上转换荧光比率纳米测温法

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

温度是科学领域中最基本的参数之一。荧光纳米测温学是一种基于具有温度敏感的荧光特性材料实现高灵敏度、亚微尺度分辨率的非接触式温度测量技术，可以实时在线获取微/纳尺度的局部温度分布，对生物、医药和微/纳流体学等领域具有重要意义。近日，苏州科技大学的叶常青教授（点击查看介绍）与中国科学院化学研究所宋延林研究员（点击查看介绍）团队报道了一种基于三线态-三线态湮灭（TTA）上转换的新型荧光比率纳米测温法。

比率型荧光探针具有自校准的检测方式，可消除探针浓度及其所处环境等因素的检测误差，在实际应用领域蕴藏巨大潜力。然而，目前报道的荧光比率纳米探针大多是根据荧光共振能量转移（FRET）或光致电子转移（PET）原理来设计的。若比率荧光纳米探针自身能够具备内源型双发射功能，可以使得温度传感具有更快的响应、更高精度和更好的空间分辨率。

苏州科技大学绿色印刷纳米光子工程技术研究中心团队发展了一种基于三线态-三线态湮灭（TTA）上转换的荧光比率纳米测温法，可以很好的解决上述困难。上转换是一种由长波长激发，短波长发射的光致发光现象。基于三线态-三线态湮灭机制的频率上转换发光，由光敏剂和湮灭剂双分子体系共同构成，自身就具备上/下转换同时发光的特性，完美契合了构建比率型荧光探针的内源型双发射功能的需求。进一步通过温敏型两亲聚合物自组装，获得装载有光敏剂/湮灭剂染料体系的TTA上转换纳米胶束，既解决了在生物应用TTA上转换分子水溶性差以及TTA上转换发光易被氧气淬灭的问题，还为上转换发光体系提供了温敏响应性能，最终成功实现了荧光比率对温度的精确响应。这种基于上转换纳米胶束的比率型荧光温度探针不仅制备方法简单，具有良好的生物相容性，且检测灵敏度高，可以人眼识别，无需外加参比，对微/纳流体以及生物体内的温度在线监测的实现具有重要意义。

图1. TTA纳米胶束制备示意图及相关发光分子的化学结构式。

图2. 不同温度条件下，TTA双分子体系在THF溶液和胶束环境中发光光谱的对比

TTA双分子体系在四氢呋喃溶液环境中的发光强度并不会随温度升高发生显著变化。但是，利用温敏型两亲聚合物Pluronic-F127的自组装，获得装载有光敏剂/湮灭剂染料体系的TTA上转换纳米胶束就具有了温度响应的发光特性。含TTA双分子体系的胶束的上转换发光强度随着温度的升高而逐渐增强，而下转换磷光强度同时随温度升高逐渐减弱，荧光比率信号（上转换荧光强度/下转换磷光荧光强度）随着温度的变化在30 °C – 60 °C的温度范围内呈现较好的线性关系，灵敏度可高达32.56% °C^-1。

图3. TTA上转换纳米胶束大气环境耐受性、可靠性和可重复性的相关表征。

氧气导致的三线态猝灭是限制TTA上转换应用的主要原因之一。可靠性和重复性也是考察温度探针实际应用的重要指标。实验结果表明，TTA上转换纳米胶束对温度传感检测，具有优异大气环境耐受性、响应稳定性以及检测可靠性。

图4. 不同TTA上转换胶束的测温性能表征。

进一步研究了湮灭剂的分子结构对TTA上转换纳米胶束的温度传感性能的影响作用。结果表明，湮灭剂引入羟甲基基团可进一步消除组装胶束的温敏型嵌段共聚物的浓度干扰，通过立体化学手段改变湮灭剂分子结构，可提升比率型荧光探针的自校准性能，更大程度消除了探针浓度及其所处环境等因素的检测误差。

图5. TTA上转换胶束的应用。

最后，论文展示了这种基于TTA上转换纳米胶束的荧光比率测温法在微纳流领域的应用，可实时在线获取微/纳尺度的局部温度分布，例如用于流体热梯度成像或冷热流混合过程中热量分布的原位监控。

以上成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，第一作者是苏州科技大学李琳博士，通讯作者为叶常青教授和宋延林研究员。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Luminescence Ratiometric Nanothermometry Regulated by Tailoring Annihilators of Triplet-Triplet Annihilation Upconversion Nanomicelles

Lin Li, Chun Zhang, Lei Xu, Changqing Ye, Shuoran Chen, Xiaomei Wang, Yanlin Song

Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202110830

通讯作者简介

叶常青，苏州科技大学材料科学与工程学院教授。2007年本科毕业于南京大学化学系，2012年硕博连读毕业于中科院化学所，师从宋延林研究员。2012年8月加入苏州科技大学从事教学和科研工作。2019年10月至2020年9月在哈佛大学交流访问。主要研究方向：1. 有机上转换材料制备与性能研究。2. 光子晶体的制备与应用研究。3. 光电功能材料与器件。入选江苏省“333工程”中青年学术技术带头人、江苏高校青蓝工程中青年学术带头人、江苏省自然科学基金优秀青年基金资助以及江苏省“六大人才高峰”C类资助等，主持国家自然科学基金2项、江苏省科技厅和教育厅基金3项。以第一作者或通讯作者在Energy Environ. Sci.；J. Am. Chem. Soc. 等期刊发表SCI论文50余篇。

https://www.x-mol.com/groups/greenprinting_usts 

宋延林，中国科学院化学研究所研究员、绿色印刷重点实验室主任。主要从事光电功能材料和器件、绿色打印印刷材料与技术研究。已发表 400 余篇论文，被他人引用 20,000 余次，多次被 Science, Nature 等作为研究亮点报道；主持和参加编写专著 12 部；获授权中国发明专利 100 余项，美国、日本、欧盟、韩国等授权发明专利 26 项。

https://www.x-mol.com/university/faculty/15559 

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：如上所述，我们的研究兴趣是主要围绕光电功能材料。三线态-三线态湮灭频率上转换发光材料可以用长波长激发，获得短波长发射，在生物成像、光伏电池、光催化等领域都有广泛的应用前景。由于三线态-三线态上转换是由光敏剂和湮灭剂双分子体系共同构成，自身具有可同时上/下转换发光的特点，契合了构建比率型荧光探针的内源型双发射功能的需求。基于此，我们设计了本论文中的上转换荧光比率纳米测温方法。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：目前基于TTA上转换机理的高灵敏检测还具有挑战性，究其原因在于当前对三线态激发态能量调控和TTA上转换给-受体之间的三线态能量传递过程的研究还不够充分，远没有对单重激发态调控的理解那么透彻。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？ 

A：本论文展示基于TTA上转换纳米胶束的荧光比率测温法在微纳流领域的应用，可实时在线获取微/纳尺度的局部温度分布，如用于流体热梯度成像或冷热流混合过程中热量分布的原位监控。未来这种纳米温度计还可以用于细胞内和活体温度检测，实时检测局部温度变化，并将之与细胞器功能关联，从而促进细胞生物学知识的探索。