稀土发光纳米晶由于可以在近红外光激发下产生上转换/下转移发光，具有发光寿命长、量子产率高和发光波长可调等优点，在体外诊断与医学影像研究中受到广泛关注。目前稀土纳米晶的可控合成与发光调控已经取得了较好的发展，但是高质量的稀土纳米晶通常在油相中合成，如何将油相分散的稀土纳米晶设计成具有良好水溶性、生物相容性以及探针识别能力的纳米探针仍然存在诸多挑战。

中国科学院福建物质结构研究所功能纳米结构设计与组装重点实验室陈学元团队与福州大学化学学院杨黄浩团队合作，在中科院战略性先导科技专项、中科院创新国际团队和国家自然科学基金等支持下，提出通过氧化石墨烯修饰稀土纳米晶的探针功能化新策略，实现了高灵敏的肿瘤靶向可见-近红外二区发光成像。团队通过优化稀土纳米晶的壳层结构与氧化石墨烯的尺寸大小，获得了单分散的、具有高效上转换/下转移发光性能的氧化石墨烯包覆稀土纳米晶二元纳米结构(NCs@GO，图1)。利用氧化石墨烯的两亲性、高比表面积和丰富官能团等理化性质，NCs@GO不仅具有广谱溶剂分散性和优异的生物相容性，也可以通过简单的非共价键修饰进一步与核酸、蛋白质或纳米颗粒偶联实现探针功能化。团队利用NCs@GO成功实现了肿瘤细胞内纳米探针实时定位追踪和microRNA可视化成像，以及小鼠肿瘤靶向的无背景高灵敏近红外二区发光成像(图2)。该工作为具有特殊表面性质与生物功能的稀土发光纳米探针的设计提供了新思路，将推动新型纳米探针在肿瘤诊疗中的应用。相关结果10月11日以全文形式在线发表在《德国应用化学》杂志(Angew. Chem. Int. Ed. 2019, DOI: 10.1002/anie.201909416)，福建物构所博士后宋晓荣(现为福州大学副研究员)是该论文的第一作者。

此前，陈学元团队在稀土荧光生物探针和肿瘤诊疗纳米药物的设计、合成及应用中已取得系列进展。例如，发展了高效LiLuF₄:Yb,Tm等多层核壳结构发光稀土纳米晶，实现肿瘤靶向荧光成像(J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 15083；Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 12498；2015, 54, 7915)；研制了时间分辨稀土纳米荧光探针，首次实现全血中循环肿瘤细胞的高灵敏直接检测(Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 12195)。

图1 a)NCs@GO合成示意图；b)NaYF₄:Yb,Er内核与c)NaYF₄:Yb,Er@NaYF₄核壳结构的TEM明场像；d)NCs@GO的TEM明场像；e-g)Er^3+ 4F_9/2能级的荧光衰减曲线，其发光寿命通过单指数拟合得到。

图2 a)小鼠经尾静脉注射NCs@GO-PEG后的NIR-II成像图；b)肿瘤靶向NIR-II成像示意图；c)小鼠心脏、肝脏、血管处的NIR-II信号强度变化图；d)肿瘤区域的NIR-II成像信噪比变化图；e)小鼠NIR-II荧光成像图。