本文要點：第二近紅外窗口(NIR-II,，1000-1700 nm)的熒光成像是一種非常有前途和研究活躍的技術(shù)，而利用NIR-II磷光進行光學(xué)成像的研究還很少,。本文報道了一種聚集誘導(dǎo)的選擇性信號激活策略,，該策略依賴于探針的輻射模式從弱熒光轉(zhuǎn)換為強NIR-II磷光。銅銦硒(Cu-In-Se)量子點在孤立狀態(tài)下發(fā)出極弱的熒光,，其聚集態(tài)在≈1045 nm處顯著發(fā)光,，發(fā)光壽命提高了2.7×103倍以上。用介孔二氧化硅納米顆粒(Cu-In-Se@MSN)包裹Cu-In-Se組裝,，證實了聚集誘導(dǎo)的發(fā)射模式轉(zhuǎn)換，顯示出*的磷光型發(fā)射,。NIR-II磷光信號使Cu-In-Se@MSN顯示出令人印象深刻的壽命成像,，并且可以準(zhǔn)確地確定血管的高階分支。對輻射模式轉(zhuǎn)換起源的研究不僅為理解光物理過程提供了新的視角,，而且可能為設(shè)計智能NIR-II探頭奠定基礎(chǔ),。

方案1：聚集驅(qū)動的長壽命NIR-II磷光的示意圖.Cu-In-Se量子點在水中有很微弱的熒光，但聚集后在≈1045 nm處有很強的磷光發(fā)射,，壽命長

在這項工作中,，將親水性的非發(fā)光銅銦硒(Cu-In-Se)量子點轉(zhuǎn)換為高發(fā)光的Cu-In-Se聚集體，可以發(fā)射以≈1045 nm為中心的近紅外-II信號(方案1),。具有“開關(guān)"功能的NIR-II無機量子點以前沒有報道過,。機理研究表明，AIE型Cu-In-Se量子點的熒光紅移歸因于主導(dǎo)輻射模式從微弱熒光向明亮磷光的轉(zhuǎn)變。此外,，發(fā)展的近紅外第二代磷光成像是成像方式的研究前沿,，通過最小化納秒級壽命的背景干擾，為高質(zhì)量成像提供了多種強大的技術(shù),。NIR-II磷光成像擁有巨大的潛力,，可以在沒有噪音的情況下專門監(jiān)測目標(biāo)的清晰和深度。

圖1：Cu-In-Se量子點的結(jié)構(gòu)表征a)溶劑誘導(dǎo)Cu-In-Se量子點的可逆聚集過程方案b-f)Cu-In-Se量子點在b-d)水和e,，f)乙醇中的代表性TEM和AFM圖像g)Cu-In-Se量子點的HAADF-STEM圖像和相應(yīng)的EDS元素映射

首先,，透射電子顯微鏡(TEM)圖像(圖1b)和相應(yīng)的尺寸分布直方圖均顯示所制備的Cu-In-Se量子點為球形，平均尺寸為4.6±0.8 nm,。每個Cu-In-Se量子點在水中都表現(xiàn)出良好的單分散性,。Cu-In-Se量子點可以被鑒定為CuInSe_2-In2Se。原子力顯微鏡(AFM)圖像直接證實了Cu-In-Se量子點的優(yōu)勢直徑小于5 nm(圖1D),，這與TEM分析一致,。在添加乙醇或甲醇后，親水性的Cu-In-Se量子點會降低Cu-In-Se量子點的表面電荷,，從而使這些量子點失去足夠的膠體穩(wěn)定性,。

從圖1e，f中的全景透射電鏡圖像可以看出,，以乙醇為溶劑產(chǎn)生了大量的聚集體,，而放大的透射電鏡圖像表明，這些聚集體實際上是由定義良好的球形Cu-In-Se量子點填充的,。以上分析證實,，由于隨機聚集事件的存在，Cu-In-Se量子點的排列趨于不規(guī)則,。重要的是,，聚集的程度與Cu-In-Se量子點的發(fā)光類型(熒光或磷光，見下文)密切相關(guān),。為了進一步研究得到的Cu-InSe量子點的化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu),，進行了高角度環(huán)形暗場掃描透射電鏡(HAADF-STEM)(圖1g)。元素分布圖清楚地支持了Cu信號與Se信號共位,，并與In信號部分分離。這與高分辨率TEM圖像的觀察結(jié)果一致(圖1c),。

