本文以 NirVivo-Pro NIR-II小動物活體熒光成像系統作為靶向骨成像和改善類風濕性關節炎（RA）治療的設備。鑭系離子（Ln3?）摻雜的無機發光納米晶體在生物成像和疾病治療中有應用前景，但臨床應用受限于低發射亮度。晶體場微擾理論上可提高 Ln3?發光效率，但現有摻雜方法難以在不改變晶體結構的情況下實現真正的晶體場微擾。H?離子半徑小、化學活性高，可間隙摻雜進入無機晶體，有望在不影響晶體結構的前提下實現晶體場微擾。文章報道了一種通過間隙 H?摻雜實現晶體場微擾增強鑭系摻雜納米晶體發光的策略。
實驗設計
· 制備摻雜納米晶體
以正交相 NaMgF?為基質，通過改進的高溫共沉淀法，在氮氣氣氛中添加不同量的乙酸（HAc）作為 H?源，制備一系列間隙 H?摻雜的 NaMgF?:Yb/Er 納米晶體（NMF-H-X，X 為 HAc 添加量），并制備了不同 Ln3?摻雜和不同 H?源的納米晶體，以及核殼結構納米晶體和其他基質的摻雜納米晶體用于對比研究。
圖 1(a)：通過正交相 NaMgF?:Yb/Er 納米晶體（NCs）的間隙 H?摻雜實現晶體場微擾和上轉換發光（UCL）增強的理論示意圖。左圖：間隙 H?摻雜；中圖：晶體場微擾；右圖：UCL 增強。(b)：正交相 NaMgF?:Yb/Er 納米晶體的晶體結構和摻雜位點。在該體系中，Ln3?離子在八面體對稱中心（S?）取代 Mg2?離子，H?離子摻雜在間隙晶格位置。(c)：通過di一性原理密度泛函理論（DFT）計算得到的 NaMgF?:Yb3?Mg - VNa - xHi（x 為 H?間隙缺陷數量）納米晶體的每個原子的形成能（ΔEform）隨 x 的變化。Yb3?表示在 Mg2?位點的 Yb3?，VNa 是 Na?空位，Hi 是間隙 H?。ΔEform 是 NaMgF?:Yb3?Mg - VNa - xHi 納米晶體與孤立組成原子之間的能量差。數據來源作為源數據文件提供。
· 表征和測試
對制備的納米晶體進行透射電子顯微鏡（TEM）、粉末 X 射線衍射（XRD）、高角度環形暗場掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）、元素分析、光致發光光譜、上轉換發光（UCL）壽命、擴展 X 射線吸收精細結構（EXAFS）光譜、固體核磁共振（SSNMR）等表征，以及細胞毒性測試和體內成像實驗。
實驗結果
· 晶體結構與基本表征
NMF-H-X 納米晶體呈四方形狀，XRD 表明均為正交相 NaMgF?，H?摻雜未引起明顯峰移，HAADF-STEM 和 EDS 證實 Yb3?和 Er3?均勻分布，SSNMR 和 X 射線光電子能譜（XPS）證明 H?成功摻雜并形成氫鍵。
圖 2(a)：未摻雜和間隙 H?摻雜的 NaMgF?:Yb/Er（Yb/Er = 4/1mol%，NMF-H-X）納米晶體的透射電子顯微鏡（TEM）圖像。(b)：NMF-H-X 納米晶體的高分辨率 X 射線衍射（XRD）圖譜（左圖），中圖顯示 46.2° - 48.5° 的放大角度區域，右圖顯示晶胞體積。NMF-H-X 納米晶體的尺寸在每張圖的底部列出。(c)：隨機選取的 NMF-H-3.1 納米晶體的高角度環形暗場掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）圖像以及相應的 Na、Mg、F、Yb 和 Er 的二維能量色散 X 射線光譜（EDS）元素映射圖像。(a) 和 (c) 中的比例尺為 50nm。數據來源作為源數據文件提供。
· 晶體場微擾對發光的增強作用
UCL 測試顯示，NMF-H-X 納米晶體在 980nm 激發下有紅（~654nm）綠（~545nm）發射，間隙 H?摻雜使 UCL 強度顯著增強（高達 675 倍），量子產率從 < 0.01% 提升至 0.18%，且增強效果與晶體尺寸無關，與傳統核殼結構增強機制不同。制備核殼結構納米晶體發現，NMF-H-14.7@NaMgF?隨殼層厚度增加 UCL 強度降低，證實 H?擴散影響晶體場微擾；NMF-H-7.3@NaMgF?:H 因抑制 H?擴散，殼層增強 UCL 強度。排除了醋酸根離子（Ac?）對 UCL 增強的影響，進一步證明增強源于間隙 H?摻雜的晶體場微擾。
圖 3(a)：合成的不同晶體尺寸的 NaMgF?:Yb/Er 納米晶體（NMF-H-X）在合成過程中添加不同名義量的乙酸（HAc）（X = 0 - 14.7mmol）的典型 UCL 光譜。插圖顯示用佳能數碼相機采集的相應光致發光（PL）圖像。(b)：NMF-H-X 納米晶體的 UCL 強度比及其相應晶體尺寸隨 HAc 名義量的變化。誤差棒表示發光增強因子（紫色）和晶體尺寸（藍色）的標準偏差。(c)、(d)**：NMF-H-0@NaMgF?（c）和 NMF-H - 14.7@NaMgF?（d）核殼納米晶體的示意圖，其中惰性 NaMgF?殼層厚度不同，以及在 980nm 激光激發下，相應的 Er3?的?F?/?態的 UCL 強度（紫色 / 黑色線，歸一化）和壽命（藍色 / 橙色線）。(e)：用 NaOH（黑線）和 NaAc（橙線）前體合成的 NaMgF?:Yb/Er 納米晶體（未摻雜 H?）的 UCL 光譜。光譜在 980nm 激發下采集。數據來源作為源數據文件提供。
