長余輝納米材料的控制合成及在疾病診斷中的應用

席 京，陳 娜，楊雁冰，袁 荃

（武漢大學化學與分子科學學院,武漢430072）

長余輝是指激發(fā)光停止激發(fā)后，發(fā)光仍然持續(xù)的光學現(xiàn)象［1~4］.長余輝材料通過缺陷儲存來自外界的能量，并在停止激發(fā)后持續(xù)釋放［5，6］.長余輝材料具有較長的發(fā)光壽命，被廣泛用于生物傳感［7~10］、疾病治療［11~15］、疾病診斷［16~18］、安全標志［19］、體溫傳感［20］和光信息存儲［21］等領域.由于長余輝材料無需原位激發(fā)，可以有效避免組織自發(fā)熒光干擾，提高了信噪比和靈敏度，因而在疾病診斷等生物醫(yī)學領域備受關注.然而，生物醫(yī)學應用對長余輝納米材料的粒徑、單分散性、均勻性及發(fā)光性能等具有很高的要求［22，23］.長余輝納米材料的控制性合成方法對其微觀結構特征、余輝性能、熒光量子效率和缺陷分布等具有重要意義，是實現(xiàn)生物醫(yī)學應用的關鍵前提［24］.通過控制合成的方法可獲得具有優(yōu)異生物相容性和余輝發(fā)光性能的長余輝納米材料.目前，利用長余輝納米材料已經實現(xiàn)了疾病生物標志物如細菌［25］、抗原［26］、蛋白質［27］、miRNA［28］和生物小分子［29］等的高靈敏體外檢測，以及病變組織如腫瘤細胞［30~32］的高信噪比體內靶向成像與診斷.基于長余輝材料的疾病生物標志物與病變組織成像，為疾病診斷提供了重要依據(jù).本文總結了一系列長余輝納米材料的控制合成方法，討論了長余輝納米材料在體內外疾病診斷中的應用，并進一步探討了持久發(fā)光納米材料在生物傳感方面面臨的挑戰(zhàn)并對其未來進行了展望.

1 長余輝材料的控制合成

目前，長余輝材料的合成策略主要分為自上而下和自下而上兩種［4］.

1.1 自上而下法

自上而下法通常將大尺寸的塊狀材料通過物理和化學方法處理，從而得到納米級的材料，主要包括高溫固相法［33］和溶膠-凝膠法［34］.

1.1.1 高溫固相法 高溫固相法是合成長余輝材料最常見的方法之一.該方法是將原料和助溶劑混合并研磨均勻后，在高溫煅燒下可獲得長余輝材料［21］，其操作簡單，被廣泛地用于長余輝材料的合成.高溫固相法合成的長余輝材料主要呈塊狀，經研磨后可轉化為長余輝納米顆粒.然而，高溫固相法合成的長余輝納米材料具有尺寸不均一、分散性差等缺點，限制了其在生物醫(yī)學領域中的應用［35］.

1.1.2 溶膠-凝膠法 溶膠凝膠法是另一種制備長余輝材料的常見方法.溶膠凝膠法是將金屬鹽前體、配體和交聯(lián)劑混合制備凝膠，再通過高溫煅燒合成長余輝材料［4］.通過此方法合成的長余輝材料具有納米級的尺寸和優(yōu)異的余輝性能.通過調控原料配比、煅燒溫度、溶膠pH值及原料組成等條件，可以實現(xiàn)對長余輝材料光學性能、粒徑及形貌的調控［31，36~39］.

通過調控溶膠凝膠法制備過程中的原料配比可實現(xiàn)長余輝材料光學性能的調控.如，Yan等［31］利用溶膠凝膠法合成了ZnzGa2Ge2O10：Cr3+，Pr3+近紅外長余輝納米顆粒，通過改變檸檬酸鹽溶膠-凝膠的煅燒溫度和離子摻雜濃度，實現(xiàn)了長余輝材料余輝發(fā)光強度和衰減時間的調控.提高檸檬酸鹽溶膠的煅燒溫度后，長余輝材料中陽離子空位增多，余輝發(fā)光強度增大.隨著Cr3+發(fā)射中心濃度的上升，激子能量釋放加快，材料的熒光壽命減小.此外，通過摻雜Pr3+可以有效提高長余輝材料的余輝發(fā)光強度和衰減時間.

Li等［36］利用溶膠-凝膠法合成了Zn2+xGa4-2xSnxO8：0.5%Cr3+近紅外長余輝納米顆粒，通過調控Sn的摻雜濃度實現(xiàn)了納米顆粒余輝發(fā)光強度的調控.他們發(fā)現(xiàn)，隨著Sn濃度提高，納米顆粒陷阱深度的分布出現(xiàn)極端化，即淺陷阱更淺深陷阱更深.因此，淺陷阱儲存的電子更易于被Cr3+激發(fā)態(tài)能級再捕獲，導致余輝發(fā)光強度增加；深陷阱儲存的電子釋放速度更緩慢，導致余輝壽命增長.

此外，通過調控溶膠-凝膠法過程中的煅燒溫度可實現(xiàn)長余輝材料尺寸及光學性能的調控.Zhang等［37］利用溶膠-凝膠法合成了CaZrO3：Tm3+長余輝納米顆粒，通過控制煅燒溫度實現(xiàn)了納米顆粒尺寸從20 nm到50 nm的調控.隨著煅燒溫度升高，納米顆粒發(fā)生團聚，顆粒尺寸變大.此外，通過控制Tm3+摻雜濃度實現(xiàn)了CaZrO3：Tm3+納米顆粒的余輝發(fā)光強度的調控.

溶膠-凝膠法合成長余輝納米材料的過程中，pH值對溶膠-凝膠的存在形式具有重要影響.因此通過調控溶膠-凝膠法過程中的pH值能夠實現(xiàn)長余輝納米材料形貌的調控.Duan等［38］利用溶膠-凝膠法合成了SrAl2O4：Eu2+，Dy3+長余輝納米材料，通過控制溶膠pH值實現(xiàn)了對長余輝材料形貌的調控.具體來說，隨著pH值增大，檸檬酸存在分步電離，導致檸檬酸軟模板的形式發(fā)生變化，合成了從棒狀形貌到球形形貌的長余輝材料.

上述長余輝納米材料的合成過程均使用檸檬酸鹽構建溶膠-凝膠.通過改變溶膠凝-膠法中原料組成也可實現(xiàn)長余輝材料光學性能的調控.如，Zheng等［39］以谷殼等生物質廢棄物為原料，利用溶膠-凝膠法合成了超長壽命、超高熒光量子產率和極高穩(wěn)定性的長余輝碳點.如圖1（A）所示，研究者采用同時富含碳元素和硅元素的廢棄生物質谷殼為原料，通過溶膠-凝膠法將碳點原位封裝在硅膠中，進一步通過煅燒形成對碳點具有限域作用的三維空間.由于二氧化硅的剛性結構在空間上限制了碳點的振動，阻止了激發(fā)態(tài)能量的振動弛豫，致使所得碳點/二氧化硅復合材料同時表現(xiàn)出超長余輝壽命（5.72 s）［圖1（B）］和超高熒光量子效率（21.3%）.該方法合成的碳點/二氧化硅復合材料具有約3 nm的超小尺寸［圖1（C）和（D）］.此外，如圖1（E）和（F）所示，該長余輝碳點具有出色的穩(wěn)定性，可以有效抵抗強氧化劑、不同極性的有機溶劑、強酸和強堿對磷光的猝滅.基于其超長磷光壽命、高磷光量子效率和出色穩(wěn)定性，該材料有望廣泛用于防偽領域，尤其是各種惡劣化學環(huán)境下的光學防偽應用.該研究成果為長壽命高效率碳點室溫磷光材料提供了一種通用的合成策略，為谷殼等農業(yè)廢棄生物質的資源化利用提供了新的思路和機會.

