【人物与科研】苏州科技大学叶常青、中科院化学所宋延林团队Angew. Chem. Int. Ed.：设计荧光比率测温方法新思路

导语

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。其中，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，能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。近日，在国家自然科学基金委的大力支持下，苏州科技大学叶常青教授和中科院化学所宋延林研究员团队在该领域取得了新成果，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（Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202110830）。

叶常青教授简介

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。

宋延林研究员简介

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余篇学术论文，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。

前沿科研成果

基于三线态-三线态湮灭上转换的荧光比率纳米测温法

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的化学结构式

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

研究结果表明，随着温度的升高，TTA上转换胶束的上转换发光强度增强，同时下转换磷光强度减弱，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的温度范围内呈现良好的线性关系，灵敏度可高达32.56% °C^-1。

图2. TTA双分子体系在溶液和胶束中相关表征及TTA上转换胶束热灵敏度

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

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。此外，可靠性和可重复性也将制约温度探针实际应用。本研究结果表明，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

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

进一步研究发现，湮灭剂的结构设计对TTA上转换纳米胶束的检测性能的影响规律。湮灭剂引入羟甲基基团可进一步消除聚合物浓度的干扰，通过立体化学手段改变湮灭剂化学结构可调控TTA上转换的热传感灵敏度。

图4. 不同TTA上转换胶束的测温性能表征

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

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。

图5. TTA上转换胶束的应用

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

该工作报道了一种简单的TTA上转换胶束制备方法，并将其发展成为新型荧光比率纳米测温探针，表现出良好的检测灵敏度、可靠性和可重复性，为生物热成像、纳米医药和微/纳流体学的温度监测提供了一种新策略。这成果近期以“Luminescence Ratiometric Nanothermometry Regulated by Tailoring Annihilators of Triplet-Triplet Annihilation Upconversion Nanomicelles”为题发表在Angewandte Chemie International Edition（DOI: 10.1002/anie.202110830）。第一作者是苏州科技大学青年教师李琳博士，通讯作者是苏州科技大学叶常青教授和中科院化学所宋延林研究员（论文作者：Lin Li, Chun Zhang, Lei Xu, Changqing Ye, Shuoran Chen, Xiaomei Wang, Yanlin Song）。研究工作得到国家自然科学基金（51873145）、江苏省自然科学基金—优秀青年项目（BK20170065）、江苏省自然科学基金-青年项目（BK20180289）、江苏省高等学校自然科学基金（17KJA430016）、青蓝工程、江苏省第5批333高层次人才培养项目（No. BRA2018340）、江苏省六大人才高峰项目（No. XCL-79）的大力支持。