· 晶體場微擾增強發光的機制
SSNMR 和 XPS 表明 H?占據間隙位置與 F?形成氫鍵，改變 Er3?配位環境，使配體極化，促進宇稱禁阻的 4f - 4f 躍遷，UCL 壽命縮短（NMF-H-3.1 中 Er3?的?F?/?態壽命為 NMF-H-0 的約三分之一），輻射躍遷速率增加，同時 Yb3?吸收 980nm 激發光能力增強，共同導致 UCL 強度增強。EXAFS 和溫度依賴的 UCL 光譜表明 H?摻雜對 Yb - F 距離和 Er3?位置影響小，進一步證實晶體場微擾效應。
圖 4(a)：NaMgF?:Yb/Er 晶格間隙 H?摻雜形成穩定氫鍵（F - H?F）導致晶體場微擾的示意圖。(b)：不同名義 HAc 添加量（X = 0 - 14.7mmol）的 NaMgF?:Yb/Er（NMF-H-X）納米晶體的高分辨率 X 射線光電子能譜（XPS）（F 1s）圖譜。隨著 HAc 添加量增加，峰位的移動證明了氫鍵的形成。(c)、(d)**：晶體場微擾導致 [ErF?]3?或 [YbF?]3?內的鍵長和鍵角有限變化（c）以及微分電荷密度分布顯著變化（d）。(e)：在 10K 下，NMF-H-0 和 NMF-H-3.1 納米晶體中 Er3?發射體的?F?/?態壽命（τ）比較。(f)：NMF-H-0、NMF-H-3.1 和 NMF-H-14.7 納米晶體在 972nm（Yb3?的 2F?/?→2F?/?躍遷）的典型吸收光譜比較。(g)：NMF-H-0、NMF-H-3.1 和 NMF-H-14.7 納米晶體的 Yb LIII 邊 EXAFS 光譜的實驗點（點）和傅里葉變換擬合結果（實線），證實 H?摻雜后 NaMgF?:Yb/Er 納米晶體的結構基本不變。RYb - F 是平均 Yb - F 原子間距離。數據來源作為源數據文件提供。
· 摻雜策略的普適性和應用性
制備的 NaMgF?:Yb/Ho 和 NaMgF?:Yb/Tm 納米晶體經間隙 H?摻雜后 UCL 強度顯著增強，證明該策略可推廣到不同 Ln3?發射體。用不同 H?源制備的 NaMgF?:Yb/Er 納米晶體均實現 UCL 增強，其中苯磺酸（BL70）增強效果蕞佳。
圖 5(a)：不同名義 HAc 添加量的 Yb/Tm 和 Yb/Ho 共摻雜 NaMgF?納米晶體的發光增強因子。綠色條：NaMgF?:Yb/Tm；紫色條：NaMgF?:Yb/Ho。(b)：用鹽酸（HCl）、甲酸（HCOOH）、丙酸（PA）或苯磺酸（BL70；PhSO?H）作為 H?前體合成的 NaMgF?:Yb/Er 上轉換納米晶體的 UCL 增強因子。(c)：用不同名義量的 HAc（0 - 14.7mmol）合成的 NaMgF?:Yb/Er（NMF-H-X）納米晶體的典型下轉換發光（DCL）NIR-II 發射光譜，以及 (d) 相應的發射增強因子。(d) 中的誤差棒表示發光增強因子的標準偏差。(e)、(f)**：BALB/c 裸鼠尾靜脈注射 1,2 - 二硬脂酰基 - sn - 甘油 - 3 - 磷酸乙醇胺 - N - [甲氧基（聚乙二醇） - 2000]（DSPE - mPEG (2000)）修飾的 NMF-H-0（e）或 NMF-H-3.1（f）納米晶體在 0.9wt% 生理鹽水中的分散液（safety劑量：200μL，20mg/mL）后的體內 NIR-II 圖像。比例尺：10mm。(g)：代表性 BALB/c 裸鼠腹部血管熒光圖像（感興趣區域：f 中的橙色框），在 NIR-II 1532nm 窗口（1300nm 長通濾光片，曝光時間 400ms）顯示。比例尺：1mm。(h)：基于沿 g 中橙色虛線的橫截面強度（數據和高斯擬合）分布對血管半高全寬（FWHM）和信噪比（S/N）的分析。
該策略適用于 CaF?和立方 α - NaYF?基質，增強其 UCL 強度和量子產率，且 α - NaYF?在高 HAc 摻雜下發生相轉變，轉變后的 β - NaYF?繼續摻雜可進一步增強發光。間隙 H?摻雜還增強了 Er3?在 NIR-II 光譜區域（1000 - 1700nm）的下轉換發光（DCL），使 NaMgF?:Yb/Er 納米晶體可用于高分辨率 NIR-II 血管成像，在小鼠體內成像實驗中，NMF-H-3.1 納米晶體可清晰顯示血管網絡，而 NMF-H-0 幾乎無信號。
研究結論
通過簡單有效的間隙 H?摻雜策略實現了 Ln3?摻雜納米晶體的晶體場微擾增強發光，在不增加晶體尺寸的情況下顯著增強了 Er3?的 UCL 和 NIR-II DCL，為構建高亮度 Ln3?發射的納米晶體用于光學成像和生物醫學應用提供了理論依據。