1.2 自下而上法

高溫固相法和溶膠-凝膠法均屬于自上而下的方法，該方法合成的納米顆粒尺寸難以控制，且分散性較差［9，40］.然而，顆粒尺寸和分散性對長余輝納米顆粒的細胞攝取、循環(huán)時間和生物毒性具有巨大的影響［23］.自下而上是指在適當?shù)暮铣森h(huán)境中，通過原子和分子的化學反應制備納米材料的方法，主要包括水熱法［41］、高溫熱分解法［40］和模板法［42］.自下而上法合成的長余輝納米材料的顆粒尺寸可控性更高，是合成長余輝納米材料的主要方法.

Fig.1 Schematic of the overall process for fabrication of the carbon dots confined by SiO2(A),persistent lumi?nescence decay and fitting curve(red line)of the emission bands at 464 nm with 260 nm excitation(B),HRTEM image of the as synthesized carbon dots confined by SiO2(C),size distribution histogram of the carbon dots confined by SiO2(D),phosphorescence spectra of the untreated carbon dots confined by SiO2 oxidized by H2O2(30%,mass fraction),concentrated HNO3(30%,mass fraction),or H2SO4(98%,mass fraction)(E),phosphorescence spectra of the carbon dots confined by SiO2 in solvents with diffe?rent polarities(F),phosphorescence spectra of the carbon dots confined by SiO2 under pH values from 1.0 to 14.0(G)[39]

1.2.1 水熱法 水熱法是以水作為溶劑，將反應物放在密閉的高溫高壓環(huán)境中進行反應的化學合成方法［43］.水熱法具有合成溫度低、顆粒尺寸可控以及分散性好的優(yōu)點.然而，該方法合成的長余輝納米顆粒的余輝發(fā)光性能通常不如高溫固相法和溶膠-凝膠法.研究人員通過控制水熱條件（如pH值、反應時間及溶液組成等），對長余輝納米材料的尺寸、形貌和余輝發(fā)光強度等性質進行了調控［9，23，27，41，44~50］.

Yuan等［9］利用水熱法合成了Zn1+xGa2?2xGexO4：Cr3+（0≤x≤0.5）長余輝納米顆粒，通過調控化學式中的x值可以實現(xiàn)對該納米顆粒尺寸和光學性質的調控.如圖2（A）~（C）所示，隨著x值從0增加到0.5，該納米顆粒的尺寸從7 nm增加到約80 nm.如圖2（D）和（E）所示，隨著x值增大，該納米顆粒的持續(xù)發(fā)光強度和衰減時間均先增大后減小.此外，通過控制水熱反應的pH值，Zn1.5GaGe0.5O4：Cr3+材料的尺寸和余輝發(fā)光性能也能得到調控［44］.Yuan等［45］還通過對長余輝材料的表面進行缺陷鈍化改善了其持續(xù)發(fā)光性能.通過熱處理方式以及在Zn1.2Ga1.6Ge0.2O4：Cr3+表面生長鈍化層（ZnGaO4或SiO2殼層）有效地減少了Zn1.2Ga1.6Ge0.2O4：Cr3+長余輝納米顆粒的表面缺陷，改善了其光學性質.

Yuan等［27］還通過水熱法合成了Zn2GeO4：Mn2+長余輝納米棒，通過簡單地控制水熱過程中的pH值，實現(xiàn)了Zn2GeO4：Mn2+長余輝納米棒尺寸、余輝發(fā)光強度及衰減時間的調控.隨著pH值從6增加到7.5，Zn2GeO4：Mn2+納米棒的長度從約900 nm降低到約60 nm.基于此，Tam等［46］進一步通過水熱法合成了Zn2GeO4：Cr3+近紅外長余輝納米棒，通過控制Cr3+摻雜濃度實現(xiàn)了Zn2GeO4：Cr3+長余輝納米棒的尺寸、形貌和余輝發(fā)光強度的調控.

Fig.2 TEM images(A),HRTEM images(B),size distributions(C),photoluminescence spectrum(D),and persistent luminescence decay images(E)of the Zn1+x Ga2?2x Gex O4:Cr3+nanoparticles when x increases from 0 to 0.5[9]

在以上研究基礎上，Yuan等［41］提出了基于配位化學原理的材料控制合成方法，通過在反應體系中引入具有不同配位能力的氨基配體，得到了具有不同形貌的拓撲結構Zn2GeO4：Mn2+長余輝納米材料.如圖3（A）~（E）所示，隨著反應體系中氨基配體的配位能力由弱到強，長余輝納米材料的形貌從棒狀變成啞鈴狀，最后形成了球形的花狀.這主要是由于具有不同配位能力的氨基配體抑制了所配位晶面的生長，進而影響長余輝材料的形貌.這種基于配位化學原理的材料控制合成方法為長余輝材料以及其它納米材料的控制合成提供了新思路，對拓展長余輝納米材料在生物醫(yī)學領域中的應用具有重大意義.

由于水熱法合成的長余輝納米材料的發(fā)光性能通常不如高溫固相法和溶膠-凝膠法［4］，研究人員開發(fā)了高溫煅燒后處理的策略以改善其發(fā)光性能.Su等［47］利用水熱法輔助SiO2保護的高溫煅燒處理，合成了小尺寸、發(fā)光性能優(yōu)異的ZnGa2O4：Cr3+，Sn4+近紅外長余輝納米顆粒.通過在約15 nm的小粒徑ZnGa2O4：Cr3+，Sn4+表面形成一種保護性的SiO2外殼，使得納米顆粒在高溫煅燒時被SiO2外殼隔開，保持小的顆粒尺寸.通過高溫煅燒，可以有效提高ZnGa2O4：Cr3+，Sn4+的結晶度，余輝發(fā)光性能也因此得到改善.隨后，利用堿刻蝕脫去保護性SiO2外殼，獲得具有顆粒尺寸小、高分散性及發(fā)光性能優(yōu)異的ZnGa2O4：Cr3+，Sn4+納米顆粒.類似地，Chaneac等［48］利用微波輔助的水熱法合成了約12 nm的小尺寸ZnGa2O4：Cr3+，Bi3+長余輝納米顆粒，在SiO2外殼保護下進行高溫煅燒有效提高了長余輝材料的發(fā)光性能.

除高溫煅燒外，敏化劑的引入也可以提高長余輝納米材料的發(fā)光性能.Gali等［49］通過水熱法合成了具有核殼結構的SiC@ZnGaO4：Cr3+近紅外長余輝納米顆粒，利用SiC核的敏化作用提高了余輝發(fā)光強度.作者認為SiC核和ZnGaO4：Cr3+殼層之間形成了I型異質結，促進了激子到Cr3+的傳遞，提高了SiC@ZnGaO3：Cr3+長余輝納米顆粒的余輝發(fā)光強度.

