内容摘要
镧系元素掺杂的上转换纳米粒子(UCNPs)由于其对光的吸收截面较小，因此亮度有限。然而，使用有机染料敏化剂可以显着增强它们的光吸收能力。不幸的是，有机敏化剂的实际应用受到稳定性差和聚集荧光淬灭（ACQ）的阻碍。为了解决这些问题，作者开发了一种新型方酸染料SQ-739，用于敏化上转换发光(UCL)。该染料在739 nm处具有最大吸收，与常用的花菁染料IR-806相比，化学稳定性和光稳定性分别提高了1个数量级和2倍。当SQ-739用于敏化UCNPs时，所得SQ-739-UCNPs在极性溶剂存在下表现出优异的光稳定性和降低的ACQ。此外，在单粒子水平上，与裸UCNPs相比，SQ-739-UCNPs的UCL发射增加了97倍。这种基于方酸染料的系统代表了开发高度稳定和高效的近红外上转换探针的新设计策略。
结果与讨论
方酸染料具有共振稳定的两性离子结构，中心缺电子四元环，两侧为供电子基团，形成电子供体-受体-供体(D−A−D)结构。吲哚和喹啉都是常用的电子供体。基于吲哚和喹啉的方酸染料具有出色的光稳定性、化学稳定性和水溶性。在这项研究中，作者使用喹啉衍生物作为电子供体，因为相比吲哚它们具有更大的共轭结构和给电子能力，可以将波长红移到近红外区。SQ-739通过简单的程序合成并通过1H NMR光谱和质谱进行表征。方酸染料上的−SO3-基团用于与UCNPs的Ln3+配位并将方酸锚定在纳米粒子表面。
SQ-739在739 nm处有一个强吸收带，吸收系数为42460 M−1·cm−1，在759 nm处有一个荧光发射带，量子产率为2.2% .作者将SQ-739的化学稳定性和光稳定性与常用的NIR染料IR-806 进行了比较。在相同功率的激光照射下（SQ-739：λex = 730 nm，IR-806：λex= 808 nm；30 W/cm2），SQ-739的半降解时间是IR-806的两倍，说明SQ-739的光稳定性更好。在黑暗中，在DMSO中储存10天后，SQ-739和IR-806的吸光度分别下降了～19%和～99%，表明SQ-739具有更好的化学稳定性。这些结果表明SQ-739具有巨大的染料敏化潜力。
染料敏化在很大程度上取决于从有机染料（供体）到UCNPs（受体）的能量转移。供体和受体之间的光谱重叠和空间距离决定了能量转移的效率。为了评估从SQ-739到Ln3+的能量转移效率，作者将SQ-739的发射光谱与Yb3+和Nd3+的吸收光谱进行了比较，Yb3+和Nd3+在NIR光谱区域具有较大的吸收截面，并且广泛用作上转换发光的敏化剂。Yb3+的吸收在973 nm处出现特征峰（2F7/2→2F5/2），Nd3+的吸收带分别位于739、794和864 nm。Nd3+在739和794 nm处的NIR 吸收带，分别对应于Nd3+从4I9/2到4F7/2和4F5/2的跃迁，与SQ-739的荧光发射重叠，表明能量可以从SQ-739转移到表面的Nd3+离子。Nd3+在730 nm处的吸收表明 Nd3+和SQ-739均可被730 nm激光激发。因此，UCL发射可能同时通过SQ-739→Nd3+→Yb3+→Er3+和Nd3+→Yb3+→Er3+的能量转移级联过程发生。
为了通过上述策略实现高效的染料敏化上转换，作者设计了核-壳-壳UCNP结构NaYb0.92Er0.08F4@NaLu0.9Yb0.1F4@NaLu0.6Nd0.3Yb0.1F4（简称YbEr@LuYb@LuNdYb)，其中Nd3+和Yb3+作为可能的能量受体。NaYb0.92Er0.08F4因其高亮度的单粒子发射而被选为核心。用于能量迁移的Yb3+层用于在空间上隔离Er3+和Nd3+离子，防止Er3+和Nd3+离子之间的有害交叉弛豫。最外层的NaLu0.6Nd0.3Yb0.1F4作为SQ-739的能量受体。根据作者之前的报告，这种核-壳-壳纳米结构是通过逐层外延生长过程合成的。透射电子显微镜(TEM)图像显示合成的UCNPs尺寸均匀，核直径为10.1±1.0 nm，核和能量迁移壳（核-壳）为14.3±0.8 nm，整个核-壳-壳颗粒为18.1±1.2 nm。能量迁移壳层厚度约为2.0 nm，这有利于Yb3+介导的能量转移过程。UCNPs粉末X射线衍射(XRD)显示其为六方相结构，这有利于高的上转换发光效率。单个YbEr@LuYb@LuNdYb UCNPs的高分辨TEM显示出0.52 nm的晶格间距，对应于六方相NaREF4结构的(110)平面的晶格间距。能量色散X射线(EDX)映射也证实了纳米粒子中存在Yb3+、Nd3+、Er3+和Lu3+。
