哈尔滨工业大学陈冠英教授课题组近年来工作进展

陈冠英教授简介

陈冠英，哈尔滨工业大学化工与化学学院教授/博士生导师，黑龙江省青年科技协会副会长，中国青年科技协会理事，获批成立哈尔滨工业大学“青年科学家”工作室。担任Scientific Reports、Nanomaterials等6个SCI学术期刊的编委。主要研究方向为无机稀土纳米荧光探针材料、稀土生物光子学和太阳能电池。迄今为止，在Nat. Photon.、Nat. Commun.、Light、Chem. Rev.、Adv. Mater.等国际期刊发表SCI论文170余篇，论文被Nature、Science等期刊正面他引18000余次，H因子61。曾获教育部、中组部国家级青年人才（2018年度、2014年度）、爱思唯尔“中国高被引学者”（2021年-至今）、黑龙江省科技进步一等奖、中国稀土科学技术奖二等奖（基础研究）、中国光学十大进展提名奖等荣誉。

陈冠英教授

本文选取陈冠英教授课题组代表性的文章来简要介绍近年来所取得的成果。

（一）尺寸依赖的镧系元素能量转移增强上转换发光量子产率

陈冠英教授课题组构建了六方相镱铥掺杂、三明治夹心结构（核-壳-壳结构）的氟化物上转换纳米晶，运用内核和外壳层惰性材料的有效限域隔离保护，通过精准调控中间层厚度（1.2-13纳米），展示了该材料上转换量子效率的尺寸依赖效应（Nat. Photon. 2024, DOI: 10.1038/s41566-024-01393-3）。光谱研究和理论微观模型证实该效应与传统认知的表面猝灭效应无关，主要由镧系元素间的长程（10 纳米量级）能量传递过程诱发。首次揭示了稀土离子在纳米晶中存在尺寸依赖的离子间长程能量传递的物理机制，不仅改变了人们长期以来对稀土离子间能量转移物理图像（不应具有尺寸依赖性）的概念理解，相关材料还将在相关纳米光子学和生物光子学应用中发挥重要价值。与此同时，研究成果通过调控实现了高达13%的上转换量子产率，超越了体相材料的上转换量子产率，这一突破打破了自19世纪60年代发现上转换现象以来人们普遍认为的纳米材料上转换发光效率低于体相材料的观念。

图1. 具有可调中间壳层厚度的指定核-壳-壳纳米结构中的光学上转换

（二）具有本征氧免疫特性的分子近红外三重态-三重态湮灭上转换

三重态-三重态湮灭上转换（TTA-UC）凭借其独特的给-受体体系以及更强的吸收激发光的能力，使TTA-UC途径通常仅需要非常低的激发光子密度便可以实现（＜0.1 W/cm²），同时还伴随着比较高的上转换量子效率（最高可达30%以上），在近年来已经受到了广泛的关注。然而，人们对基于近红外激发的TTA上转换体系的开发却远不及可见光，其中的难度主要来自于针对给/受体分子的设计和遴选。同时，本就为数不多的近红外TTA上转换体系几乎都面临着一个共性问题，即TTA组分的三重态与基态氧分子之间的相互作用所导致的能量损耗以及分子结构损坏。由于基态氧分子普遍存在于真实环境中，该问题已经成为TTA上转换系统在实际应用过程中的最大阻碍。因此，从根本上改善TTA系统（特别是近红外激发的TTA系统）的氧敏感性对于TTA-UC从理论研究迈向实际应用至关重要。陈冠英教授课题组发表的一篇工作（Nat. Commun., 2024, 15, 2157）全面揭示了氧气对传统TTA上转换系统的淬灭机制，并通过对三重态敏化剂和湮灭剂的合理设计成功开发了一类几乎不受氧气淬灭的纯有机上转换体系，为改善传统TTA上转换在空气中稳定性差这一固有难题提供了重要的理论和实验支撑。

图2. TTA给、受体的设计以及近红外TTA系统的构筑

（三）具有自校准的高灵敏NIR-II比率型纳米温度计用于体内三维热成像

荧光纳米测温学在监视细胞器功能、诊断器官炎症和辅助光热治疗方面显示出巨大前景，但当前备受欢迎的比率型温度探针仍然存在一些问题亟待解决：一是位于NIR-II区探针的相对灵敏度（S_r）较低；二是生物组织与荧光信号的相互作用会造成严重的读数误差；三是如何提取探针的位置信息、构建三维热成像。鉴于此，陈冠英教授课题组针对比率型荧光温度探针在体内的三维热成像问题作了深入研究（Adv. Mater. 2024, 36, 2309452），通过设计的校准程序来校正温度反馈信号，显著降低了光谱信号失真引起的读数误差，并演示了体内的三维热成像过程。同时该纳米温度计的S_r在43.5 ℃时高到7.8 % ℃⁻¹，且在整个生理温度范围内大于6.5% ℃⁻¹。

