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近日，西安電子科技大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院呂銳嬋教授團(tuán)隊在國際化學(xué)頂級期刊《Coordination Chemistry Reviews》（中科院一區(qū)TOP，IF：22.3），發(fā)表了題為“Nanochemistry advancing photon conversion in rare-earth nanostructures for theranostics ”的綜述文章。該論文第一作者為呂銳嬋教授，第一單位為西安電子科技大學(xué)（田捷教授，王燕興博士），合作單位包括中國科學(xué)院長春應(yīng)化所（林君研究員）和紐約州立大學(xué)布法羅分校（Paras N. Prasad教授，Micah Raab博士）。《Coordination Chemistry Reviews》是由愛思唯爾(Elsevier)出版的權(quán)威學(xué)術(shù)期刊，這也是該期刊第一次錄用西電的研究成果。

稀土熒光探針具有獨特的特性，之前已有綜述談到了從紅外（IR）到較短波長的光子上轉(zhuǎn)換發(fā)光（UCL）的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。自2015年來，研究者開始研究使用稀土的下轉(zhuǎn)換發(fā)光（DSL）產(chǎn)生近紅外（NIR）發(fā)射，使發(fā)光或成像波長位于光學(xué)透明窗口（如NIR II和NIR III），以實現(xiàn)深層組織穿透，顯著減少散射，從而實現(xiàn)三維深層組織成像。特別的，該綜述介紹了呂銳嬋教授團(tuán)隊利用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)來制備含有稀土離子、優(yōu)化多殼層結(jié)構(gòu)的化學(xué)組合方法，用材料信息學(xué)（元啟發(fā)式算法）和機(jī)器學(xué)習(xí)來預(yù)測和指導(dǎo)發(fā)光，從而超越經(jīng)驗和試錯，在傳統(tǒng)最優(yōu)發(fā)光粉上進(jìn)一步提高發(fā)光強(qiáng)度和效率。

本篇綜述內(nèi)容框架圖

論文第一部分，綜述介紹了稀土探針的發(fā)光機(jī)理并創(chuàng)新的提出了材料信息學(xué)在此領(lǐng)域的應(yīng)用。論文首先使用能級圖展示了最經(jīng)典的上轉(zhuǎn)換和下轉(zhuǎn)換的經(jīng)典光子傳遞模型，并介紹了利用新的能量轉(zhuǎn)移機(jī)制提高發(fā)光的策略。策略包括：使用染料敏化稀土發(fā)光（天線效應(yīng)收集光子）；通過金屬和其他元素共摻的發(fā)光調(diào)制；以最小的產(chǎn)熱控制激發(fā)態(tài)光子的核殼結(jié)構(gòu)；表面修飾官能團(tuán)及抗體提高生物相容性和靶向性；用于多模態(tài)MRI、CT、光聲、Cerenkov、UCL和NIR II成像的多級復(fù)合納米結(jié)構(gòu)。并創(chuàng)新性提出了人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)輔助材料信息學(xué)，包括離散偶極子近似模擬、啟發(fā)式算法、邏輯回歸和支持向量機(jī)，通過優(yōu)化摻雜元素、濃度并搜索關(guān)鍵影響元素，為納米化學(xué)提供有價值的見解，與傳統(tǒng)的通過試錯或依賴經(jīng)驗的實驗方法相比，可以在傳統(tǒng)最優(yōu)發(fā)光粉的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高發(fā)光效率。

論文第二部分，詳細(xì)介紹并回顧了稀土探針的生物應(yīng)用。擁有UV/Vis的上轉(zhuǎn)換和NIR II/NIR III區(qū)的下轉(zhuǎn)換發(fā)光是稀土的一個顯著優(yōu)勢，使其能夠同時用于成像（細(xì)胞顯微成像及活體多尺度成像）和光療。在生物應(yīng)用方面，具體體現(xiàn)在：用多殼納米粒子在NIR II/NIR III進(jìn)行具有最小副作用的靶向治療；納米光子探針的表面改性，用于體外/體內(nèi)深層組織生物成像；多模態(tài)成像（如圖為具有高分辨率和高穿透的成像手段，其中紅色字體為稀土探針參與的成像手段）；此外，稀土探針還可用于傳感（精確的近紅外熒光/壽命反映溫度）；成像引導(dǎo)的協(xié)同治療（光動力療法、光熱療法、光激活療法）；控制藥物釋放，提高藥物利用率，進(jìn)一步減小副作用。論文最后，提供了與臨床治療相關(guān)的稀土納米探針的典例，如使用光遺傳進(jìn)行腦成像及疾病監(jiān)測，使用開發(fā)的NIR II成像儀進(jìn)行臨床前手術(shù)導(dǎo)航，使用正交激光照射的疾病診療等，充分展示了NIR II成像探針及導(dǎo)航儀在疾病診療領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價值。

稀土探針用于多尺度成像（分辨率和穿透深度維度）

近年來，呂銳嬋教授團(tuán)隊通過算法與實驗相結(jié)合，在生物材料、疾病檢測等領(lǐng)域取得了一系列研究成果，以西安電子科技大學(xué)為第一單位，以第一、通訊作者身份在《ACS Nano》（中科院一區(qū)TOP，IF= 13.5），《Chem. Mater.》（中科院一區(qū)TOP，IF=9.8），《Analy. Chem.》（中科院一區(qū)TOP，IF=7.0），《Nanoscale》（中科院一區(qū)TOP，IF=7.8）等重要期刊上發(fā)表論文30余篇，授權(quán)專利4項，并積極與各大醫(yī)院開展合作，其中團(tuán)隊開發(fā)的眼科疾病AI診斷軟件已成功應(yīng)用于西安市第九醫(yī)院，能夠輔助醫(yī)生和患者診斷視網(wǎng)膜病變分級，診斷準(zhǔn)確率可達(dá)到93%。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010854522000819