近年來，納米材料和納米技術取得了巨大的進展，大大有利于無機納米顆粒（NPs）作為發光探針在各種生物醫學應用中的發展。特別是這些發光納米探針被廣泛應用于疾病標記物等生物標記物的敏感分析。然而發光生物測定技術主要依賴于傳統的分子探針，如鑭系元素（Ln³⁺）螯合物或有機染料，其光化學穩定性差、光漂白率低、潛在的長期毒性或背景噪聲高。

圖1 三種鑭系元素摻雜的納米探針的制備流程

相比之下，摻雜Ln³⁺的NPs具有物理化學性質，包括更好的光穩定性、較低的毒性和優越的光學性能，如長光致發光（PL）壽命、較窄的發射波段和從紫外到第二近紅外（NIR-II）的可調光譜范圍，這使它們成為非常理想的發光納米探針。因此，近年來，Ln³⁺摻雜發光納米探針這一領域掀起了巨大的研究熱情。因此，通過采用Ln³⁺摻雜的NPs，具備長PL壽命的降頻發光（DSL）、長波長發射的NIR-II發光或上轉換發光（UCL），實現了高信噪比的無背景發光生物測定。然而，摻雜Ln³⁺的納米探針由于低亮度和量子產量，在生物醫學應用上受到極大限制。在過去的十年中，科研人員探索了高效合成的Ln³⁺摻雜納米探針的方法，用于疾病標記物的超靈敏發光生物測定。

圖2 一些稀土摻雜的納米材料能量轉移示意圖

基于上述研究內容，中國科學院福建物質結構研究所陳學元研究員團隊圍繞高效稀土摻雜納米探針的設計方法及檢測手段展開了研究討論，總結了他們最近對開發無機Ln³⁺摻雜NPs作為發光生物測定的敏感納米探針的努力。該文章首先介紹了具有理想光學性能的稀土摻雜納米顆粒的控制合成方法以及提高發光效率的調控手段，發展了通用的表面生物偶聯方法以得到生物相容性高的納米探針。

圖3 利用Ln³⁺摻雜納米探針的無背景生物測定策略綜述

文章首先簡要介紹了一些無機鑭系元素(Ln³⁺)摻雜納米探針的構建方案（圖1），系統地討論了控制合成和光學操作的策略（圖2）以及利用Ln³⁺摻雜納米探針進行無背景生物測定的策略（圖3）。

圖4 NaEuF₄納米探針的合成及生物測試

在隨后的稀土納米探針檢測技術的設計方案中，重點提出了基于稀土離子下轉移/上轉換發光特性的三種無背景檢測技術：時間分辨熒光檢測（圖4）、近紅外二區熒光檢測（圖5）和上轉換熒光檢測（圖6）。

圖5 基于NaCeF₄:Er/Yb納米探針的生物測定示意圖

圖6 NaGdF₄:Yb/ Er@NaGdF₄:Yb納米探針進行細胞檢測示意圖

最后，文章總結討論了稀土摻雜納米探針Ln³⁺摻雜納米探針的開發進展情況，提出了其對分析病變中的生物分子、跟蹤藥物性能和監測術后復發具有重要意義。并且，結合Ln³⁺摻雜納米探針發光分析檢測的實驗條件，闡明了該發展方向在臨床及市場化應用中所面臨的一些機遇和挑戰。