们将努力优化染料的化学结构以及染料和UCNPs的组装策略以提高其光稳定性。
结论
总之，我们引入了一种新策略来提高从有机染料到UCNPs的能量转移效率并改善染料敏化上转换发射。这是通过修改花菁天线分子（二磺化-ICG）共轭结构上的配位位点来实现的，与UCNPs相比，808 nm激发下的上转换发射与980 nm激发下相比显著增强了2413倍。值得注意的是，二磺化-ICG-UCNPs的亮度分别是ICG-UCNPs和IR806-UCNPs的2351倍和33倍。染料敏化上转换发射的显著增加可归因于从染料到Yb3+的三线态能量转移的改善。该策略是可推广的，730 nm激发染料Cy7-SO3（在芳香族部分上具有磺酸盐），可以直接敏化Yb3+而无需Nd3+作为能量桥梁，克服了严重的光谱失配，实现了有效增强上转换发射。此外，我们通过引入抗坏血酸来提高染料的光稳定性，成功地获得了单颗粒水平的染料敏化上转换成像。我们的研究结果提供了一种设计近红外天线的新方法，以提高染料敏化上转换的效率，并可能促进超亮上转换单分子成像探针的开发。
参考文献
Boosting Dye-Sensitized Luminescence by Enhanced Short-Range Triplet Energy Transfer. Fei Zhao, Jialing Hu, Daoming Guan, Jinyang Liu, Xuebo Zhang, Huan Ling, Yunxiang Zhang, and Qian Liu* .Adv. Mater. 2023, 2304907. https://doi.org/10.1002/adma.202304907