裸YbEr@LuYb@LuNdYb UCNPs在730 nm照射下的上转换光谱显示与808 nm激发下的发射相当，808 nm激发是Nd敏化上转换系统中常用的激发波长，这表明730 nm激发的染料敏化适用于增强UCL发射。为了证明SQ-739可以提供UCNPs的染料敏化，作者研究了用SQ-739修饰的UCNPs的光学性能。广泛使用的两步NOBF4介导的配体交换策略用于SQ-739和IR-806修饰UCNPs，与UCNPs相比，分别在730和808 nm激发下导致UCL发射增强37倍和33倍。这些 SQ-739修饰的UCNPs在DMSO和水中分散良好，表面修饰后没有观察到明显的聚集。SQ-739敏化上转换显示出比IR-806敏化上转换更亮的发射。然而，SQ-739和IR-806敏化的上转换都表现出较弱的光稳定性。作者的研究结果表明，NOBF4的存在会显着降低有机染料的光稳定性。具体来说，在730 nm激光(30 W/cm2) 照射下，SQ-739的吸收强度在NOBF4存在的情况下在1小时内降低了92%，而在没有NOBF4的情况下仅降低了43%。
为避免使用NOBF4，作者采用直接配体交换法实现染料敏化。作者首先确认SQ-739分子配位到了UCNPs的表面。SQ-739和UCNPs混合物的上清液在离心后在739 nm处的吸光度显着降低，这表明染料分子通过配位作用附着在UCNPs上，而不是简单地与UCNPs混合。SQ-739- UCNPs在配体交换后显示出良好的分散性和无明显聚集。SQ-739-UCNPs在730 nm激发(30 W/cm2)下的发射比没有SQ-739的UCNPs高(51.1±4.0)倍。有机染料（SQ-739和IR806）在UCNPs上的配位仅导致Er3+的绿色或红色发射寿命发生约10%的变化，表明这些有机染料对 UCL发射的淬灭作用很小。通过无NOBF4的直接配体交换，SQ-739-UCNPs和IR-806-UCNPs在氯仿中表现出出色的光稳定性：分别用730和808 nm激光（30 W/ cm2）照射。为了评估这些染料在UCNPs表面上的聚集荧光淬灭，作者研究了染料浓度对UCL发射的影响。正如之前报道的那样，IR-806敏化系统显示出严重的聚集荧光淬灭(ACQ)：随着IR-806浓度的增加，UCL发射逐渐饱和然后迅速下降，当浓度达到5 μM时几乎完全淬灭。SQ-739-UCNPs表现出可忽略不计的ACQ：SQ-739浓度为5 μM时的UCL发射强度仅比最大UCL发射弱11%。SQ-739对抗ACQ能力表明它具有作为增强UCL发射的分子天线的巨大潜力。
在极性溶剂中，UCNPs表面的有机染料会形成聚集体，削弱染料敏化效果。作者通过将极性溶剂DMSO添加到非极性溶剂CHCl3 中，研究了极性对染料敏化UCNPs上转换性能的影响，CHCl3/DMSO（3:1，v/v）。与CHCl3中的发光相比，DMSO（25%，v/v）淬灭IR-806-UCNPs的发光5.7倍。这可以通过IR-806在极性溶剂中的ACQ来解释。相反，DMSO存在下，SQ-739-UCNPs没有显着的发光淬灭。此外，与存在DMSO的IR806-UCNPs相比，SQ-739-UCNPs表现出更高的光稳定性。在730和808 nm激光照射0.5小时后（辐照度：30 W/cm2），SQ-739-UCNPs 和 IR-806-UCNPs的UCL发射分别降低了～22%和～82%。这些结果表明SQ-739-UCNPs在极性溶剂中比IR-806-UCNPs更有前途。此外，作者还分别测量了730和808 nm激光下功率对UCL强度的依赖性。UCL发射在730 nm下的功率依赖斜率大于808 nm照射下的功率依赖斜率，表明染料SQ-739可以增强UCNPs的光子捕获能力，为730 nm照射下的上转换过程提供更多的光子。
了解能量转移过程对于进一步优化染料敏化性能至关重要。作者研究了方酸染料敏化上转换机制。除了传统的单线态能量转移过程（SQ-739→Nd3+→Yb3+→Er3+）外，三线态能量也可能从有机染料转移到Ln3+。鉴于SQ-739的三线态与Yb3+的吸收（973 nm处的吸收峰）之间可能存在的能级匹配，SQ-739→Yb3+→Er3+可能是该染料-UCNPs结构中的另一种能量迁移途径。然而，通过低温磷光光谱法，作者没有观察到SQ-739对应于三线态能级的磷光发射，这可能是由于其三重态的淬灭。因此，作者无法关联SQ-739和Yb3+的光谱，无法验证SQ-739→Yb3+→Er3+的能量转移途径。为了探索三线态能量转移过程的作用，去除了YbEr@LuYb@LuNdYb中的Nd3+，合成了核-壳NaYb0.92Er0.08F4@NaYbF4UCNPs（称为YbEr@Yb）。在没有Nd3+ 的情况下，SQ-739在730 nm激发下对UCNPs产生弱敏化作用，发射比SQ-739-UCNPs YbEr@LuYb@LuNdYb弱123倍。这一结果表明，在没有Nd3+ 的情况下，SQ-739无法将能量有效地转移到Yb3+，而Nd3+对SQ-739-UCNPs的染料敏化上转换至关重要。