圖2：Cu-In-Se量子點對溶劑變化的長壽命磷光響應(yīng).A)基于強度的NIR-II成像系統(tǒng)方案.B)近紅外圖像C)發(fā)射光譜和D)含不同體積分?jǐn)?shù)乙醇的水/乙醇混合物中Cu In Se量子點的相應(yīng)發(fā)射圖譜.E)Cu-In-Se量子點的光致發(fā)光峰(950和1045 nm)強度與乙醇體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系圖.F)分散在80%乙醇中的Cu-In-Se量子點的光致發(fā)光衰減曲線G)Cu-In-Se量子點在50%乙醇(頂板)和95%(底板)乙醇中的光致發(fā)光激發(fā)圖譜和H)依賴于激發(fā)的發(fā)射光譜.I)Cu-In-Se量子點在50%乙醇中的濃度依賴發(fā)射光譜

其次,，在水中得到的Cu-In-Se量子點顯示出非常弱的PL響應(yīng)(圖2a-d和表1)，這主要歸因于非輻射躍遷事件的存在,。Cu-In-Se量子點以孤立物種的形式溶解(圖1b),，這可能導(dǎo)致它們的分子扭轉(zhuǎn),、振動和旋轉(zhuǎn)運動受到限制，從而猝滅了發(fā)射效率,。然而,，在Cu-In-Se量子點表現(xiàn)出相對較差穩(wěn)定性的乙醇中(圖1e)，可以觀察到發(fā)射強度和量子產(chǎn)率(表1)的顯著增強,，這取決于乙醇在水中的體積分?jǐn)?shù),。結(jié)合TEM和NIR-II成像的測量結(jié)果,，Cu-In-Se量子點的聚集體越致密，發(fā)光越強,，表現(xiàn)為典型的易自組裝的AIE現(xiàn)象。光致發(fā)光曲線逐漸分裂成雙峰型：以≈1045 nm為中心的新的≈-II發(fā)光帶和以水為中心的950 nm處的原始發(fā)光帶一起出現(xiàn),。

為了進一步研究上述光物理結(jié)果,，808 nm的激發(fā)下,，在Cu-In-Se量子點上進行了映射(圖2d)，顯示出熒光強度的顯著增加,，隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加,，最亮的區(qū)域單調(diào)地移動到更長的波長，≈1045 nm處的近紅外-II發(fā)射信號呈指數(shù)增強,，而≈950 nm熒光帶變?nèi)?，最終幾乎整合到新生成的近紅外-II帶中(圖2C),。相反,，在≈1042 nm處(例如，在80%乙醇中的Cu-In-Se量子點)的近紅外-II發(fā)射呈三倍指數(shù)衰減,，壽命為143.1µs,，對應(yīng)于慢得多的發(fā)射過程。Cu-In-Se量子點比先前存在的銅硫化物納米晶和金屬(Au,，Ag，Pt等)具有顯著的近紅外-II壽命優(yōu)勢,。此外,，在≈950nm處極弱且壽命極短的熒光信號表現(xiàn)出熒光性質(zhì)，這是由不同種類的孤立或松散組裝的Cu-In-Se量子點產(chǎn)生的,。

表1：Cu-In-Se量子點的熒光光譜結(jié)果

圖3：Cu-In-Se量子點聚集時發(fā)出強而長壽命的近紅外-II磷光的可能機制.A)提出了分散態(tài)和聚集態(tài)Cu-In-Se量子點的能級結(jié)構(gòu).B)Cu-In-Se量子點的球差校正HAADF-STEM圖像.箭頭代表的是富In缺陷區(qū),，這也是Cu-In-Se量子點的卡通圖片

接著,，為了進一步驗證Cu-In-Se量子點組裝的堆積程度是否對發(fā)射模式的改變有很大的影響，對分散在不同條件下的Cu-In-Se量子點進行了PL激發(fā)映射研究(圖2g),。在50%的乙醇中,，當(dāng)激發(fā)波長從650nm到808nm時，Cu-In-Se量子點的光致發(fā)光帶從≈850紅移到1050 nm以上,，這清楚地表明了不同發(fā)光物種的存在,。這種*的性質(zhì)將使Cu-In-Se量子點在生物成像方面非常有用，短波吸收和散射的干擾最小,。

