早期发现和诊断是提高癌症治愈率的有效途径，对人类健康具有重要意义。而近红外激光具有空间分辨率高、穿透深度大、背景荧光低、对组织损伤小等优点，利用两个近红外(NIR)光子作为光源激发可见光发射的双光子荧光成像是监测细胞动态和检测早期病理变化的有力工具。因此，开发高生物相容性、低成本的双光子荧光探针具有重要应用前景。

近期，广州大学化学化工学院/广州市清洁能源材料重点实验室陈旖勃副教授在《Chemical Engineering Journal》上发表了题为“Two-photon photoluminescence and bio-imaging application of monodispersed perovskite-in-silica nanocrystals with high biocompatibility”的论文。本工作将单个CsPbBr₃纳米晶封装进一个二氧化硅纳米壳中以防止Pb²⁺的泄漏,通过各项光学表征和双光子细胞成像实验，研究了它们的双光子和单光子发光特性以及在生物成像中的应用潜力。

全无机钙钛矿铅纳米晶体(CsPbX₃NCs, X = Cl, Br, I)作为半导体光电子领域的明星材料，具有较大的非线性吸收和低阈值多光子泵浦放大自发辐射(ASE)。然而，由于钙钛矿稳定性差和Pb²⁺毒性，限制了它的实际应用。本论文通过调节TMOS和氨水的用量，一步法合成了具有不同SiO₂壳层厚度(15∼60 nm)的CPB@SiO₂核壳NCs。SiO₂壳层的封装能有效防止Pb²⁺的流失，且随着SiO₂壳层厚度的增加，Pb²⁺流失的浓度越来越小(图1i)，说明CPB@SiO₂NCs具有较低的细胞毒性，具有生物成像应用的潜力。

图1 (a) CPB@SiO₂核壳NCs用于双光子生物成像的示意图；(b) TMOS含量与核壳尺寸的关系；(c)CPB@SiO₂-75、(d) CPB@SiO₂-100、(e) CPB@SiO₂-125和(f) CPB@SiO₂-150 NCs的透射电镜图像，比例尺是50 nm；(g) CPB@SiO₂ NCs的FTIR光谱；(h)室温下CPB@SiO₂NCs的拉曼光谱；(i)上清液中Pb²⁺的浓度。

所制备的核壳结构样品在800 nm飞秒激光下均表现出良好的双光子吸收特性。在不添加其他保护性配体的情况下，用16 μg/mL的CPB@SiO2-100 NCs培育HepG2细胞24 h，细胞的存活率达96.21%，说明NCs具有优良的生物相容性。在800 nm飞秒激光扫描下，对照组的HepG2细胞表现出非常微弱的荧光(图2g)，而实验组由于双光子吸收而发出明亮的绿色荧光(图2h)，表明细胞的发光信号来源于CPB@SiO2-100 NCs。此外实验组的累积荧光强度是对照组的5倍(图2f)，说明使用CPB@SiO2-100 NCs作为双光子成像纳米探针可以有效地避免生物细胞自身荧光的干扰，保证良好的成像质量。

图2 800 nm飞秒激光激发下(a) CPB@SiO₂-75， (b) CPB@SiO₂-100，(c) CPB@SiO₂-125， (d) CPB@SiO₂-150 NCs在不同激发功率下的双光子荧光光谱；(e)不同浓度CPB@SiO₂-100 NCs培养HepG2细胞24 h后的细胞活力；(f)实验组和对照组(含或不含CPBr@SiO₂-100 NCs培养) HepG2细胞的累计荧光强度；(g)对照组和(h)实验组HepG2细胞在800 nm飞秒激光下的双光子荧光成像图。

这项工作为可控的钙钛矿核壳纳米结构的制备提供了一种可靠的方法，并为其在生物成像中的应用提供了新的思路。广州大学硕士研究生钟楚瑶为论文的第一作者，陈旖勃副教授为通讯作者。华南师范大学范海华、广州大学陈志峰和美国加州大学圣克鲁兹分校张金中团队对该工作有重要贡献。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.134110