本文以 NirVivo-Pro  NIR-II小动物活体荧光成像系统作为靶向骨成像和改善类风湿性关节炎（RA）治疗的设备。镧系离子（Ln³⁺）掺杂的无机发光纳米晶体在生物成像和疾病治疗中有应用前景，但临床应用受限于低发射亮度。晶体场微扰理论上可提高 Ln³⁺发光效率，但现有掺杂方法难以在不改变晶体结构的情况下实现真正的晶体场微扰。H⁺离子半径小、化学活性高，可间隙掺杂进入无机晶体，有望在不影响晶体结构的前提下实现晶体场微扰。文章报道了一种通过间隙 H⁺掺杂实现晶体场微扰增强镧系掺杂纳米晶体发光的策略。

实验设计

· 制备掺杂纳米晶体

以正交相 NaMgF₃为基质，通过改进的高温共沉淀法，在氮气气氛中添加不同量的乙酸（HAc）作为 H⁺源，制备一系列间隙 H⁺掺杂的 NaMgF₃:Yb/Er 纳米晶体（NMF-H-X，X 为 HAc 添加量），并制备了不同 Ln³⁺掺杂和不同 H⁺源的纳米晶体，以及核壳结构纳米晶体和其他基质的掺杂纳米晶体用于对比研究。

图 1(a)：通过正交相 NaMgF₃:Yb/Er 纳米晶体（NCs）的间隙 H⁺掺杂实现晶体场微扰和上转换发光（UCL）增强的理论示意图。左图：间隙 H⁺掺杂；中图：晶体场微扰；右图：UCL 增强。(b)：正交相 NaMgF₃:Yb/Er 纳米晶体的晶体结构和掺杂位点。在该体系中，Ln³⁺离子在八面体对称中心（S₆）取代 Mg²⁺离子，H⁺离子掺杂在间隙晶格位置。(c)：通过di一性原理密度泛函理论（DFT）计算得到的 NaMgF₃:Yb³⁺Mg - VNa - xHi（x 为 H⁺间隙缺陷数量）纳米晶体的每个原子的形成能（ΔEform）随 x 的变化。Yb³⁺表示在 Mg²⁺位点的 Yb³⁺，VNa 是 Na⁺空位，Hi 是间隙 H⁺。ΔEform 是 NaMgF₃:Yb³⁺Mg - VNa - xHi 纳米晶体与孤立组成原子之间的能量差。数据来源作为源数据文件提供。

· 表征和测试

对制备的纳米晶体进行透射电子显微镜（TEM）、粉末 X 射线衍射（XRD）、高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）、元素分析、光致发光光谱、上转换发光（UCL）寿命、扩展 X 射线吸收精细结构（EXAFS）光谱、固体核磁共振（SSNMR）等表征，以及细胞毒性测试和体内成像实验。

实验结果

· 晶体结构与基本表征

NMF-H-X 纳米晶体呈四方形状，XRD 表明均为正交相 NaMgF₃，H⁺掺杂未引起明显峰移，HAADF-STEM 和 EDS 证实 Yb³⁺和 Er³⁺均匀分布，SSNMR 和 X 射线光电子能谱（XPS）证明 H⁺成功掺杂并形成氢键。

图 2(a)：未掺杂和间隙 H⁺掺杂的 NaMgF₃:Yb/Er（Yb/Er = 4/1mol%，NMF-H-X）纳米晶体的透射电子显微镜（TEM）图像。(b)：NMF-H-X 纳米晶体的高分辨率 X 射线衍射（XRD）图谱（左图），中图显示 46.2° - 48.5° 的放大角度区域，右图显示晶胞体积。NMF-H-X 纳米晶体的尺寸在每张图的底部列出。(c)：随机选取的 NMF-H-3.1 纳米晶体的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像以及相应的 Na、Mg、F、Yb 和 Er 的二维能量色散 X 射线光谱（EDS）元素映射图像。(a) 和 (c) 中的比例尺为 50nm。数据来源作为源数据文件提供。

· 晶体场微扰对发光的增强作用

UCL 测试显示，NMF-H-X 纳米晶体在 980nm 激发下有红（~654nm）绿（~545nm）发射，间隙 H⁺掺杂使 UCL 强度显著增强（高达 675 倍），量子产率从 < 0.01% 提升至 0.18%，且增强效果与晶体尺寸无关，与传统核壳结构增强机制不同。制备核壳结构纳米晶体发现，NMF-H-14.7@NaMgF₃随壳层厚度增加 UCL 强度降低，证实 H⁺扩散影响晶体场微扰；NMF-H-7.3@NaMgF₃:H 因抑制 H⁺扩散，壳层增强 UCL 强度。排除了醋酸根离子（Ac⁻）对 UCL 增强的影响，进一步证明增强源于间隙 H⁺掺杂的晶体场微扰。

图 3(a)：合成的不同晶体尺寸的 NaMgF₃:Yb/Er 纳米晶体（NMF-H-X）在合成过程中添加不同名义量的乙酸（HAc）（X = 0 - 14.7mmol）的典型 UCL 光谱。插图显示用佳能数码相机采集的相应光致发光（PL）图像。(b)：NMF-H-X 纳米晶体的 UCL 强度比及其相应晶体尺寸随 HAc 名义量的变化。误差棒表示发光增强因子（紫色）和晶体尺寸（蓝色）的标准偏差。(c)、(d)**：NMF-H-0@NaMgF₃（c）和 NMF-H - 14.7@NaMgF₃（d）核壳纳米晶体的示意图，其中惰性 NaMgF₃壳层厚度不同，以及在 980nm 激光激发下，相应的 Er³⁺的⁴F₉/₂态的 UCL 强度（紫色 / 黑色线，归一化）和寿命（蓝色 / 橙色线）。(e)：用 NaOH（黑线）和 NaAc（橙线）前体合成的 NaMgF₃:Yb/Er 纳米晶体（未掺杂 H⁺）的 UCL 光谱。光谱在 980nm 激发下采集。数据来源作为源数据文件提供。