與濃度相關(guān)的發(fā)射光譜也支持能夠誘導(dǎo)弱熒光轉(zhuǎn)換為明亮磷光的聚集事件(圖2I),。然而，隨著Cu-In-Se量子點濃度的不斷提高,，在≈1045nm處出現(xiàn)了新的≈-II發(fā)光峰,，而原來的NIR-II發(fā)光峰基本保持了其發(fā)射強度。盡管溶液在高濃度的Cu-In-Se量子點下仍保持均勻,，但DLS測得的流體力學(xué)尺寸增加到≈200 nm,，顯示出納米級聚集體的形成。上述觀察結(jié)果明確地表明,，發(fā)光方式的改變與聚集的Cu-In-Se量子點的堆積程度有關(guān),。這種AIE參與的方案可能是一個因素，可以解釋存在于Cu-In-Se量子點溶液或其固體粉末中的磷光熒光發(fā)射的產(chǎn)生(表1),。接下來進行了微結(jié)構(gòu)表征,，以確定Cu-In-Se量子點中缺陷相關(guān)發(fā)射信號的可行性。球差校正的HAADF-STEM驗證了發(fā)育良好的晶體CuInSe2基質(zhì)(圖3b)中富In缺陷的存在,，這與高分辨率TEM結(jié)果(圖1c)證明的CuInSe2-In2Se3異二聚體組成一致,。

圖4：基于所制備的Cu-In-Se量子點的長壽命NIR-II磷光探針的設(shè)計.A)介孔二氧化硅納米顆粒(MSN)包覆Cu-In-Se量子點的合成工藝示意圖.B)分別用5 mg和50 mg Cu-In-Se量子點制備的Cu-In-Se@MSN-1和C)Cu-In-Se@MSN-2 ,D)Cu-In-Se@MSN-2的HAADF-STEM圖像和相應(yīng)的EDS元素映射.E)分散在水中的Cu-In-Se@MSN-2的激發(fā)相關(guān)發(fā)射光譜.F)分別在1041 nm和1060 nm處測量了Cu-In-Se@MSN-1和Cu-In-Se@MSN-2的光致發(fā)光衰減曲線.G)時間分辨近紅外-II成像系統(tǒng)和分散在不同體積分?jǐn)?shù)乙醇和Cu-In-Se@MSN-1/2納米復(fù)合材料中的Cu-In-Se量子點的壽命圖像

然后，為了進一步驗證聚集度對發(fā)光性質(zhì)的影響,，嘗試固定了Cu-In-Se組裝的結(jié)構(gòu),。如圖4a所示，通過將十六烷基三jia基溴化銨(CTAB)吸附到Cu-In-Se量子點的外表面,，這種納米晶體可以從負電荷轉(zhuǎn)移到正電荷,。二氧化硅前驅(qū)體(如正硅酸乙酯)水解、縮合,，最終生成核殼結(jié)構(gòu)納米復(fù)合材料(命名為Cu-In-Se@MSN),。Cu-In-Se@MSN-1和Cu-In-Se@MSN-2樣品均呈分散、均勻的球形,，TEM尺寸(110±20 nm)無明顯差異,。在每種納米復(fù)合材料中都有明顯的深色核存在，表明Cu-In-Se量子點被成功地包裹在介孔二氧化硅基質(zhì)中,，這表明Cu-In-Se量子點被成功地包裹在介孔二氧化硅基質(zhì)中,。HAADF圖和相應(yīng)的元素圖譜表明,，大部分Cu-InSe@MSN-2具有核@殼結(jié)構(gòu)(圖4d)。綜上所述,，與廣泛認(rèn)可的疏溶劑相互作用控制的聚集形成鮮明對比的是,，這里開發(fā)的耦合兩步序列方法(即量子點和二氧化硅涂層的自組裝)能夠同時執(zhí)行以下功能。首先,，CTAB介導(dǎo)的自組裝使得Cu-In-Se量子點具有較高的聚集程度,。其次，二氧化硅包覆步驟可以進一步將單個Cu-In-Se量子點緊密地包裹在一起,，避免致密排列的崩塌,。以上結(jié)果表明Cu-In-Se@MSN量子點聚集體的尺寸分布相對均勻。此外,，Cu-In-Se@msn-2的壽命高達783.2µs(圖4f),。在水和95%乙醇中分別是原始Cu-In-Se量子點的1.3×105和4.8倍以上(表1)。Cu-In-Se量子點的長壽命衰減在很大程度上歸因于大量的Cu-In-Se量子點的緊密排列,，它通過限制覆蓋配體的振動和旋轉(zhuǎn),，同時阻止了非輻射路徑,，并激活了輻射衰減路徑,。

