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稀土發光納米晶由于可以在近紅外光激發下產生上轉換/下轉移發光，具有發光壽命長、量子產率高和發光波長可調等優點，在體外診斷與醫學影像研究中受到廣泛關注。目前稀土納米晶的可控合成與發光調控已經取得了較好的發展，但是高質量的稀土納米晶通常在油相中合成，如何將油相分散的稀土納米晶設計成具有良好水溶性、生物相容性以及探針識別能力的納米探針仍然存在諸多挑戰。
中科院福建物質結構研究所功能納米結構設計與組裝重點實驗室陳學元團隊與福州大學化學學院楊黃浩團隊合作，在中科院戰略性先導科技專項、中科院創新國際團隊和國家自然科學基金等項目支持下，提出通過氧化石墨烯修飾稀土納米晶的探針功能化新策略，實現了高靈敏的腫瘤靶向可見-近紅外二區發光成像。團隊通過優化稀土納米晶的殼層結構與氧化石墨烯的尺寸大小，獲得了單分散的、具有高效上轉換/下轉移發光性能的氧化石墨烯包覆稀土納米晶二元納米結構（NCs@GO，圖1）。利用氧化石墨烯的兩親性、高比表面積和豐富官能團等理化性質，NCs@GO不僅具有廣譜溶劑分散性和優異的生物相容性，也可以通過簡單的非共價鍵修飾進一步與核酸、蛋白質或納米顆粒偶聯實現探針功能化。團隊利用NCs@GO成功實現了腫瘤細胞內納米探針實時定位追蹤和microRNA可視化成像，以及小鼠腫瘤靶向的無背景高靈敏近紅外二區發光成像（圖2）。該工作為具有特殊表面性質與生物功能的稀土發光納米探針的設計提供了新思路，將推動新型納米探針在腫瘤診療中的應用。相關結果2019年10月11日以全文形式在線發表在《德國應用化學》雜志（Angew. Chem. Int. Ed. 2019, DOI: 10.1002/anie.201909416），中科院福建物構所博士后宋曉榮（現為福州大學副研究員）是該論文的第一作者。
圖1 a）NCs@GO合成示意圖；b）NaYF4:Yb,Er內核與c）NaYF4:Yb,Er@NaYF4核殼結構的TEM明場像；d）NCs@GO的TEM明場像；e-g）Er3+ 4F9/2能級的熒光衰減曲線，其發光壽命通過單指數擬合得到。
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圖2 a）小鼠經尾靜脈注射NCs@GO-PEG后的NIR-II成像圖；b）腫瘤靶向NIR-II成像示意圖；c）小鼠心臟、肝臟、血管處的NIR-II信號強度變化圖；d）腫瘤區域的NIR-II成像信噪比變化圖；e）小鼠NIR-II熒光成像圖。
此前，陳學元團隊在稀土熒光生物探針和腫瘤診療納米藥物的設計、合成及應用中已取得系列重要進展。例如，發展了高效LiLuF4:Yb,Tm等多層核殼結構發光稀土納米晶，實現腫瘤靶向熒光成像（J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 15083；Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 12498；2015, 54, 7915）；研制了時間分辨稀土納米熒光探針，首次實現全血中循環腫瘤細胞的高靈敏直接檢測（Angew. Chem. Int. Ed.2019, 58, 12195）。
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