为了研究能量转移对有机染料和Nd3+之间距离的依赖性，作者合成了一系列NaYb0.92Er0.08F4@NaLu0.9Yb0.1F4@NaLu0.6Nd0.3Yb0.1F4@NaLuF4UCNPs（简称YbEr@LuYb@LuNdYb@Lu)，惰性壳层厚度范围为0至6.1 nm。作者测量了这些UCNP在730 nm (30 W/cm2)激发时的SQ-739敏化上转换光谱。在没有SQ-739的情况下，较厚的惰性壳通过抑制表面淬灭导致更亮的UCL发射，这与之前的报告一致。相反，随着惰性壳厚度的增加，SQ-739敏化的UCNPs的发射下降。当惰性壳厚度大于2.3 nm时，染料敏化没有增强作用。这些结果表明，SQ-739和Nd3+之间的距离对于染料敏化上转换至关重要，IR-806→Yb3+也是如此。从这些数据来看，SQ-739和Nd3+之间的荧光共振能量转移和三线态能量转移可能都参与了SQ-739的染料敏化过程。为了进一步证明三线态能量转移的重要性，作者测量了SQ-739-UCNPs在三线态淬灭剂环辛四烯(COT)存在下的UCL发射。添加COT后，SQ-739-UCNPs的UCL强度降低了50%，表明在SQ-739染料敏化过程中存在三线态能量转移。
此外，作者研究了单粒子水平的染料敏化UCL发射。在整体测量中，溶液中UCNPs浓度的测定准确度可能会受颗粒聚集和沉淀影响。然而，在传统的单颗粒样品制备中，纳米颗粒需要在盖玻片干燥，干燥后UCNPs表面的染料可能会发生聚集。因此，作者引入了油酸(OA)作为溶剂。OA作为溶剂，不仅可以避免SQ-739的聚集，还可以作为抗氧化剂，消耗激光照射下产生的活性氧。活性氧可以与有机染料发生反应，降低它们的光稳定性。与没有SQ-739的情况相比，在721 nm 照射下，SQ-739-UCNPs的单粒子UCL发射增加了97倍。值得注意的是，976 nm激光可以激发UCNPs以获得UCL图像并确认UCNPs的位置。因此，作者使用976 nm激发下的单粒子UCL图像与721 nm照射下的UCL图像共定位，以确认这些染料敏化发射是由UCNPs产生的。然而，由于有机染料在单分子成像条件下（高功率密度：2 KW/cm2）的光漂白，单粒子染料敏化UCL发射的亮度随辐照时间的增加而降低。
结论
总之，作者开发了一种基于方酸（SQ-739）的新型NIR探针，用于染料敏化上转换。在作者的设计中，作者采用Nd掺杂的UCNPs作为能量受体，其中Nd3+ 的吸收与SQ-739的荧光发射很好地匹配。通过系统地优化染料浓度，SQ-739-UCNPs在大部分光谱测量中实现了比裸UCNPs的UCL有51倍增强。与常用的基于花菁染料IR-806相比，作者的方酸染料SQ-739敏化的UCNPs产生了高度光稳定的UCL发射，并且没有显示出明显的聚集荧光淬灭。作者还展示了在单粒子水平上显着增强的UCL发射：与没有染料敏化的UCNPs相比，SQ-739-UCNPs 显示出97倍的增强。迄今为止，染料敏化上转换系统主要基于808 nm激发，而具有730 nm左右激发的高效染料敏化系统很少见报道。730 nm的吸水率较低，并且在进一步的生物应用中，730 nm激发对生物组织的加热效应。此外，作者新的730 nm激发染料敏化系统也有利于基于正交激发上转换的应用，例如防伪、光学编码和复用，这些应用使用可调激发波长来呈现具有可区分光谱指纹的发射。
参考文献
Squaraine Dye-Sensitized Upconversion with Enhanced Stability and Minimized Aggregation-Caused Quenching. Jialing Hu, Bingjie Zhao, Rongrong Wen, Xuebo Zhang, Yunxiang Zhang, Daniel S. Kohane, and Qian Liu. Nano Lett. 2023, 23, 5209−5216. DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c01184