· 晶体场微扰增强发光的机制

SSNMR 和 XPS 表明 H⁺占据间隙位置与 F⁻形成氢键，改变 Er³⁺配位环境，使配体极化，促进宇称禁阻的 4f - 4f 跃迁，UCL 寿命缩短（NMF-H-3.1 中 Er³⁺的⁴F₉/₂态寿命为 NMF-H-0 的约三分之一），辐射跃迁速率增加，同时 Yb³⁺吸收 980nm 激发光能力增强，共同导致 UCL 强度增强。EXAFS 和温度依赖的 UCL 光谱表明 H⁺掺杂对 Yb - F 距离和 Er³⁺位置影响小，进一步证实晶体场微扰效应。

图 4(a)：NaMgF₃:Yb/Er 晶格间隙 H⁺掺杂形成稳定氢键（F - H⋯F）导致晶体场微扰的示意图。(b)：不同名义 HAc 添加量（X = 0 - 14.7mmol）的 NaMgF₃:Yb/Er（NMF-H-X）纳米晶体的高分辨率 X 射线光电子能谱（XPS）（F 1s）图谱。随着 HAc 添加量增加，峰位的移动证明了氢键的形成。(c)、(d)**：晶体场微扰导致 [ErF₆]³⁻或 [YbF₆]³⁻内的键长和键角有限变化（c）以及微分电荷密度分布显著变化（d）。(e)：在 10K 下，NMF-H-0 和 NMF-H-3.1 纳米晶体中 Er³⁺发射体的⁴F₉/₂态寿命（τ）比较。(f)：NMF-H-0、NMF-H-3.1 和 NMF-H-14.7 纳米晶体在 972nm（Yb³⁺的 ²F₇/₂→²F₅/₂跃迁）的典型吸收光谱比较。(g)：NMF-H-0、NMF-H-3.1 和 NMF-H-14.7 纳米晶体的 Yb LIII 边 EXAFS 光谱的实验点（点）和傅里叶变换拟合结果（实线），证实 H⁺掺杂后 NaMgF₃:Yb/Er 纳米晶体的结构基本不变。RYb - F 是平均 Yb - F 原子间距离。数据来源作为源数据文件提供。

· 掺杂策略的普适性和应用性

制备的 NaMgF₃:Yb/Ho 和 NaMgF₃:Yb/Tm 纳米晶体经间隙 H⁺掺杂后 UCL 强度显著增强，证明该策略可推广到不同 Ln³⁺发射体。用不同 H⁺源制备的 NaMgF₃:Yb/Er 纳米晶体均实现 UCL 增强，其中苯磺酸（BL70）增强效果蕞佳。

图 5(a)：不同名义 HAc 添加量的 Yb/Tm 和 Yb/Ho 共掺杂 NaMgF₃纳米晶体的发光增强因子。绿色条：NaMgF₃:Yb/Tm；紫色条：NaMgF₃:Yb/Ho。(b)：用盐酸（HCl）、甲酸（HCOOH）、丙酸（PA）或苯磺酸（BL70；PhSO₃H）作为 H⁺前体合成的 NaMgF₃:Yb/Er 上转换纳米晶体的 UCL 增强因子。(c)：用不同名义量的 HAc（0 - 14.7mmol）合成的 NaMgF₃:Yb/Er（NMF-H-X）纳米晶体的典型下转换发光（DCL）NIR-II 发射光谱，以及 (d) 相应的发射增强因子。(d) 中的误差棒表示发光增强因子的标准偏差。(e)、(f)**：BALB/c 裸鼠尾静脉注射 1,2 - 二硬脂酰基 - sn - 甘油 - 3 - 磷酸乙醇胺 - N - [甲氧基（聚乙二醇） - 2000]（DSPE - mPEG (2000)）修饰的 NMF-H-0（e）或 NMF-H-3.1（f）纳米晶体在 0.9wt% 生理盐水中的分散液（safety剂量：200μL，20mg/mL）后的体内 NIR-II 图像。比例尺：10mm。(g)：代表性 BALB/c 裸鼠腹部血管荧光图像（感兴趣区域：f 中的橙色框），在 NIR-II 1532nm 窗口（1300nm 长通滤光片，曝光时间 400ms）显示。比例尺：1mm。(h)：基于沿 g 中橙色虚线的横截面强度（数据和高斯拟合）分布对血管半高全宽（FWHM）和信噪比（S/N）的分析。

该策略适用于 CaF₂和立方 α - NaYF₄基质，增强其 UCL 强度和量子产率，且 α - NaYF₄在高 HAc 掺杂下发生相转变，转变后的 β - NaYF₄继续掺杂可进一步增强发光。间隙 H⁺掺杂还增强了 Er³⁺在 NIR-II 光谱区域（1000 - 1700nm）的下转换发光（DCL），使 NaMgF₃:Yb/Er 纳米晶体可用于高分辨率 NIR-II 血管成像，在小鼠体内成像实验中，NMF-H-3.1 纳米晶体可清晰显示血管网络，而 NMF-H-0 几乎无信号。

研究结论

通过简单有效的间隙 H⁺掺杂策略实现了 Ln³⁺掺杂纳米晶体的晶体场微扰增强发光，在不增加晶体尺寸的情况下显著增强了 Er³⁺的 UCL 和 NIR-II DCL，为构建高亮度 Ln³⁺发射的纳米晶体用于光学成像和生物医学应用提供了理论依据。