此外，化學刻蝕的方法也可用于調控長余輝納米顆粒的尺寸、水分散性及發(fā)光性能.Wang等［50］利用水熱法合成了ZnGa2O4：Cr3+近紅外長余輝納米顆粒，通過化學刻蝕法同時調控了顆粒尺寸、水分散性和發(fā)光性能.乙二胺四乙酸刻蝕作用將高溫煅燒后的團聚體分解為約10 nm的小尺寸納米顆粒，并通過配位作用吸附在納米顆粒表面，改善了納米顆粒的水分散性.同時，乙二胺四乙酸刻蝕過程中引入了氧空位，增加了納米顆粒中的陷阱密度，提高了納米顆粒的余輝發(fā)光性能.

Fig.3 The structure of the used ligand,the schematic illustration,and SEM images of Zn2GeO4:Mn2+persistent luminescence materials synthesized with pure water(A),ethylenediamine/water(B),butanediamine/water(C),diethylenetriamine/water(D),and triethylenetetramine/water(E)[41]

1.2.2 高溫熱分解法 高溫熱分解法是通過有機金屬鹽前體在高沸點有機溶劑中的受熱分解，合成納米顆粒的一種方法.該方法具有操作簡單、反應時間短及合成可控等優(yōu)點［51］.通過控制溶劑組成、材料結構、摻雜離子和溶劑組成等條件，可以實現(xiàn)長余輝納米材料粒徑和發(fā)光性能的調控［30，40，52~54］.

Yuan等［40］利用高溫熱分解法合成了ZnGa2O4：Cr3+，ZnGa2O4：Al3+，Cr3+，ZnGa2O4：Sc3+，Cr3+，ZnS：Cr3+和CaF2等多種超小尺寸（<5 nm）長余輝納米顆粒［圖4（A）~（D）］.反應過程中，有機溶劑油胺充當穩(wěn)定劑避免了納米顆粒的聚集，從而獲得尺寸均一的超?。?5 nm）長余輝納米顆粒.研究發(fā)現(xiàn)通過改變離子摻雜濃度，可以進一步調控納米顆粒的余輝發(fā)光性能.如圖4（E）所示，通過控制Al3+共摻雜濃度，實現(xiàn)了ZnGa2O4：Al3+，Cr3+持續(xù)發(fā)光強度和衰減時間的控制.

構建鈍化殼層通常能夠抑制激子在表面缺陷的非輻射躍遷，是一種改善長余輝納米材料性能的常用方法［52］.Klimov等［53］利用高溫熱分解法合成了具有核殼結構的長余輝納米晶體CuInS2@YS（Y=Zn，Cd）.YS殼層鈍化了CuInS2納米晶體的表面缺陷，抑制了表面缺陷導致的激子非輻射復合，從而提高了長余輝納米晶體的量子產率.

鑭系元素具有相同的電子構型、相近的原子（或離子）尺寸以及階梯狀的密集能級排列，通過改變基質材料中鑭系元素的摻雜種類，可以調節(jié)長余輝納米材料的發(fā)光性能.Zhang等［30］以高能帶隙、低聲子能的鑭系元素氟化物作為基質材料，利用高溫熱分解法合成了一系列X射線激發(fā)的尺寸、結構和波長可調的NaLnF4：x%M3+@NaLnF4（Ln=Y，Gd；M3+=Nd3+，Ho3+，Tm3+，Er3+）近紅外第二窗口稀土基長余輝納米材料［圖5（A）和（B）］.通過優(yōu)化離子摻雜濃度、殼層厚度和核尺寸，改善了納米材料的近紅外第二窗口余輝發(fā)光強度［圖5（C）~（E）］.他們進一步構建了六棱柱形三通道發(fā)射的多層長余輝納米顆粒，NaGdF4中間層阻止了發(fā)射中心的交叉馳豫，各發(fā)光層的余輝發(fā)光強度都大幅度提高［圖5（F）~（H）］.由于不同波長通道長余輝發(fā)光信號的比值保持相對穩(wěn)定，該多層長余輝納米顆粒被用于多路編碼和加密［圖5（I）］.

改變溶劑組成能夠影響高溫熱分解反應體系的極性，進一步調控合成的長余輝納米材料的性能.Gao等［54］通過向油酸/十八烯溶劑中引入不同體積分數(shù)的甲醇，實現(xiàn)了ZnGa2O4：Cr3+近紅外長余輝納米顆粒尺寸在4~19 nm范圍內的調控.他們認為，甲醇的引入提高了反應溶劑的極性，降低了熱分解反應的活化能，通過影響材料合成的成核率實現(xiàn)了長余輝材料尺寸的調控.同時，甲醇還能催化前體，尤其是乙酰丙酮鉻的熱分解，從而提高Cr3+在ZnGa2O4：Cr3+納米顆粒中的摻雜濃度，并進一步影響納米顆粒的余輝發(fā)光性能.

Fig.4 Schematic of the process for fabrication of the persistent luminescence nanoparticles via a thermal decom?position method(A),TEM images and size distribution of ZnGa2O4:Al3+,Cr3+(B),ZnS:Cr3+(C),CaF2(D),persistent luminescence decay images of ZnGa2O4:Cr3+(ZGO:Cr)and ZnGa2O4:Al3+,Cr3+(E)[40]

1.2.3 模板法 模板法是一種較為成熟的長余輝納米材料的合成方法.介孔二氧化硅納米球具有穩(wěn)定的介孔結構、高比表面積和良好的生物相容性，常作為合成長余輝材料的模板.利用模板法合成的長余輝納米顆?？梢员Ａ裟０宓某叽绾托蚊玻虼送ㄟ^控制模板的尺寸可以實現(xiàn)長余輝納米顆粒的尺寸調控［14，42，55~62］.

通過控制介孔二氧化硅納米球模板的尺寸可以實現(xiàn)對長余輝多孔納米球尺寸的調控.如，Zhang等［55~58］以不同尺寸的介孔二氧化硅納米球（MSN）為模板合成了一系列不同尺寸的MSN@Zn1.1Ga1.8Ge0.1O4：Cr3+，Eu3+，MSN@CaMgSi2O6，MSN@ZnGa2O4：Cr3+和MSN@CaTiO3：Pr3+長余輝多孔納米球.合成的長余輝多孔納米球具有尺寸分布范圍窄及比表面積大的特點.此外，多孔SiO2殼層表面有利于表面修飾和藥物搭載，被成功用于腫瘤靶向監(jiān)測和治療.Zhang等［59］還從模板設計的角度發(fā)展了新型長余輝納米材料.以空心介孔二氧化硅納米球（HMS）為模板合成了HMS@ZnGa2O4：Cr3+近紅外長余輝多孔納米球殼.該納米材料具有空心結構，可提供更多的藥物搭載空間，實現(xiàn)大體量藥物遞送和腫瘤成像.

介孔二氧化硅納米球模板允許多種功能材料的引入，可實現(xiàn)多種性質的集成.Wang等［60］向介孔二氧化硅納米球MSN模板中引入Gd2O3磁性材料、Ga2O3：Cr3+，Nd3+近紅外長余輝材料和放射性元素68Ga，實現(xiàn)了磁共振、長余輝和正電子發(fā)射斷層三模態(tài)成像.此外，通過在介孔二氧化硅納米球模板中搭載阿霉素，可實現(xiàn)成像引導的藥物釋放.類似地，研究者利用Gd2O3@MSN磁性介孔納米球為模板合成了Gd2O3@MSN@CaTiO3：Pr3+和Gd2O3@MSN@ZnGa2O4：Cr3+，Bi3+長余輝磁性多孔納米球，實現(xiàn)了多模式成像和藥物遞送［61，62］.

