在生物医学成像领域，如何“看”得更深、更清晰，一直是科学家追求的目标。近红外二区（NIR-II：1000–1700 nm）长余辉发光材料，能在激发光停止后，像夜光表一样持续发光，因其可穿透深层组织且背景干扰小，在深层组织成像、信息存储等领域具有重要应用前景。但现有材料有一个明显短板：它们通常需要紫外/可见光甚至X射线这类高能光源来“充电”，不但穿透力有限、难以在体内原位充能，还可能带来辐射损伤。

图1 NIR-I可重复充能的NIR-II多色长余辉发光材料CaSnO₃: Bi²⁺/Ln³⁺示意图。

近日，中国科学院福建物构所结构化学全国重点实验室和福建省纳米材料重点实验室陈学元和郑伟研究员团队提出一种全新的材料设计策略，成功破解了这一难题。他们研制出一种新型稀土近红外长余辉发光材料，只需用低能量的近红外一区光（NIR-I，700–950 nm）光照射，就能像给电池充电一样高效填充能量“陷阱”，在停止激发后，可持续发射超过5小时的NIR-II多色光（图1）。研究团队选择CaSnO₃作为基质，在其中巧妙地掺入两种离子：一种是主族离子铋（Bi²⁺），扮演高效的“敏化剂”和能量吸收天线；另一种是稀土离子（Ln³⁺，如Yb³⁺、Nd³⁺、Er³⁺），作为多色“发光中心”。两者的结合，产生了奇妙的协同效应。Bi²⁺能够高效吸收穿透能力较强的NIR-I光子，并将能量传递给邻近的稀土离子，从而使材料在单一波长700 nm光激发下，产生~980 nm、1064 nm和1532 nm等多个波段的NIR-II特征发光。其中，Yb³⁺的发光量子产率高达81.8%，展现出Bi²⁺卓越显著的敏化增强效果。更关键的是，铋和稀土离子的异价掺杂在晶格中自然引入了如氧空位等电荷陷阱，这些陷阱如同微小的“能量仓库”，能够在激发时储存载流子，并在激发停止后缓慢释放，形成长余辉。

该材料展现出独特的“类上转换”充能机制。传统长余辉材料在紫外光激发下，通常是浅陷阱优先被填充（图2a）。然而，团队通过详细系统的热释光谱和低温发光动力学研究发现，当使用NIR-I光激发这种材料时，能量填充过程发生逆转：深陷阱被优先占据，并在持续激发下逐步向浅陷阱转移（图2b）。这是一种由量子隧穿效应辅助的、非经典的载流子迁移过程。基于这一独特机制，材料表现出可NIR-I反复充能的特性，且多次充能后余辉信号无衰减（图2c）。

图2 CaSnO₃: Bi/Ln在紫外和近红外光激发下的陷阱填充与长余辉发光机制：（a）紫外光激发下的传统陷阱填充过程：载流子经导带迁移，优先占据浅陷阱并储存能量；（b）近红外光激发下，隧穿效应辅助的“类上转换”陷阱填充过程：深陷阱优先捕获载流子，随后逐步向浅陷阱转移；（c）近红外光反复充能下，CaSnO₃: Bi/Yb长余辉信号展现出优异的循环稳定性，信号基本无衰减。CaSnO₃: Bi/Nd纳米探针的NIR-II长余辉成像性能与应用：（d）1%脂肪乳仿组织穿透实验中，不同发射波段长余辉信号的穿透强度对比；（e）小鼠尾静脉注射实物图；（f）808 nm低功率激发下的小鼠NIR-II荧光成像；（g, h）停止激发后不同延迟时间的小鼠NIR-II长余辉成像，呈现长效持续发光特征；（i）不同延迟时间下的信背比；（j-l）808 nm再次充能后，长余辉信号获得恢复，展示优异的原位可重复充能与多次成像能力。

基于该材料体系，团队通过球磨法将其制成纳米颗粒，并用脂质体进行包裹以提升生物相容性。包覆后的纳米探针细胞毒性低，具有良好的安全性。在模拟组织穿透的脂肪乳实验中，该纳米探针发出的光信号穿透16 mm仿生组织后（图2d），形成的图案依然清晰可辨，证实了其在深部组织信息存储方面的潜力。进一步的活体小鼠活体实验表明，通过尾静脉或瘤内注射后，仅用低功率的808 nm光激发，就能实现高对比度的NIR-II长余辉成像（图2e-l），信背比高达19，并且具备优异的原位充能和多次信号恢复能力。

该研究不仅打破了长余辉材料依赖高能激发的传统认知，为深组织、无背景、长时程的活体光学成像与信息读取开辟了新路径，也为设计下一代智能发光材料提供了新思路。相关结果于2026年6月11日在线发表于《Materials Today》杂志（Mater. Today2026, 98, 103421. DOI: 10.1016/j.mattod.2026.103421）。论文第一作者为中国科学院福建物构所博士生邵智清，通讯作者为中国科学院福建物构所精英博士后张伟、黄萍、郑伟和陈学元研究员以及福州大学宋晓荣研究员。该研究得到了国家自然科学基金和福建省杰出青年基金等项目支持。

此前，陈学元团队在新型稀土发光材料的设计合成、激发态动力学和光学性能方面取得了系列重要进展。例如，提出主族离子Te⁴⁺敏化稀土发光新策略，研制出Cs₂ZrCl₆:Te⁴⁺/Ln³⁺高效近红外发光材料（Angew. Chem. Int. Ed.2022, 61, e202201993）；首次观测到Nd³⁺纳秒级室温上转换超荧光、Tm³⁺高阶光子雪崩、Er³⁺反常强紫外上转换发光现象（Nano Lett. 2023, 23, 8576-8584; Nat. Commun. 2024, 15, 9880；Nat. Commun. 2025, 16, 6762），成果入选2024年度“中国稀土十大科技新闻”。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2026.103421

(陈学元课题组 供稿)