图3. 温度探针的体内测温自校准

（四）时域上转换活体多通道成像

众所周知，掺杂稀土离子的能量传递过程直接决定了上转换纳米晶的荧光性能。陈冠英教授课题组设计了一种四壳层上转换纳米晶结构（NaYF₄ @ NaYbF₄@ NaYF₄: Yb³⁺/Tm³⁺@ NaYF₄），通过调控纯Yb层（第二层）的厚度和Yb³⁺,Tm³⁺共掺杂层（第三层）中Yb³⁺的掺杂量分别调节Yb³⁺的能量迁移（EM）和Yb³⁺与Tm³⁺之间的反向能量传递，进而实现Tm³⁺在800 nm处的荧光寿命在两个数量级内的可控调节（78-2157 µs）（J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 2023）。该系列纳米晶在生物体内的多路复用荧光成像在雌性昆明小鼠中得到验证：三种具有不同荧光寿命的上转换纳米晶经表面修饰亲水性基团（-COOH）增强其生物相容性后，分别经皮下和尾静脉注射进入小鼠体内，最终小鼠体内三个部位（左腹部、右腹部、肝脏）的上转换纳米晶经寿命信息解析出来。此外，具有不同荧光寿命的上转换纳米晶在高阶防伪和加密中的应用也在这一工作中得到了证实。近红外时域上转换成像方法为生物光子领域开辟了许多新的可能性。

图4. 时域上转换荧光寿命成像

（五）肿瘤声动力治疗及肿瘤微环境响应性成像

声动力学疗法（SDT）因超声在深层组织中的深穿透能力（>10厘米）和高空间分辨率，已成为脑胶质瘤的新兴治疗手段之一。然而，由于肿瘤微环境（TME）的乏氧及和高含量的活性氧（ROS）清除剂谷胱甘肽（GSH）的限制，SDT治疗过程中产生的活性氧（ROS）产率不足。同时，还存在体内无法对胶质瘤治疗精确监测的问题。为了克服这些挑战，陈冠英教授课题组制备了以高亮的下转换稀土纳米晶NaErF₄ : Yb @ NaLuF₄（DSNPs）为核，外层包覆4-羧基苯基-四卟啉（TCPP）卟啉金属有机框架（MOF，PCN-224(Fe)）的核壳异质结结构（DSNPs@MOF），用于TME响应性的近红外二区（NIR-IIb）成像指导下的脑胶质瘤声动力治疗（Adv. Funct. Mater., 2024, 34, 2307816）。NaErF₄ : Yb @ NaLuF₄纳米晶具有明亮的NIR-IIb发射，从而提供TME响应性近红外荧光，实现了精确指导病灶的光学成像。同时，研究发现Fe³⁺与TCPP的配位不仅能够触发铁凋亡，还可以降低TCPP的磷光（降低23%）并增加三重态（T1）氧猝灭，从而显著促进单线态氧的产生（增加2.6倍）。此外，TME中的GSH促进Fe³⁺还原为Fe²⁺，消除Fe³⁺的发光猝灭，从而增强了NaErF₄ : Yb @ NaLuF₄的NIR-IIb发光（增强5倍），可以用于颅内胶质瘤纳米药物积聚成像，实现SDT过程的动态监测。与对照组相比，体外和小鼠活体实验均证实了高效的ROS产生，显著抑制脑胶质瘤，治疗30天后实验小鼠的存活率达到80%。

图5. 声动力/化疗机制和肿瘤微环境响应性NIR-IIb成像

（六）通过单纳米腔模式耦合实现亚0.5 W/cm²辐照度下明亮的单纳米晶上转换

针对单个稀土纳米颗粒上转换发光弱的问题，陈冠英教授课题组开展相关研究，通过耦合到单个等离子体纳米腔模式，实现明亮的单颗粒稀土上转换发光，取得重要进展（Nat. Photon. 2023, 17, 73–81）（与华中科技大学陈学文教授课题组合作）。原位单颗粒研究从实验上明确了证明等离子体增强上转换饱和现象的存在，且饱和效应强烈依赖于稀土离子的掺杂浓度，并在0.45 W/cm²超低激发强度下、在亚30 nm单颗粒中实现了高达2.3 × 10⁵倍的上转换发光增强。首次揭示了稀土上转换纳米晶的光物理学和材料性质之间的联系，为上转换纳米材料优化设计提供新契机。

图6. 单等离子体纳米腔模式中单纳米晶上转换可控发射

以上为陈冠英教授课题组近年来具有代表性的工作成果，其它更多具体详细的信息可以发送邮件至chenguanying@hit.edu.cn进一步讨论。此外，欢迎对研究方向感兴趣的同学联系报考硕士/博士，以及欢迎青年研究者应聘博士后和相关教师工作岗位。