通過改變主體材料的離子摻雜種類，可以實現(xiàn)長余輝納米材料發(fā)光性能的調控.Han等［63］利用介孔二氧化硅納米球MSN模板法合成了一系列具有均勻粒徑和高強度發(fā)光性能的多色長余輝納米顆粒.通過在MSN@CdSiO3基質材料中摻雜In3+實現(xiàn)了高強度藍色長余輝發(fā)光.進一步通過Mn2+/Tb3+/Dy3+共摻雜調控了長余輝納米顆粒的發(fā)射波長.

介孔二氧化硅納米球模板僅在合成過程中充當模板，可以通過后續(xù)處理刻蝕，實現(xiàn)對長余輝納米材料形貌的調控.Lv等［64］利用介孔二氧化硅納米球MSN模板法合成了MSN@Zn1.07Ga2.34Si0.98O6.56：Cr3+長余輝納米球，而后利用堿刻蝕二氧化硅，獲得了樹莓形貌的Zn1.07Ga2.34Si0.98O6.56：Cr3+長余輝納米顆粒.由于二氧化硅被堿刻蝕時引入了氧空位，Zn1.07Ga2.34Si0.98O6.56：Cr3+納米樹莓中深阱含量增加導致其余輝發(fā)光性能加強.他們還通過控制介孔二氧化硅納米球MSN模板的尺寸和孔徑，調控了Zn1.07Ga2.34Si0.98O6.56：Cr3+納米樹莓的尺寸和孔徑.

Fig.5 Schematic of X?ray?activated persistent luminescence generated in lanthanide?doped persistent lumi?nescence nanoparticles(PLNPs)(A),persistent luminescence decay curves of typical lanthanide?doped PLNPs(B),influence of activator concentration(C),shell thickness(D),core diameter(E)on the NIR?II persistent luminescence intensity of Er?doped PLNPs,schematic of Ln?doped PLNPs with multilay?ered(top)and co?doped(bottom)configurations(CR refers to cross?relaxation)(F),high?angle annular dark?field?scanning transmission electron microscopy(G)and NIR?II persistent luminescence images after X?ray irradiation ceases(H)of the multilayered Er/Nd/Ho?doped PLNPs,persistent lumines?cence coding by different multilayered PLNPs,NIR?II persistent luminescence images were acquired in all three(Nd3+,Ho3+and Er3+)channels covered with mimic tissue(1%Intralipid)over time(I)[30]

除介孔二氧化硅納米球模板外，科研人員還發(fā)展了非介孔二氧化硅納米球模板和碳納米球模板.Yang等［42］以二氧化硅納米球為模板合成了SiO2@ZnGa2O4：Cr3+長余輝多孔納米球，并在其表面生長二氧化硅殼層，得到奇異果形貌的SiO2@ZnGa2O4：Cr3+@SiO2近紅外長余輝納米顆粒.該結構使得納米顆粒能耐高溫，允許其通過高溫煅燒增加晶格固有缺陷，提高了SiO2@ZnGa2O4：Cr3+@SiO2納米顆粒的余輝發(fā)光性能.通過控制模板尺寸和二氧化硅殼層厚度，還可以調控納米顆粒的尺寸.

Zhang等［14］利用模板法在碳納米球模板表面生長了ZnGa2O4：Cr3+近紅外長余輝材料，并通過高溫煅燒去除碳納米球，合成了ZnGa2O4：Cr3+近紅外長余輝空心球［圖6（A）］.如圖6（B）~（J）所示，通過簡單地改變碳納米球的尺寸，能夠實現(xiàn)ZnGa2O4：Cr3+長余輝空心球尺寸在50~250 nm的調控.

Fig.6 Schematic of the process for fabrication of hollow ZnGa2O4:Cr3+persistent luminescence nanoparticles(PLNPs)(A),TEM images of the original carbon spheres(B),carbon spheres labeled by precursor ions(C),the hollow PLNPs(D)corresponding to the PLNPs with a size of ca.50 nm,TEM images of the original carbon spheres(E),carbon spheres labeled by precursor ions(F),the hollow PLNPs(G)corresponding to the PLNPs with a size of ca.100 nm,TEM images of the original carbon spheres(H),carbon spheres la?beled by precursor ions(I),the hollow PLNPs(J)corresponding to the PLNPs with a size of ca.250 nm[14]

1.2.4 其它方法 燃燒法是一種常見的長余輝材料合成方法.利用氧化劑前體和還原劑混合物在高溫無氧條件下的自燃反應，合成長余輝納米顆粒.通過改變還原劑種類、濃度和反應溫度可實現(xiàn)納米顆粒的尺寸、結晶度和發(fā)光性能的調控.如，Rashad等［65］利用尿素燃燒法合成了SrMgSi2O7：Eu2+，R3+（R3+=Er3+，Tm3+，Tb3+）長余輝納米顆粒，通過改變摻雜元素種類實現(xiàn)了納米顆粒發(fā)光性能的調控.Lei等［66］利用三乙醇胺燃燒法合成了SrAl2O4：Eu2+，Dy3+長余輝納米材料，通過控制煅燒溫度，實現(xiàn)了納米材料晶型和形貌的調控.

共沉淀法也常被用于長余輝材料的合成.該方法通過加入適當?shù)某恋韯?，將金屬可溶鹽前體混合沉淀，再通過高溫煅燒合成長余輝納米顆粒.Liu等［52］通過共沉淀法合成了一系列稀土摻雜的NaLuF4納米顆粒，制備了可以被X射線激發(fā)的具有核殼結構的NaLuF4：Tb3+@NaYF4長余輝納米晶體.如圖7（A）所示，所合成的NaLuF4：Tb3+@NaYF4長余輝納米顆粒呈六角形，平均尺寸為27 nm.由于NaYF4惰性殼層可有效緩解納米晶體表面X射線能量的淬滅，導致NaLuF4：Tb3+@NaYF4長余輝納米晶體的余輝壽命增長.如圖7（B）~（E）所示，NaLuF4：Tb3+@NaYF4長余輝納米晶體具有超過30 d的超長衰減時間.作者進一步通過改變離子摻雜種類，實現(xiàn)了對材料發(fā)光波長的調控［圖7（E）和（F）］.

Fig.7 Schematic and TEM image of NaLuF4:Tb3+@NaYF4 nanocrystals(A),phosphorescence spectra of the NaLuF4:Tb3+@NaYF4 nanocrystals,recorded after cessation of X?rays(50 kV)for 0.5—168 h or 30 days(B),phosphorescence decay curve of NaLuF4:Tb3+and NaLuF4:Tb3+@NaYF4 nanocrystals,monitored at 546 nm after X?rays(50 kV)cessation(C),comparison of phosphorescence decay profiles of various phos?phors after cessation of X?ray(50 kV)excitation(NPs refer to nanoparticles)(D),persistent luminescence photographs of NaLuF4:Tb3+@NaYF4 nanocrystals dispersed in 1 mL cyclohexane,and X?ray was set at a voltage of 70 kV with a tube current of 1 mA(E),phosphorescence decay of NaLuF4 nanocrystals doped with various activators(Nd3+,Tm3+,Dy3+,Tb3+,Er3+,Ho3+,Sm3+and Pr3+)(a.u.refers to arbitrary units)(F)[52]

Hreniak等［67］利 用 共 沉 淀 法 合 成 了Y3Al2Ga3O12：Ce3+，Y3Al2Ga3O12：Cr3+，Y3Al2Ga3O12：Pr3+和Y3Al2Ga3O12：Ce3+，Cr3+，Pr3+等多種長余輝納米顆粒，通過控制煅燒溫度和離子摻雜濃度調控了長余輝納米顆粒的余輝強度和衰減時間.Capobianco等［68］利用共沉淀法合成了NaPr0.2Lu0.8F4長余輝納米顆粒，通過控制陳化溫度和升溫速率，實現(xiàn)了對長余輝納米顆粒尺寸的調控.

