持续发光是一种光学现象，指发光材料在激发结束后仍能持续发出光亮，这种过程可以持续几分钟甚至几小时。近年来，人们开始探索纳米级持久发光荧光粉的应用，这种小型化的荧光粉能够延迟发光，并且在光学数据存储、医学成像、生物应用等领域都具有广泛应用前景。相对于传统的有机染料和量子点，持久性发光荧光粉无需原位激发即可持续发光，因此可以消除自发荧光背景噪声，提高生物成像的检测灵敏度和图像分辨率。此外，将荧光粉缩小到纳米级并适当进行表面官能化，可以提高荧光粉的胶体稳定性和生物相容性，增强细胞靶向效应，并扩大生物应用的机会。更重要的是，纳米级的持续发光材料具有吸引力，因为在光学窗口中光衰减和散射较小，这使得近红外持续发光纳米材料在深层组织成像方面具有广泛应用前景。

新加坡国立大学刘小钢教授联合浙江工业大学潘再法副教授概述了持久性发光纳米材料中陷阱操纵的各种策略。作者特别重点介绍了设计和制备近红外范围内可调持续发光的纳米材料的关键示例。在接下来的章节中，作者介绍这些纳米材料在生物应用中的最新进展和趋势。此外，他们还评估了这些材料与用于生物应用的传统发光材料相比的优缺点、未来的研究方向和挑战，例如单粒子亮度不足，以及可能的解决方案。相关成果以“Controlling persistent luminescence in nanocrystalline phosphors”为题发表在《Nature Materials》上。

持久性发光荧光粉的捕集操作

内在晶格点缺陷被广泛认为是负责电荷载流子捕获的，并且多种类型的缺陷通常在荧光粉中共存（图1a）。如在材料合成过程中，阳离子和阴离子空位可以以化学计量比同时产生，以保持电荷中性。除了在合成过程中形成的陷阱外，用外来离子进行掺杂是一种引入陷阱的实用方法，可以极大地影响持久的发光。已经探索了许多策略来操纵晶格缺陷，包括异价取代（图1b）、非致密合成（图1b）、镧系离子掺杂（图1c）和烧结气氛调整（图1d）。除了通过化学手段控制陷阱状态外，还可以通过改变充电温度（图1e）和功率（图1f）来调控持久性发光。此外，X射线辐照（图1g）也被证明可以通过置换镧系元素激活的氟化物中的阴离子来有效地创造电子/空穴陷阱。

图1：持久性发光材料中陷阱操纵的常见缺陷和策略

发光光谱调谐

近红外发光的荧光粉可以在深层组织中提供无自发荧光的成像，并提高空间分辨率。为了扩展这个工具箱并提高成像深度和分辨率，诸如活化剂的选择、宿主的变化和通过长波长发射体的编码进行级联能量转移等策略可以应用于第二甚至第三光学窗口的荧光粉开发。

活化剂的选择：过渡金属，如Mn²⁺、Bi²⁺、Ni²⁺和Cr³⁺，通常被用作活化剂，以产生持久的红色/近红外发光，在光谱调节方面具有很大的灵活性（图2a）。作为一类独特的持久性发光体，三价镧系元素活化剂几乎可以覆盖整个深紫外-近红外区域。最近，带有Er³⁺、Ho³⁺、Nd³⁺或Tm³⁺活化剂的NaYF₄纳米晶体已被开发为高效的持久性发光近红外纳米荧光体，当用X射线充电时，能以极高的信噪比进行长期生物成像和跟踪。

宿主的变化：对于具有4f电子被5s和5p电子屏蔽的Ln³⁺活化剂，其由4f-4f转变所介导的发光对晶体场的变化不敏感。由4f ⁿ-4f ^n-15d¹转变产生的发光对晶体场的变化更为敏感，当宿主改变时，可能表现出较大的光谱偏移。

级联能量转移：通过耦合供体和受体活化剂，供体活化剂的能量可以有效地转移到相邻的受体活化剂，从而实现持久的近红外发光（图2c）

光谱复用：受益于其在外延多壳生长中的高可行性，多种镧系活化剂可以被整合到一个具有核心-多壳结构的单一纳米粒子中（图2d）。由于不同的活化剂可以很好地隔离在不同的层中，它们之间的交叉松弛可以在很大程度上被减少，从而导致多个活化剂同时发出强烈的持久性发光。

图2：在紫外、可见光和近红外区域调整持续发光的一般策略

发光增强

由于严重的表面淬火和有限的发射器数量，持久性发光荧光体，特别是纳米级的荧光体，通常具有低发射强度的特点。因此，在完全黑暗的环境下，通常需要几秒钟的曝光时间来捕捉图像。除了通常的退火后处理外，表面钝化也被证明能有效地减少表面淬火。最近，有机染料被用作天线以提高持久性发光荧光粉的集光能力。此外，通过表面等离子体共振增强局部电磁场也可以增强持久性发光。

