近红外光通过上转换激活持久发光纳米粒子

持久发光（PL）是磷光体在激发停止后的余辉发射[1,2]，这允许激发和发射过程完全分离。利用持久发光纳米粒子（PLNP）的这种独特性质，由于没有自体荧光，可以进行高质量的体内发光成像[3]。这导致了大量新的持久性磷光体的产生。人们已投入大量精力探索PLNP的多种应用，如靶向肿瘤PL成像、多模型成像、可追踪的药物递送、细胞跟踪、生物传感、分析，甚至新能源探索。然而，通常需要体外预激发来有效地对PLNP充电，其中一些激发能量存储在所谓的能量陷阱中，然后逐渐释放以产生PL。储存的能量耗尽后，PL过程停止。尽管光刺激PL策略可用于部分恢复某些PLNP（如LiGa5O8:Cr）中耗尽的PL，但需要体内再激活以满足长期成像应用的需求。ZnGa2O4:Cr（一种典型的700 nm持久荧光粉）的可见光激活特性被发现可用于实现原位和体内的实时PL成像。然而，由于ZnGa2O4:Cr的带隙较大（4.4eV），紫外（UV）光最有效地激发了ZnGa2O4:Cr的PL。相比之下，当其PL被Cr吸收产生的可见光激发时，其PL比紫外光激发的PL弱得多，这限制了其在深层组织水平的潜在临床应用，因为生物组织对UV/可见光的透明度相对较差。近红外（NIR）光因其众所周知的NIR生物窗口（~650至~1000 nm）而经常用于光动力和光热治疗。潘等人报道了第一种上转换的持久荧光粉Zn3Ga2GeO8:Cr3+、Yb3+、Er3+，它可以被近红外激光（980 nm）激活，并能够发出在700 nm处达到峰值的持久PL。尽管在块体材料中展示了上转换持久发光（UCPL）概念，但一些局限性阻碍了此类材料在体内研究中的发展。例如，Yb/Er的掺杂大大降低了PL。此外，Zn3Ga2GeO8是持久荧光粉的良好基质，但不是掺杂Yb/Er进行上转换（UC）的理想基质。其相对较低的上转换效率反过来可能会降低UCPL工艺的效率。因此，需要设计一种上转换PLNP系统，该系统具有优异的PL/UC/UCPL复合材料性能，同时在很大程度上保持。

由于经典的深红色（峰值在640 nm）持久磷光体CaS:Eu2+、Tm3+、Ce3+可以被可见光有效激发，该可见光与经典β-NaYF4:Yb、Er/NaYF4纳米粒子的有效绿色上转换重叠良好（电子补充材料（ESM）中的图S1），我们假设可以通过整合这两种有效的PL和上转换纳米粒子（UCNP）来实现有效的UCPL（方案1）。在980nm激光照射下，可以产生强烈的绿色UC并且这激活了附近的PLNP。虽然UC发光在关闭NIR激光器后立即停止，但有效的红色PL可以长时间保持。一旦储存的能量耗尽，红色PL可以通过近红外激光器重新充电。因此，开发了一种高效的UCPL复合薄膜，在短暂的近红外激光照射后实现长周期深红色PL。

在这项研究中，我们合成了CaS:0.02%Eu、0.1%Tm、0.1%Ce、PLNP和β-NaYF4:Yb，Er@NaYF4，根据先前的研究[37,38]，UCNP（图1（a）和1（b））。CaS:Eu、Tm、Ce的PL激发光谱表明，其PL峰在640 nm处，这可以被合成的β-NaYF4:Yb的540 nm上转换发光有效激发，Er@NaYF4纳米颗粒（图2）。随后将合成的PLNP和UCNP分散到聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）/二氯甲烷溶液中。二氯甲烷蒸发后，将纳米磷光体嵌入PMMA中，形成UCPL薄膜，如图1（c）所示。在980nm恒定波激光激发下，可以产生强烈的绿光发射。关闭激光后，在黑暗中肉眼很容易观察到深红色PL。UCPL薄膜在白光LED激发后也继承了PLNP的强烈余辉特性。因此，成功获得了三合一UC/PL/UCPL薄膜（图1（c））。

在980nm激光照射下，除了β-NaYF4:20%Yb，2%Er/NaYF4的典型UC发光外，我们还发现了580至650nm之间的宽肩峰，这可以归因于CaS中Eu2+的发光光谱[39,40]。图3（b）显示了关闭近红外激光照射后薄膜的PL光谱。我们观察到，在低至145mW/cm2的功率密度下，PL发射可以被激活。此外，使用短曝光时间（10秒）来产生有效的PL发射。PL强度随着曝光功率密度的增加而增加，这意味着可以通过增加功率密度来缩短曝光时间。图3（c）显示了980nm激光激发的PL衰减曲线。它显示了持久荧光粉的典型衰变曲线。值得注意的是，PL可以在任何时候使用NIR照射完全重新激活（图3（d））。

合成的UCPL薄膜在发光生物成像中具有潜在的应用前景。作为概念验证，将一小块UCPL膜（1 mm×2 mm）植入小鼠大腿，以模拟医疗植入物。如图4（a）所示，该膜可以在手术过程中被室内光激活。由于植入后20分钟PL信号变得相对较弱，因此使用980 nm NIR激光（468 mW/cm2）在体内和原位重新激活装置的PL。对于图1中合成的（a）CaS:Eu、Tm、Ce纳米颗粒，（b）β-NaYF4:20%Yb、2%Er/NaYF4纳米颗粒，以及（c）由iPhone 6相机拍摄的合成UCPL膜的数字照片，从左到右：在室温下，在980 nm CW激光（468 mW/cm2）照射下，在黑暗中，关闭激光后的余辉图像，以及白色LED照射后的余辉。约10分钟。应注意的是，通过增加曝光时间，成像时间窗口可以进一步延长（ESM中的图S2）。再激活可以以稳定的PL强度重复多次，这意味着如果需要，可以使用980 nm NIR激光随时重新激活PL发射，并且PLNP确实可以与UCNP结合再激活。与传统的UC发光成像相比，UCPL成像更容易处理。UC激光激发在PL成像之前进行，因此可以使用传统的发光成像系统进行，而无需进行任何设备修改，如激光控制。此外，UCPL成像可能比传统的UC生物医学过程具有更少的热效应。激发的PL在几秒钟的激发后可以持续很长时间。如此短的激光照射时间将减轻激光治疗的潜在健康风险，特别是在长期照射的情况下

我们通过简单地将UCNP和PLNP集成在一起，成功地制造了一个UCPL系统。该体系具有由标准β-NaYF4:Yb衍生的强烈UC和PL特性，Er@NaYF4上转换NP和CaS:Eu、Tm、Ce深红色持久发光NP。我们证实，PLNP的红色持久发光可以在体外和体内通过UCNP被NIR反复激活。尽管这种UCPL系统是两种不同纳米粒子的简单混合物，但我们相信可以通过制造新型紧凑的纳米系统（如核/壳纳米结构）来改进它。总的来说，我们的研究结果为UCPL功能材料的制备及其在UCPL成像、深组织光动力治疗和光遗传学等领域的潜在应用.提供了新的理解。. 这项研究还应促进PLNP在光子学和生物光子学中的进一步发展。