生物礦化法是一種新型的長余輝材料合成方法，具有規(guī)模化生產的應用價值.該方法利用微生物還原可溶鹽前體，并將其沉淀為所需的難溶礦物相納米顆粒.Phelps等［69］利用嗜熱厭氧桿菌介導的礦化過程合成了公斤級的ZnGa2O4：x%Mn+（Mn+=Cr3+，Eu3+，Mn2+，Co2+）長余輝納米顆粒，并通過改變摻雜濃度實現(xiàn)了納米顆粒余輝發(fā)光性能的調控.

微波加熱方法具有合成速度快、加熱均勻及反應時間短等優(yōu)點，被廣泛用于多種材料的合成.Amini等［70］利用微波加熱法在5 min內合成了SrAl2O4：Eu2+，Dy3+長余輝材料，并通過控制后續(xù)煅燒時間實現(xiàn)了長余輝材料余輝發(fā)光性能的調控.

Mao等［71］通過水-甲苯雙相水熱法合成了可在有機溶劑中完全分散的粒徑小于10 nm的ZnGa2O4：Cr3+納米顆粒，通過調控反應過程中油酸配體的比例可實現(xiàn)ZnGa2O4：Cr3+納米顆粒粒徑的調控.由于表面油酸配體的存在，納米顆粒能夠分散在有機溶劑中.

2 長余輝材料在疾病診斷中的應用

疾病診斷有利于疾病早發(fā)現(xiàn)早治療，對疾病的針對性治療具有重要指導意義.疾病診斷的方式可分為體外診斷和體內診斷.體外診斷指的是通過檢測疾病相關生物標志物在血清或其它生物體液中的含量，從而判斷疾病是否發(fā)生的方法.體內診斷主要是指通過生物體內成像進行診斷的方法.長余輝材料能夠消除生物組織自發(fā)熒光干擾，提高生物標志物檢測和生物成像的信噪比和靈敏度，確保疾病診斷的準確度.通過對長余輝材料表面進行靶向修飾，可實現(xiàn)對疾病相關的生物標志物，如細菌、抗原、蛋白質、miRNA和生物小分子等物質以及對各種腫瘤細胞的體內外檢測及成像，從而實現(xiàn)準確快捷的疾病診斷.

2.1 體外診斷

體外診斷能夠實現(xiàn)疾病篩查、個體化醫(yī)療、預后評估以及治療的持續(xù)監(jiān)測等，是保證人類健康的醫(yī)療體系中不可或缺的一環(huán).長余輝納米顆粒能夠消除組織自發(fā)熒光干擾，有望實現(xiàn)高靈敏度和低檢測限的疾病生物標志物的檢測，進而實現(xiàn)體外疾病診斷.

2.1.1 細菌檢測 尿路感染是病原性細菌入侵尿道引起的炎癥，是最常見的感染疾病之一.尿路感染可能導致腎盂腎炎、膿毒癥、早產甚至死亡.由于尿路感染的復發(fā)率非常高，患者需要定期檢查是否復發(fā).因此，發(fā)展一種便攜式的檢測設備實現(xiàn)尿液中細菌的即時檢測對降低尿路感染患者去醫(yī)院檢查尿液細菌的經濟和時間成本具有重要意義.Yuan等［25］基于ZnGe2O4：Mn2+長余輝免疫發(fā)光納米探針，利用機器視覺算法進行定量計算，開發(fā)了一種現(xiàn)場檢測尿液中細菌的尿檢平臺，實現(xiàn)了對人類尿液中細菌病原體的即時定量檢測［圖8（A）和（B）］.如圖8（C）和（D）所示，當?shù)渭雍写竽c桿菌或金葡萄球菌的樣本時，光子晶體點發(fā)出明亮的綠光，而不含有細菌的光子晶體點則沒有明顯的發(fā)光.這種發(fā)光差異用肉眼即可觀察到，且這種發(fā)光的差異足夠作為判斷檢測結果的標準.與現(xiàn)有各種尿檢方法相比，該工作無需昂貴的設備和專業(yè)操作就能實現(xiàn)尿液中細菌含量的定量檢測.整套系統(tǒng)體積非常小、攜帶輕便，在1 h內即可報告最低103CFU/mL的細菌檢出濃度.此外，該尿檢平臺還能與智能手機、智能手表等聯(lián)用，為患者提供數(shù)字化的診斷信息.

Fig.8 Schematic illustration of process of immunoluminescence assay supported by photonic crystal?based bio?chips(A),workflow of immunoluminescence image analysis by Python algorithm(B),raw images of PC dots,where positive samples and negative samples were dropped on the biochip when detecting E.coli and S.aureus(C),recognition results of photonic crystal dots by image algorithm(D)[25]

2.1.2 抗原檢測 抗原檢測多用于疾病早期篩查，具有操作簡便、快速出結果及成本低等特點.

前列腺特異性抗原（PSA）是前列腺上皮細胞分泌的腫瘤標志物，其在血清中的含量能有效反映前列腺癌的發(fā)生.Yan等［16］基于熒光共振能量轉移原理，利用Ca1.86Mg0.14ZnSi2O7：Eu2+，Dy3+長余輝納米顆粒，實現(xiàn)了前列腺癌生物標志物前列腺特異性抗原PSA的檢測.他們在長余輝納米顆粒和羅丹明B上分別修飾了PS6和8A6兩種PSA抗體，羅丹明B可以通過PSA介導的熒光共振能量轉移過程猝滅長余輝納米顆粒的余輝發(fā)光，從而實現(xiàn)對PSA的檢測.該檢測方法對前列腺特異性抗原的檢出限為0.09 ng/mL，在前列腺癌的臨床診斷中具有應用價值.

類似地，Zhao等［72］基于熒光共振能量轉移原理，利用ZnGa2O4：Mo2+長余輝納米棒實現(xiàn)了前列腺特異性抗原的檢測.他們在長余輝納米棒及Au@Ag@SiO2納米顆粒上分別修飾前列腺特異性抗原的核酸適配體及其互補鏈.Au@Ag@SiO2納米顆粒表面的銀納米顆?？梢酝ㄟ^FRET機制猝滅ZnGa2O4：Mo2+長余輝納米棒的余輝.在前列腺特異性抗原存在的條件下，ZnGa2O4：Mo2+長余輝納米棒與Au@Ag@SiO2猝滅劑脫離，實現(xiàn)余輝的恢復.該檢測方法可以實現(xiàn)對10 pg/mL~10 ng/mL濃度范圍內前列腺特異性抗原的定量檢測，降低了檢測限.