后退火：尽管有些荧光粉在没有后退火的情况下表现出持久性发光，但大多数荧光粉在省略后退火步骤后没有显示余光（图3a）。

表面钝化：由于很大一部分发射体暴露在表面，纳米磷光体受到表面淬火的影响，表现出比它们的体部对应物更低的亮度。对纳米磷光体进行表面钝化可以有效地提高亮度和持久发光的时间（图3b），这种增强可以通过增加钝化层的厚度来进一步提高。

染料敏化：由于有机染料的吸收截面大，染料敏化可以显著提高光收集能力（图3c）。尽管增强了持久性发光，但染料敏化到纳米磷酸盐可能会给特定生物应用的表面修饰带来额外的困难。

表面等离子体谐振：由于表面质子在纳米粒子中的限制，通过控制纳米粒子的形态、化学成分和几何结构，共振峰可以从可见光到近红外范围进行微调（图3d）。表面质子可以通过两种方式促进发光增强：（1）增强宿主晶格和活化剂的光吸收；（2）促进活化剂的辐射衰变。

图 3：改善纳米荧光粉持久发光的常用策略

持久发光纳米材料的合成

科学家们长期以来一直认为后退火是持续发光的先决条件，而且几乎所有的荧光粉都习惯性地进行煅烧。然而，在2015年，当超小的ZnGa₂O₄:Cr³⁺纳米颗粒在没有退火后表现出强烈的深红色持久性发光时，这种观念得到了修正。免退火的纳米磷酸盐在表面功能化方面有很大的灵活性，在生物应用方面有很大的用途。近年来，一些合成持久性发光纳米材料的新方法已经被开发出来（表1）。

表1：持久发光纳米材料的合成策略

生物应用

虽然纳米晶持久发光材料在生物相容性和发光强度方面略逊于有机持久性发光材料，但在以下方面具有很大的优势。(1)晶体纳米荧光粉具有更高的光稳定性，并且可以消除光漂白。(2)发射波长可以通过合理掺杂调谐到NIR-II和NIR-III范围。(3)这些纳米荧光粉的性能不受周围生化环境的影响。(4)不需要混合和封装多个组件，从而实现超小的物理尺寸。(5)晶体纳米荧光粉可以通过X射线激活以进行深层组织成像。

无自发荧光生物传感：由于发光会持续数小时，时间门控技术可以应用于避免时间分辨光谱的长寿命发光纳米磷酸盐（图4a。

长期、实时、深层组织成像：为了完全消除成像的时间限制，应该开发允许在多个周期内现场充电的纳米磷酸盐（图4c）。最近，有研究表明，含有Er³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺和Nd³⁺等活化剂的镧系元素掺杂的NaLnF₄纳米晶体在X射线照射后可以在NIR-I和NIR-II区域发出持久的发光（图4d）。通过口服和静脉注射这些近红外发射的纳米磷酸盐，可以在数小时内明确记录纳米磷酸盐在多个器官的系统循环，并具有较高的信噪比（图4e）。

治疗诊断学：深层组织无自发荧光生物成像与新兴治疗技术的结合为体内疾病诊断和疗效监测提供了巨大的机会。合理的表面功能化使纳米荧光体在生物介质中具有高稳定性、低细胞毒性和改善靶向性（图4f）。表面功能化的灵活性允许开发持久性发光的纳米荧光体，用于药物装载和图像引导的化疗（图4f）。除了化疗药物，光敏剂也可以与纳米磷酸盐结合，构建光动力疗法的纳米平台。通过非辐射能量转移或再吸收，集成到纳米平台的光敏剂可以通过吸收相邻纳米磷酸盐的能量而被激活（图4f）。然后不断产生细胞毒性自由基和活性氧（ROSs），以杀死癌细胞。

X射线成像：在X射线照射下，包含特定物体结构信息的图案可以被这些长寿命的持久性纳米磷体所储存。当加热时，被捕获的电荷载流子的快速释放产生持久性发光，可以用数码相机对高度弯曲的电子线路板进行成像（图4g）。

图 4：用于无自发荧光生物应用的持久发光纳米材料

未来展望

尽管现在已经成功地生产出了超小而均匀的纳米荧光体，但在利用持久性发光的效果进行技术应用方面仍然面临着重大挑战。对于体外生物传感来说，使用小的持久性发光的纳米荧光体并不重要。然而，在实际的成像应用中，更小的颗粒经常被用来对细胞结构进行更精确的标记。此外，制备具有大量陷阱的持久性发光纳米磷酸盐是非常可取的，以储存激发能量，并以最小的非辐射损失实现近乎统一的光产量。

与发光纳米材料如上转换纳米颗粒和量子点一样，持久性发光纳米材料的成像应用目前仅限于小动物。由于强烈的光衰减，持久性发光纳米材料的人类成像应用仅限于皮下非常浅的深度。激发后持续发光的能力使这些材料在X射线可以有效的深层组织中的治疗学或光反应方面具有很大的前景。

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