基于等离子体阵列增强近红外二区激发的镧系元素纳米粒子近红外一区发光，构建高性能生物传感与成像平台

《Nanoscale》：Boosting the NIR-I luminescence of lanthanide nanoparticles excited in NIR-II by plasmonic arrays

本研究针对近红外二区（NIR-II）荧光探针在生物成像与传感中面临的量子效率低、检测成本高等瓶颈问题，开发了一种新型Tm3+掺杂NaYF4上转换纳米颗粒（UCNPs）。该探针可在1208 nm NIR-II激光激发下，发射808 nm的近红外一区（NIR-I）上转换发光（UCL），并创新性地将其与周期性银孔帽纳米阵列（Ag-HCNAs）耦合。该策略实现了高达210倍的UCL信号增强，成功构建了一个兼具深层组织穿透、低自发荧光和高信噪比的等离子体增强UCL平台，为高灵敏度、低成本荧光免疫分析技术提供了新方案。

　　

在生物医学研究和临床诊断领域，荧光成像与传感技术如同一双能窥探生命内部活动的“眼睛”。然而，传统的可见光与近红外一区（NIR-I，700-900 nm）荧光技术，在穿透活体组织时，常被水、血红蛋白等成分吸收或散射，成像深度有限，且生物组织自身发出的微弱荧光（即自发荧光）会产生严重背景噪声，干扰“视线”。近红外二区（NIR-II，1000-1700 nm）窗口的出现带来了希望，其组织穿透更深、散射更弱、自发荧光几乎可忽略，是理想的“透明窗口”。但“看得更深”的同时，也遇到了新麻烦：首先，NIR-II激发下，大多数荧光探针的发光效率（量子效率）很低，信号微弱；其次，探测NIR-II光子需要昂贵的铟镓砷（InGaAs）探测器，这大大阻碍了其广泛应用。能否找到一种探针，既能利用NIR-II激发穿透深的优点，又能发出易于用廉价硅基探测器检测的NIR-I光，并显著增强其微弱信号呢？

为了回答这个问题，研究人员在《Nanoscale》上发表了一项创新性研究。他们设计了一种新型Tm³⁺掺杂的NaYF₄上转换纳米颗粒（UCNPs），它在1208 nm的NIR-II激光激发下，可高效发射808 nm的NIR-I上转换发光（UCL）。更重要的是，他们引入了一种精巧的“信号放大器”——通过胶体光刻技术制备的周期性银孔帽纳米阵列（Ag-HCNAs），将UCNPs与之耦合，构建了一个等离子体增强荧光平台，成功将微弱的NIR-I UCL信号最高增强了210倍。这项工作不仅提供了一种高性能的荧光探针设计策略，更为开发低成本、高灵敏度的生物传感与成像技术开辟了新途径。

本研究采用了几个关键技术方法：首先，通过溶剂热法合成了单分散的Tm³⁺掺杂NaYF₄UCNPs，并通过配体交换使其表面功能化；其次，利用胶体光刻技术，以聚苯乙烯微球为模板，结合反应离子刻蚀和银溅射，制备了两种不同尺寸的Ag-HCNA基底；接着，通过聚乙二醇（PEG）间隔层和物理滴涂法，将UCNPs多层沉积到Ag-HCNA上，构建复合结构；最后，作为应用验证，通过生物素-链霉亲和素特异性相互作用，将链霉亲和素功能化的UCNPs（SA-UCNPs）固定到预接枝了生物素化牛血清白蛋白（bBSA）的Ag-HCNA基底上，模拟荧光免疫分析平台。表征手段包括透射/扫描电子显微镜、X射线衍射、紫外-可见-近红外光谱、荧光光谱和寿命测试，并结合三维时域有限差分法（3D-FDTD）进行模拟分析。

研究结果部分通过多个维度的数据揭示了该平台的优越性能。

Tm³⁺掺杂NaYF₄UCNPs的合成：成功合成了尺寸均一、平均尺寸为21±3.1 nm的六方相NaYF₄:5% Tm³⁺UCNPs。光谱表征确认其在1208 nm激发下，可产生源于Tm³⁺离子³H₄→³H₆能级跃迁的808 nm发射。

Ag-HCNAs的结构设计与制备：利用不同尺寸的聚苯乙烯微球，成功制备了两种具有高度周期性的Ag-HCNA薄膜（Ag-HCNA(L)和Ag-HCNA(S)）。扫描电子显微镜和原子力显微镜表征证实了其规则的孔帽阵列结构，并展示了UCNPs在其表面形成均匀涂层后的形貌。透射光谱分析表明，两种阵列的等离子体共振峰分别与UCNPs的激发波长（1208 nm）和发射波长（808 nm）有良好重叠，为后续的荧光增强奠定了基础。

发光增强结果：将UCNPs沉积到两种Ag-HCNA上后，在1208 nm激发下，808 nm处的UCL强度相比玻璃基底上的UCNPs获得了显著增强，其中Ag-HCNA(S)平均增强210倍，Ag-HCNA(L)平均增强170倍。功率依赖性实验证实了其发光过程为典型的双光子过程。此外，UCNPs在Ag-HCNA上表现出优异的光稳定性。

物理机制分析：通过3D-FDTD模拟，发现在1208 nm激发下，Ag-HCNA结构边缘存在局域电场“热点”，最高可增强5倍。这种局域电场的平方增强效应（对于双光子过程）可理论最高提升激发速率625倍。荧光寿命测试表明，Ag-HCNA上的UCNPs寿命（~18-20 μs）显著短于玻璃基底上的UCNPs（~41 μs），证实了等离子体效应加速了其辐射衰减速率（即Purcell效应）。结合模拟与实验数据综合分析，局域电场增强对总体UCL信号增强起主导作用，而发射速率增强起次要作用。

MEF（金属增强荧光）免疫分析模型系统：作为概念验证，研究人员将链霉亲和素功能化的UCNPs（SA-UCNPs）通过生物素-亲和素作用固定到bBSA修饰的Ag-HCNA(S)基底上，形成了亚单层的探针固定模式。即使在这种低探针密度下，依然观测到了高达113倍的UCL信号增强（相较于玻璃基底），这初步验证了该等离子体平台在放大基于UCNPs的荧光免疫分析微弱信号方面的巨大潜力。

结论与讨论部分对本研究进行了总结与展望。该工作成功开发了一种新型的等离子体增强NIR-II响应型UCNPs平台。通过将Tm³⁺掺杂的NaYF₄UCNPs与Ag-HCNAs耦合，实现了超过210倍的NIR-I UCL信号增强。机制研究表明，增强主要源于Ag-HCNAs产生的局域电场对“双光子”激发过程的显著加速。更重要的是，通过在Ag-HCNA上固定亚单层SA-UCNPs的模型实验，证实了该平台可用于大幅放大免疫分析中的微弱荧光信号，增强倍数可达113倍。这项研究的意义在于，它巧妙地结合了NIR-II激发（穿透深、自发荧光低）和NIR-I发射（可用廉价硅基探测器检测）的双重优势，并通过等离子体纳米阵列一举攻克了UCL信号本征微弱的瓶颈。所构建的平台在提升信噪比、降低检测成本方面表现出显著优势，为推进高性能、实用化的荧光免疫分析和生物成像技术提供了一个强大而具有前景的解决方案。