癌胚抗原（CEA）是結直腸癌早期診斷的腫瘤標志物，其它癌癥如乳腺癌和肺癌也會導致血清中CEA含量的升高，因此CEA水平的精確檢測在惡性腫瘤診斷中具有重要研究價值.Yu等［73］利用Zn2GeO4：Sr2+長余輝納米棒構建了余輝發(fā)光納米探針，通過癌胚抗原響應的余輝發(fā)光，實現(xiàn)了對結直腸癌生物標志物癌胚抗原的檢測.該納米探針由表面修飾癌胚抗原核酸適配體的Zn2GeO4：Sr2+長余輝納米顆粒與表面修飾聚多巴胺的ZnGa2O4：Cr3+（ZnGa2O4：Cr3+@PDA）構成，二者通過π?π作用結合.基于熒光共振能量轉移以及光誘導電子轉移機制，Zn2GeO4：Sr2+余輝發(fā)光被猝滅.在癌胚抗原存在的條件下，Zn2GeO4：Sr2+與ZnGa2O4：Cr3+@PDA脫離導致余輝恢復.該納米探針對癌胚抗原的檢出限為0.46 pg/mL，實現(xiàn)了對癌胚抗原腫瘤標志物的精確檢測，在結腸癌和直腸癌的診斷領域具有重要應用價值.

2.1.3 蛋白質檢測 蛋白質是生命活動的主要承擔者，也是多種疾病的生物標志物.

溶菌酶是一種單鏈蛋白，廣泛存在于人體組織和分泌物中.由于白血病和腦膜炎患者的尿液和血清樣本中溶菌酶濃度存在異常的增長，所以檢測溶菌酶有助于對白血病和腦膜炎的診斷.Yuan等［27］制備了核酸適配體介導的Zn2GeO4：Mn2+長余輝納米棒探針，用于癌癥病人血清溶菌酶的檢測.該探針具有余輝時間長、余輝強度高等特點，能夠有效避免血清自發(fā)熒光的干擾，具有極高的準確性.實驗檢測結果與臨床ELASA的檢測結果一致.這一研究工作不僅能為基礎科學研究者提供研究光學性質與量子限域效應的平臺，還為疾病診斷和生物體內分子成像提供了新的手段.

甲胎蛋白是肝癌的生物標志物之一，對甲胎蛋白的高靈敏度檢測對肝癌疾病的診斷具有重要意義.Yan等［17］基于熒光共振能量轉移原理，利用聚乙烯亞胺修飾的Ca1.86Mg0.14ZnSi2O7：Eu2+，Dy3+長余輝納米顆粒實現(xiàn)了對肝癌生物標志物甲胎蛋白的檢測.他們在金納米顆粒猝滅劑的表面修飾甲胎蛋白抗體，由于甲胎蛋白抗體與聚乙烯亞胺的相互作用，金納米顆粒在長余輝納米顆粒表面聚集并通過熒光共振能量轉移機制猝滅長余輝納米顆粒的余輝.在甲胎蛋白存在的條件下，金納米顆粒從長余輝納米顆粒表面脫離導致余輝恢復.

成纖維細胞活化蛋白α是一種細胞表面糖蛋白，超過90%的人類上皮性癌癥（包括乳腺癌、卵巢癌、膀胱癌、結直腸癌和肺癌等）會導致成纖維細胞活化蛋白α在間質成纖維細胞的表達.Wang等［74］基于成纖維細胞活化蛋白α的酶促反應，利用ZnGa2O4：Cr3+長余輝納米顆粒余輝發(fā)光的猝滅和恢復，實現(xiàn)了對癌相關成纖維細胞的生物標志物成纖維細胞活化蛋白α的檢測.他們在長余輝納米顆粒表面修飾了Cy5.5-KGPNQC-SH多肽序列，通過熒光共振能量轉移機制使長余輝納米顆粒的余輝猝滅.由于成纖維細胞活化蛋白α能夠切斷Cy5.5-KGPNQC-SH，長余輝納米顆粒余輝在成纖維細胞活化蛋白α存在的條件下得到恢復.

血清中胰島素水平的降低標志著糖尿病的發(fā)生，通過對血清中胰島素水平的檢測可以實現(xiàn)糖尿病的早期診斷.Yan等［75］開發(fā)了基于金納米顆粒和ZnGa2O4：Cr3+長余輝納米顆粒的檢測平臺，利用熒光共振能量轉移（FRET）機制實現(xiàn)了對糖尿病生物標志物胰島素的檢測.他們在長余輝納米顆粒和金納米顆粒表面分別修飾胰島素的核酸適配體及其互補鏈.由于FRET機制，金納米顆?？梢杂行р玳L余輝納米顆粒的發(fā)光.在糖尿病生物標志物胰島素存在的條件下，長余輝納米顆粒與金納米顆粒猝滅劑脫離，余輝恢復.該檢測平臺對胰島素的檢出限為2.06 pmol/L.

許多疾病的生物標志物都是蛋白質，因此開發(fā)一種通用的蛋白質檢測系統(tǒng)對疾病診斷具有重要意義.Liao等［76］利用Zn2SiO4：Eu3+和Mg2TiO4：Mn4+長余輝納米材料，開發(fā)了側流免疫層析檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了人免疫球蛋白G的裸眼檢測.通過更換抗體的種類，該方法還有望用于新冠病毒COVID-19患病者的快速診斷.在檢測系統(tǒng)中，待測樣中的人免疫球蛋白G依次與人免疫球蛋白G的羊抗體修飾的長余輝納米材料發(fā)光標記物以及固定在檢測線處人免疫球蛋白G的兔抗體結合，實現(xiàn)人免疫球蛋白G的發(fā)光標記與捕獲.剩余的發(fā)光標記物則被固定在對照線的人免疫球蛋白G捕獲.通過裸眼對比檢測線與對照線的發(fā)光強度，即可實現(xiàn)人免疫球蛋白G的檢測.該檢測系統(tǒng)的可移植性好，通過改變抗體種類可以實現(xiàn)其它疾病相關的蛋白質檢測，因此可用于多種疾病的診斷.

2.1.4 miRNA檢測 miRNA是基因表達和蛋白翻譯過程中的調節(jié)分子，在腫瘤發(fā)生發(fā)展過程中起到調控的樞紐作用，因此，檢測miRNA對癌癥早期診斷具有重要意義.基于熒光共振能量轉移原理，Yuan等［8］利用光子晶體輔助的Zn2GeO4：Mn2+長余輝納米顆粒，建立了具有強發(fā)光信號和超低背景熒光干擾的光學生物芯片，實現(xiàn)了尿液中與膀胱癌相關的miRNA-21的檢測（圖9）.該檢測方法利用光子晶體增強了余輝發(fā)光信號，有效避免了尿液中生物組織自發(fā)熒光的背景干擾.該方法對miRNA-21的檢出限低至26.3 fmol/L，為非侵入性診斷提供了新策略.

Fig.9 Schematic illustration of biodetection of bladder cancer related miRNA by the developed biochip[8]

類似地，Ju等［28］基于熒光共振能量轉移原理，利用核酸適配體介導的Sr1.6Mg0.3Zn1.1Si2O7：Eu2+，Dy3+長余輝納米顆粒實現(xiàn)了對癌癥相關miRNA和癌癥發(fā)生和生長相關的重要蛋白質血小板源性生長因子的檢測.