Cu-In-Se量子點在80%或更多乙醇中的壽命成像可以很容易地識別背景信號，并具有一致的偽色,，這表明長壽命近紅外-II磷光具有很高的可靠性,。時間分辨NIR-II成像數(shù)據(jù)驗證了長壽命NIR-II磷光可以作為一種非常有用的工具來提高成像的準(zhǔn)確度和精確度?；赗ose標(biāo)準(zhǔn),，抗光漂白可以通過避免動態(tài)生物相關(guān)信息的丟失來提高活體成像的時間分辨率，特別是在連續(xù)長期生物成像的情況下,。因此,，需要驗證其穩(wěn)定性。在應(yīng)用新制造的Cu-In-Se@MSN之前納米復(fù)合材料作為活體成像的探針,，與分散在50%乙醇/50%胎牛血清混合物中的Cu-In-Se量子點的發(fā)光強度相比,，在功率密度為0.14W cm2的808 nm激光照射2h后，Cu-In-Se@MSN-2在高鹽的PbS和FBS溶液中的光漂白作用可以忽略不計,。此外,，Cu-In-Se@MSN-2在37°C的熱PBS和FBS中的熒光強度在800min內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，而未經(jīng)二氧化硅包覆的Cu-In-Se量子點的光學(xué)性質(zhì)在3h后明顯惡化,。將Cu-In-Se@MSN固體粉末存放在冰箱中,，在不需要進一步保護的情況下，可以穩(wěn)定幾個月。上述數(shù)據(jù)揭示了Cu-In-Se@MSN在不同環(huán)境中的長期光穩(wěn)定性,。在熒光性質(zhì)方面，我們以Cu-In-Se@MSN為例,，說明了Cu-In-Se量子點的組裝越致密,、越穩(wěn)定，其發(fā)光強度越強,，發(fā)光壽命越長,。

圖5：注射不同Cu-In-Se@MSN探針對正常裸鼠血管成像的比較。A)尾靜脈注射成像探針示意圖B)脈注射Cu-In-Se@MSN-2探針C)靜脈注射Cu-In-Se@MSN-1探針的NIR-II顯像D)注射Cu-In-Se@MSN-2探針24小時后的裸鼠高倍率NIR-II血管成像(E)在(D)高倍率血管圖像中沿著白虛線的代表性的PL橫截面強度分布,。高斯擬合配置文件以紅線顯示,。

最后，在上述Cu-In-Se@MSN探針體外NIR-II成像的鼓舞下,，進一步驗證了它們在活體成像中的應(yīng)用,。將壽命較長的Cu-In-Se@MSn-2探針和壽命較短的Cu-In-Se@MSn-1作為對照探針分別靜脈注射到正常裸鼠(n=3)體內(nèi)，注射劑量為20 mg kg?1(圖5a),。然后在選定的時間點收集連續(xù)的全身NIR-II圖像,。如圖5b所示，在注射Cuin-Se@MSN-2探針后2小時,，可以識別腹部區(qū)域的血管結(jié)構(gòu),，并且隨著時間的推移背景保持干凈，可以明顯地看到腹部的血管結(jié)構(gòu),。相反,，當(dāng)使用Cu-In-Se@MSN-1作為對照探針時(圖5c)，整個身體(如肝臟,、心臟,、腎臟和腸道)都有明顯的背景噪聲干擾，幾乎看不到血管結(jié)構(gòu),。隨后進行了高倍率的NIR-II成像,，以可視化血管結(jié)構(gòu)(圖5d)。顯然,，腹部區(qū)域可見具有高階分支的小血管(如圖5d的插圖所示),，表明Cu-In-Se@MSN-2探針用于血管成像的空間分辨率很高。相應(yīng)的血管橫截面強度曲線以尖銳的峰值為特征(圖5e),。通過計算截面強度分布的高斯擬合半高寬(FWHM)進一步測量血管直徑,。所選腹部血管的半高寬值分別為≈123和101µm。因此,，用Cu-In-Se@MSN-2作為活體成像探針可以更準(zhǔn)確,、實時地確定血管的較小分支和高階分支。

參考文獻

Chang,B., Zhu, H., Wu, Y., Wu, S., Zhang, L., Qu, C., Ren, Y., Cheng, Z.,Aggregation-Induced Phosphorescent Imaging in the Second Near-Infrared Window.Adv. Optical Mater. 2021, 2101382.

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