镧系元素掺杂的上转换纳米颗粒 (UCNPs)是一类重要的光学材料，与其他发光探针相比具有光稳定性好、发射线尖锐和反斯托克斯位移大等优点。操纵拓扑排列是调节天然光合蛋白质、人造聚合物和无机光学材料中能量迁移的有力工具。而在镧系元素掺杂的上转换材料中，敏化剂 Yb³⁺离子之间的能量迁移在调制发射强度、寿命和波长时表现出巨大潜力。调整材料的拓扑结构也会影响能量迁移过程。上转换纳米颗粒的核壳结构可以被视为具有不同拓扑结构的两个界面连接单元，因此镧系元素活性离子的分配可以对核壳结构中的能量迁移和发射强度产生深远的影响。基于镧系元素的上转换发光 (UCL)可以被应用于例如生物成像、多色显示器、超分辨率纳米显微镜和光伏等多个领域。在生物环境中，上转换成像可以消除自发荧光的干扰并允许无背景检测。这些优势使 UCNPs成为具有应用前景的单分子成像探针，然而，单个纳米颗粒的较低亮度限制了它们在生物成像中的应用，特别是对于小于20 nm的UCNPs。

为了理解拓扑排列与能量迁移之间的关系，并在单颗粒水平上系统地优化小于 20 nm UCNPs的上转换强度，我们设计并制备了一系列~17 nm核-内壳-惰性壳结构 UCNPs，可以分为inside-out、outside-in和 local能量传递结构。选择 Yb³⁺作为敏化剂，选择 Er³⁺作为发射体, outside-in结构是 Er³⁺在核中，Yb³⁺在内壳中，命名的方向的是从敏化剂到发射体的能量转移方向，相反构型命名为inside-out结构。通过控制核和内壳的体积相等，从而在outside-in和inside-out两种结构的敏化剂和发射体之间构建几乎相同的界面。在第三种结构中，Yb³⁺和 Er³⁺在单个核中混合存在（local），则认为活性离子间没有界面。NaLuF₄作为惰性壳层包裹在最外层用于减少表面淬火从而提高上转换效率。

我们精确地控制合成了inside-out、outside-in和local不同拓扑排列的能量迁移结构，并证明了outside-in结构在单颗粒测量水平发射强度最大。为了理解内在能量迁移过程，基于 Dexter的理论，通过蒙特卡罗模拟在 Yb³⁺位点上距离相关的随机游走。模拟数据表明，这种增强可能由于从敏化剂 Yb³⁺到outside-in结构的界面的迁移步数较少，使得迁移过程中的能量损失最小。单颗粒亮度饱和曲线表明，亮度的增强是功率相关的，并且随着功率的增加而增强效果减弱。我们推断是在更高的辐射下有更多的激发态敏化剂，减少了迁移过程中能量损失以及从发射体到敏化剂的反向能量转移对发光的影响。我们优化了outside-in结构的掺杂比例，相比传统的核壳结构，获得单颗粒水平14倍的增强，并进一步用于活细胞中单颗粒的长期实时追踪。我们对不同拓扑结构UCNPs中能量迁移的研究体现了一种创新策略，可以用于设计单分子成像纳米探针，从而可以转化为其他领域的应用，例如信息技术、激光制造、生物医学和生物光子学等。

上述研究成果以“Enhancement of single upconversion nanoparticle imaging by topologically segregated core-shell structure with inward energy migration”为题在线发表于期刊Nat. Commun.上。复旦大学化学系博士生张妍欣和硕士生文蓉蓉为共同第一作者，复旦大学化学系刘倩青年研究员、张云翔青年研究员和哈佛医学院波士顿儿童医院Daniel S. Kohane为共同通讯作者，复旦大学为第一通讯单位。该项研究得到国家自然科学基金、上海市科委等项目的大力支持。

       全文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-33660-8