2.1.5 生物小分子檢測 生物小分子在生物體內廣泛存在，許多生物小分子在人體生理活動中起著重要作用，其水平的異常改變標志著疾病的發(fā)生.Yan等［29］利用pH響應的ZnGa2O4：Mn2+，Pr3+長余輝納米顆粒，實現(xiàn)了血清中葡萄糖含量的測定.如圖10（A）所示，在葡萄糖氧化酶（GOD）存在的條件下，血清中的葡萄糖被氧化為葡萄糖酸.隨著葡萄糖酸含量的增加，溶液pH值變小，具有pH響應的ZnGa2O4：Mn2+，Pr3+長余輝納米顆粒的余輝發(fā)生猝滅，進而實現(xiàn)葡萄糖的定量檢測.利用該方法可實現(xiàn)葡萄糖的高靈敏度監(jiān)測，檢測限為0.2μg/L［圖10（B）］.作者進一步通過酶聯(lián)免疫吸附測定法將小分子抗體的識別過程與ZnGa2O4：Mn2+，Pr3+長余輝納米顆粒的猝滅過程偶聯(lián)，實現(xiàn)了各種小分子抗體的檢測，對小分子抗體相關的疾病診斷具有重要價值.如圖10（C）所示，通過酶聯(lián)免疫吸附測定法，實現(xiàn)了對黃曲霉素B1（AFB1）的測定.在不存在AFB1的條件下，AFB1與葡萄糖氧化酶偶聯(lián)物（GOD-AFB1）被預先固定在96孔板上的抗體捕獲，導致葡萄糖催化氧化為葡萄糖酸，使得溶液pH值降低，實現(xiàn)了長余輝納米顆粒余輝的猝滅.利用該方法可實現(xiàn)AFB1的高靈敏度監(jiān)測，檢出限為0.037μg/L［圖10（D）］.

Fig.10 Schematic of the luminescent biodetector for the determination of glucose based on pH?responsive per?sistent luminescence of ZnGa2O4:Mn2+,Pr3+(A),plot of the decreased PL intensity of ZGMP at 535 nm against lg[glucose](B),schematic illustration of the competitive enzyme?linked immunosorbent assay for AFB1 determination based on GOD?catalyzed glucose oxidation and pH?responsive persistent lumines?cence of ZGMP(C),plot of the decreased PL intensity of ZGMP at 535 nm against lg[AFB1](D)[29]

生物硫醇水平的變化與白血球丟失、牛皮癬、肝損傷、癌癥和艾滋病等疾病直接相關.Lv等［18］基于光誘導電子轉移原理，利用石墨相氮化碳（g-C3N4）長余輝納米材料，實現(xiàn)了對生物硫醇的檢測.Ag+由于配位作用吸附在石墨相氮化碳中，并通過光誘導電子轉移機制有效猝滅石墨相氮化碳長余輝納米材料的余輝發(fā)光.在生物硫醇存在的條件下，Ag+通過與生物硫醇的強配位作用脫離石墨相氮化碳，導致余輝發(fā)光的恢復.該方法對生物硫醇半胱氨酸、同型半胱氨酸和谷胱甘肽的檢出限分別為6.4，8.1和9.6 nmol/L.

Tang等［77］和Yuan等［44］基于MnO2和生物硫醇谷胱甘肽的特異性反應，分別開發(fā)了MnO2修飾的Sr2MgSi2O7：Eu2+，Dy3+和Zn3Ga2GeO8：Cr3+長余輝納米顆粒，實現(xiàn)了谷胱甘肽的定量檢測.他們在長余輝納米顆粒表面修飾了MnO2，基于熒光共振能量轉移原理MnO2猝滅了長余輝納米顆粒的余輝.由于MnO2會被體內環(huán)境中的谷胱甘肽還原，在谷胱甘肽存在的條件下，由于MnO2被還原致使長余輝納米顆粒的余輝恢復，由此實現(xiàn)谷胱甘肽水平的檢測.

2.2 體內診斷

體內診斷可以輔助疾病治療和療效評估，在現(xiàn)代生物醫(yī)學中具有重要地位.長余輝納米顆粒能夠避免組織自發(fā)熒光干擾，為疾病診斷提供了一種非侵入性的高信噪比成像方法.Yuan等［9］利用核酸適配體靶向修飾的Zn1.2Ga1.6Ge0.2O4：Cr3+長余輝納米顆粒構建長余輝生物探針，實現(xiàn)了活體乳腺癌細胞的高信噪比體內外成像［圖11（A）］.如圖11（B）所示，核酸適配體修飾的Zn1.2Ga1.6Ge0.2O4：Cr3+長余輝納米顆粒對4T1小鼠乳腺癌細胞具有很好的靶向識別作用.在乳腺癌小鼠模型的體內實驗中，該長余輝生物探針在腫瘤部位特異性積累，實現(xiàn)了乳腺腫瘤體內無組織自發(fā)熒光干擾的靶向成像［圖11（C）］.

近紅外光是波長在780~2500 nm范圍內的光，具有更弱的組織吸收、散射、發(fā)射和自發(fā)熒光，因此有利于提高組織的穿透能力.發(fā)展近紅外長余輝納米探針有助于實現(xiàn)高信噪比和高靈敏度的深組織生物成像.Yan等［78］利用修飾2，3-二甲基順丁烯二酸酐的雙發(fā)射ZnGa2O4：Cr3+近紅外長余輝納米顆粒，實現(xiàn)了體內人腦星形膠質母細胞瘤的靶向成像.2，3-二甲基順丁烯二酸酐在腫瘤細胞的酸性微環(huán)境中分解，分解后長余輝納米顆粒的ζ電勢由（?11.60±5.88）mV變?yōu)椋?.02±4.35）mV.這種腫瘤環(huán)境酸性響應探針設計可實現(xiàn)人腦星形膠質母細胞瘤的靶向聚集.此外，該ZnGa2O4：Cr3+長余輝納米顆粒能在體內被LED燈反復激發(fā)，且在508和714 nm處的發(fā)光強度比始終恒定，實現(xiàn)多次比率發(fā)光成像，確保了人腦星形膠質母細胞瘤成像的長期準確性.Yan等［31］還利用人腦星形膠質母細胞瘤靶向基團細胞黏附序列修飾的ZnGa2O4：Cr3+，Pr3+近紅外長余輝納米顆粒，實現(xiàn)了高信噪比體內人腦星形膠質母細胞瘤成像.ZnGa2O4：Cr3+，Pr3+長余輝納米顆粒具有高強度的近紅外余輝發(fā)光和超長的余輝壽命，在小鼠體內U87MG人腦星形膠質母細胞瘤成像實驗中表現(xiàn)出無組織自發(fā)熒光干擾的高信噪比靶向成像能力.

Yang等［79］將4-羧基苯硼酸靶向修飾的Zn1.1Ga1.8Ge0.1O4：Eu0.009，Cr0.09近紅外長余輝納米顆粒封裝在海藻酸水凝膠中，實現(xiàn)了對乳腺癌小鼠模型轉移性乳腺癌細胞的監(jiān)測.4-羧基苯硼酸修飾有助于納米顆粒靶向識別轉移性乳腺癌細胞，并通過受體調節(jié)的胞吞作用特異性標記轉移性乳腺癌細胞.水凝膠的形成不僅通過抑制非輻射躍遷增強了長余輝納米顆粒的發(fā)光強度，還可以通過長余輝納米顆粒的持續(xù)性釋放實現(xiàn)長時間腫瘤標記與腫瘤轉移的追蹤.

Zhang等［30］利用X射線激發(fā)的NaYF4：3%Er3+@NaYF4近紅外二區(qū)長余輝納米顆粒，實現(xiàn)了高信噪比體內血管成像和腫瘤成像.如圖12（A）和（B）所示，向小鼠腹靜脈注射了X射線預先激發(fā)的長余輝納米顆粒，實現(xiàn)了腹部靜脈毛細血管的熒光成像和高信噪比近紅外二區(qū)長余輝成像.如圖12（C）~（E）所示，在小鼠體內4T1腫瘤成像實驗中，腫瘤組織與正常組織的長余輝成像信號比高達40.9，遠高于熒光成像.因此，該長余輝納米探針可用于協(xié)助指導腫瘤組織的精準切除.

