导读

水环境中荧光淬灭问题限制了荧光纳米粒子的实际应用。近日，来自韩国汉阳大学的Joonseok Lee团队针对这一挑战，首次开发了一种在NIR-I（700–900 nm）范围内工作的水不敏感下转换荧光纳米粒子（WINPs），有效避免了水分子的干扰，并能够在较低功率辐射强度下有效运行（如图1）。

团队通过单粒子水平光谱表征，证实了其在干燥和水环境中，功率密度阈值和荧光寿命谱均保持一致。并且，WINPs实现了高达22.1 ± 0.9%的量子产率，其检测阈值功率比上转换荧光纳米粒子（UCNPs）低15倍，有效消除了背景噪声，提升了整体性能。在基于WINPs的禽流感病毒（AIVs）样本检测中，在仅100 mW cm⁻²的激发功率下，实现了100%的灵敏度，且曲线下面积（AUC）达到1.000。

该工作以“ Water-insensitive NIR-I-to-NIR-I down-shifting nanoparticles enable stable biomarker detection at low power thresholds in opaque aqueous environments ” 为题，发表在国际光学顶尖期刊《Light: Science & Applications》。

图1：工作在NIR-I范围内的水不敏感下转换荧光纳米粒子的能量转移过程。

研究背景

近红外光学技术因其能够实时、高灵敏度监测生物分子相互作用，并能够在生物环境中实现高分辨率成像，成为生物医学研究中的理想工具。基于近红外发射的上转换纳米粒子（UCNPs）的光学传感器凭借其高灵敏度的检测能力，成为开发生物应用的有力工具。

常见的近红外发射UCNPs以镱（Yb³⁺）离子为敏化剂吸收980 nm红外光，最终发射800 nm近红外光。然而，Yb³⁺离子在980 nm的吸收峰与水分子倍频吸收峰高度重叠，使得其在富水生物环境中会导致信号衰减及额外的热效应。

为解决该问题，研究者采用吸收800 nm红外光的钕（Nd³⁺）离子作为替代敏化剂，有效抑制了热效应，但Nd³⁺敏化上转换仍存在量子产率低的缺陷（Q.Y. <1%），迫使系统依赖高功率密度激发。这不仅增加细胞及目标分析物的光损伤风险，还对激光器稳定性造成压力，阻碍了其商业化应用。

创新研究

WINPs的材料特性及水不敏感的光致发光（PL）特性

团队通过透射电子显微镜（TEM）图像、X射线衍射（XRD）图及光谱数据，展示了WINPs的尺寸、结晶性和光学特性（如图2）。并利用宽场光谱成像系统，对比了WINPs和UCNPs在干燥和水环境下的光致发光（PL）特性（如图3），UCNPs在980 nm激发下，水中检测限功率升至干燥环境的2倍（72 W/cm²），寿命衰减21.3%（54.6 μs），信号强度下降10倍。而WINPs在800 nm激发下，在干燥与水环境中均保持5 W/cm²检测限与稳定寿命（波动<1.8%），信号衰减仅1.8倍。证实了WINPs通过单光子下转换机制能够规避水干扰，为低功耗生物传感奠定了基础。

图2：WINPs的材料特性表征。

图3：WINP寿命特性的表征。

入射光的表征及水环境中WINPs性能评估

进一步，团队揭示了800 nm与980 nm激发光在水环境中的传输特性及其对WINPs性能的影响（如图4）。通过模拟与实验证实：800 nm光在10 mm水深穿透率超97%；980 nm光吸收率达54.6%，在2 W/cm²照射下5分钟内引发50°C剧烈温升，导致UCNPs信号衰减60%；而800 nm激发下水温稳定，WINPs信号波动仅4%。在模拟侧流免疫试纸条（NC膜）的含水环境中，WINPs发光稳定（波动<6%），UCNPs则因水分子猝灭及热效应出现40%信号衰减且难以恢复。

图4：800 nm与980 nm激发光在水环境中的传输特性及其对WINPs的影响。

低功率辐照下WINPs-LFA目标病毒检测的评估

最后，团队展示了基于WINPs的侧流免疫分析（LFA）在禽流感病毒（AIV）低功率检测中的卓越性能（如图5）。WINPs在100 mW/cm²下即可产生强信号，而UCNPs需500 mW/cm²。与UCNPs-LFA相比，WINPs-LFA对H9N2病毒的检测灵敏10倍。在65份临床样本验证中，WINPs-LFA实现了100%灵敏度与1.000的AUC值。

图5： WINPs对目标病毒的稳定检测评估。

总结展望

研究团队开发了一种完全工作在NIR-I区域的水不敏感下移荧光纳米粒子——WINPs。WINPs通过高效NIR-I下转换机制，解决了水环境中光学检测的猝灭与热效应问题，在低功率下实现了不透明生物样本的高灵敏、稳定检测，为生物医学传感提供了革新性工具。

尽管当前WINPs在侧流免疫分析中展现出卓越性能，其大规模生产质量控制与体内代谢仍需深入探索。未来，可探索WINPs在深层组织成像与光热协同治疗中的集成应用，开发针对重大疾病（如癌症、神经退行性疾病）的WINPs多功能检测试剂盒，推动其在水富集临床样本（如血液、脑脊液）中的标准化验证；此外，还可结合微型化激光模块与硅基探测器，构建低功耗、高集成的可穿戴传感设备。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01882-2