Fig.11 Schematic illustration of construction of aptamer labeled Zn1.2Ga1.6Ge0.2O4:Cr3+probe for target recog?nition of cancer cells(A),confocal microscopy images of 4T1 cells incubated with aptamer labeled Zn1.2Ga1.6Ge0.2O4:Cr3+nanoparticles(B),in vivo and in vitro luminescent images of 4T1 tumor?bearing mice after intravenous injection of aptamer labeled Zn1.2Ga1.6Ge0.2O4:Cr3+nanoparticles(C)[9]

長余輝納米顆粒不僅可以通過成像指導腫瘤的切除，還能通過將生物成像和疾病治療相結合，實現(xiàn)診療一體化.Li等［80］合成了具有超長壽命的ZnGa2O4：Cr3+，Nd3+近紅外長余輝納米顆粒，實現(xiàn)了體內小鼠乳腺癌轉移的診療一體化［圖13（A）］.如圖13（B）所示，在小鼠右側乳腺脂肪墊植入ZnGa2O4：Cr3+，Nd3+長余輝納米顆粒和熒光霉素標記的小鼠乳腺癌細胞，通過收集ZnGa2O4：Cr3+，Nd3+長余輝納米顆粒的余輝發(fā)光信號有效降低了背景熒光干擾，實現(xiàn)了實時監(jiān)測4T1小鼠乳腺癌細胞沿淋巴管轉移的全過程.通過該成像方法，結合X射線放射性療法成功抑制了腫瘤轉移，實現(xiàn)了體內小鼠乳腺癌轉移的診療一體化.

Fig.12 Schematic illustration of process of NIR?II persistent luminescence imaging of blood vessels(A),NIR?II persistent luminescence(top)and NIR?II fluorescence(bottom)images of blood vessels in a living mouse after intravenous injection of NaYF4:3%Er3+@NaYF4 at 10 s postinjection(B),NIR?II persistent lumines?cence(top)and NIR?II fluorescence(bottom)images of tumors on living mice after multiple injections of NaYF4:3%Er3+@NaYF4(scale bar:1 cm)(C),tumor?to?normal tissue ratios of the tumors shown in(C),and the black dashed line demarcates the Rose criterion(D),the haematoxylin and eosin staining results of the removed tumor(scale bar:400μm)(E)[30]

Fig.13 Schematic illustration of in vivo tracking of breast cancer cells and radiotherapy to inhibit tumor metas?tasis by ZnGa2O4:Cr3+,Nd3+nanoparticles(A),in vivo persistent luminescence and bioluminescence images of nude mice at different time points after the transplantation of ZnGa2O4:Cr3+,Nd3+nanoparticles and lu?ciferase labeled breast cancer cells and the lymph nodes being highlighted by red circles(B)[80]

Yan等［81］基于可在體內反復激發(fā)的Zn1.25Ga1.5Ge0.25O4：0.5%Cr3+，2.5%Yb3+，0.25%Er3+長余輝納米顆粒，構建了診療一體多功能納米平臺.該多功能納米平臺由硅酞菁修飾的長余輝納米顆粒核、搭載阿霉素的多孔二氧化硅中間層以及4T1小鼠乳腺癌細胞膜囊泡包裹層組成.在808 nm近紅外光激發(fā)下，長余輝納米顆粒持續(xù)性發(fā)射近紅外光信號，實現(xiàn)了無組織自發(fā)熒光干擾的腫瘤成像.此外，余輝發(fā)光進一步激發(fā)硅酞菁產生了單線態(tài)氧.單線態(tài)氧能夠破壞小鼠乳腺癌細胞膜囊泡包裹層，從而實現(xiàn)抗癌藥物阿霉素的釋放和腫瘤的光動力治療.該納米平臺具有4T1小鼠乳腺癌細胞靶向追蹤能力，可實現(xiàn)腫瘤轉移的監(jiān)測和化學光動力治療.

Zhang等［55］在SiO2@Zn1.1Ga1.8Ge0.1O4：0.5%Cr3+，0.5%Eu3+介孔近紅外長余輝納米顆粒表面修飾腫瘤靶向基團葉酸，并在其孔道內搭載阿霉素，構建了診療一體的納米探針.HepG2人肝癌細胞表面存在大量葉酸受體，因此該納米探針能夠靶向識別HepG2人肝癌細胞，實現(xiàn)無組織自發(fā)熒光干擾的靶向成像.同時，納米探針在50 h內釋放了占總搭載量約94%的阿霉素，表現(xiàn)出良好的抗癌藥物阿霉素釋放能力.該納米探針具有強靶向能力，可實現(xiàn)人肝癌細胞靶向體內成像和藥物釋放.

Yang等［32］基于ZnGa2O4：Cr3+近紅外長余輝納米顆粒合成了長余輝金屬有機框架，通過抗癌藥物阿霉素的搭載，實現(xiàn)了抗癌藥物釋放和腫瘤位點激活成像的一體化.該長余輝金屬有機框架在腫瘤酸性微環(huán)境中分解，并產生裸露的ZnGa2O4：Cr3+近紅外長余輝納米顆粒，導致在腫瘤位點的發(fā)光強度提高和藥物釋放.在4T1小鼠乳腺癌細胞的體內外實驗中，該長余輝金屬有機框架表現(xiàn)出基于藥物釋放的抗癌能力和腫瘤位點激活成像能力.

Wang等［82］利用可在體內反復激發(fā)的Zn1.25Ga1.5Ge0.25O4：Cr3+，Yb3+，Er3+長余輝納米顆粒構建納米診療一體化平臺，實現(xiàn)了長循環(huán)時間的體內成像和抗腫瘤藥物釋放.通過在長余輝納米顆粒表面生長多孔二氧化硅中間層，可實現(xiàn)抗癌藥物阿霉素的搭載.通過在納米材料外層包裹紅細胞膜，可有效避免巨噬細胞攝取和肝臟、脾臟的清除，延長探針循環(huán)時間.小鼠體內4T1乳腺癌細胞腫瘤體內成像實驗結果表明，該納米平臺可實現(xiàn)48 h的長時間靶向成像和基于成像引導的阿霉素釋放.

3 總結與展望

盡管關于長余輝納米材料的控制合成和生物醫(yī)學應用研究領域已經取得了諸多進展，但仍有許多工作有待完成.首先，目前合成的長余輝納米材料的生物相容性還不理想，在用于體內靶向成像時容易被肝臟或者脾臟清除，降低了其利用率和成像的靈敏度.因此，開發(fā)新型合成方法和性能調控方法，實現(xiàn)對長余輝納米材料尺寸、分散性和余輝發(fā)光強度的同時調控具有重要意義.其次，長余輝材料在疾病診斷中的應用在很大程度上仍然局限于腫瘤診斷，將長余輝納米材料拓展到更多疾病如骨科疾病的應用仍有待發(fā)展.長余輝成像只能提供平面信息，缺乏獲取生物組織空間分布信息、解剖信息和生理信息的能力.控制合成具有其它特殊性能如磁性、光熱響應性的長余輝納米材料，能夠實現(xiàn)多模態(tài)成像，為疾病的準確診斷和后續(xù)治療提供幫助.