同价离子掺杂对用于放疗监测的持久发光纳米磷光体的变革性影响

本研究表明，同价掺杂可有效改变持久发光纳米磷光体ZnGa₂O₄:Cr的电子微环境，与异价掺杂相比，其发光性能得到显著提升。本研究合成了Ca²⁺/Mg²⁺掺杂和Ge⁴⁺/Sn⁴⁺掺杂的ZnGa₂O₄:Cr纳米颗粒，并通过透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）和持久发光测量对纳米颗粒进行了表征。结果显示，Ca²⁺/Mg²⁺同价掺杂的ZnGa₂O₄:Cr产生的持久发光强度比传统Ge⁴⁺/Sn⁴⁺异价掺杂的对应物高1.5倍。电子顺磁共振（EPR）测量和密度泛函理论（DFT）计算进一步表明，同价掺杂不会直接在带隙内产生施主或受主陷阱中心，而是通过增加氧空位浓度显著增强ZnGa₂O₄:Cr的持久发光性能。

此外，开发了核-壳结构的ZnGa₂O₄:Cr@ZnGa₂O₄:Ca（ZGO@Ca）纳米磷光体，其持久发光强度比ZnGa₂O₄:Ca,Cr高1.78倍。通过用 KADEVDAC-BHQ-3 肽（ZGO@Ca-Pep-BHQ）对 ZGO@Ca 纳米颗粒进行功能化，可通过放疗后Caspase-3（Cas-3）标记物监测肿瘤细胞的凋亡指数。

通过细胞和小鼠成像及放疗实验评估了ZGO@Ca-Pep-BHQ在放疗监测中的能力。使用ZGO@Ca-Pep-BHQ纳米探针，在细胞和小鼠实验中均观察到辐射剂量依赖性的肿瘤细胞凋亡。

值得注意的是，该纳米探针表现出抗原捕获和淋巴结浸润能力，从而增强了放疗效率。这项工作凸显了同价掺杂在调控磷光体微观电子结构和发光性能中的关键作用，为改进肿瘤治疗的监测和疗效铺平了道路。文章发表在《Chemical Engineering Journal》上（点击阅读原文查看）。DOI ：10.1016/j.cej.2025.161412

研究过程与结果

该研究遵循了一个非常清晰和完整的逻辑链条，首先提出同价离子掺杂（如用 Ca²⁺ 取代 Zn²⁺）虽不直接引入电荷缺陷，但可能通过晶格应变等效应间接稳定并增加氧空位浓度，从而有望超越异价掺杂的效果；然后采用水热法合成了ZnGa₂O₄:Cr基础材料，并分别制备了同价掺杂（Ca²⁺, Mg²⁺）和异价掺杂（Ge⁴⁺, Sn⁴⁺）的纳米颗粒，通过一系列表征确认了颗粒的形貌、尺寸和晶体结构，最后使用IVIS成像系统和荧光光谱测量发光性能，发现同价掺杂样品的持久发光强度和寿命显著优于异价掺杂样品。

DFT 计算证实同价掺杂不会在带隙中直接引入新的缺陷能级，但会显著降低氧空位的形成能，使其更容易生成，电子顺磁共振直接检测到同价掺杂样品中的氧空位信号更强，采用核-壳结构工程，其中壳层有效抑制了表面淬灭效应，并允许更高的掺杂浓度，将发光强度进一步提升至普通掺杂样品的10倍以上，制备出了最优材料ZnGa₂O₄:Cr@ZnGa₂O₄:Ca (ZGO@Ca)。

通过核壳工程增强同价掺杂纳米磷光体的持久发光

将ZGO@Ca与Cas-3（Caspase-3）响应肽和BHQ-3淬灭剂连接，构建ZGO@Ca-Pep-BHQ智能纳米探针。在体外与体内验证的结果证明了探针的低毒性、良好的细胞摄入能力，以及其发光强度与UV/X射线照射剂量的正相关关系。在小鼠肿瘤模型中，成功实现了对放疗效果的实时、无创、在体监测，发光信号与放疗剂量同步变化。

体外 Cas-3 检测

在细胞水平上监测 Cas-3 的表达

研究还进一步发现ZGO@Ca-Pep-BHQ纳米探针具有高效捕获肿瘤抗原的能力，并能迁移至淋巴结，可能通过激活抗肿瘤免疫反应，起到了 “原位疫苗”的作用，从而放大了放疗的远端效应和整体治疗效果。

放疗效率监测

DFT计算在该研究中的工作

传统的异价掺杂通过引入带电缺陷在禁带中形成陷阱能级（trap levels），从而捕获电子或空穴，增强持久发光。研究人员构建了Ca²⁺/Mg²⁺替代Zn²⁺的ZnGa₂O₄超晶胞模型（2×2×1，56个原子）。DFT计算结果表明Ca²⁺/Mg²⁺掺杂不会在禁带中引入新的中间能级，这意味着同价掺杂不能直接形成电子或空穴陷阱中心。

既然同价掺杂不直接引入陷阱，为何能显著增强发光？DFT计算发现，Ca²⁺/Mg²⁺掺杂显著降低了氧空位（Vo）的形成能，同价离子通过弹性相互作用稳定了晶格中的氧空位，氧空位引入陷阱能级，进一步计算显示，其会在禁带中引入陷阱能级，这些能级可以捕获电子，从而增强持久发光。低温EPR光谱显示Ca²⁺/Mg²⁺掺杂后，g = 2.003处的信号（归属于氧空位）显著增强，DFT计算确认了同价掺杂导致氧空位浓度升高，进而为增强发光EPR结果提供了理论支持。

通过同价离子掺杂调控微电子结构和持久发光

PWmat在该工作中的重要作用

PWmat作为强大的第一性原理计算软件，成功地从原子和电子层面揭示了同价掺杂增强持久发光的间接机制——即通过降低氧空位形成能→增加氧空位浓度→引入电子陷阱，而非直接产生陷阱。这项工作凸显了理论计算在材料设计和新现象阐释中的不可或缺的作用。

构建并优化了56原子 (2×2×1) 的ZnGa₂O₄超晶胞模型，并在此基础上构建了掺杂模型（如用Ca²⁺或Mg²⁺替换一个Zn²⁺）。过程中PWmat使用了模守恒赝势来描述原子核和核心电子；设置截断能为70 Rydberg (约952 eV)，以确保计算精度；对原子位置和晶格进行弛豫，直到原子间的力小于 0.02 eV/Å，从而得到能量最低的稳定结构。

探究Ca²⁺/Mg²⁺掺杂是否在ZnGa₂O₄的带隙中引入了新的缺陷能级（陷阱能级）。过程中PWmat采用了HSE06杂化泛函来进行更精确的电子结构计算，同时也能更准确地预测材料的带隙宽度，相比传统的PBE泛函结果更可靠。PWmat还计算了纯ZnGa₂O₄以及Ca²⁺/Mg²⁺掺杂后的能带结构和态密度，计算结果明确显示，同价掺杂没有在禁带中直接引入任何中间能级，这从理论上证明了发光增强并非由掺杂离子本身直接产生陷阱导致。

PWmat计算了氧空位（V_O）在纯ZnGa₂O₄和Ca²⁺/Mg²⁺掺杂的ZnGa₂O₄体系中的形成能，计算结果表明，在Ca²⁺或Mg²⁺存在的情况下，氧空位的形成能显著降低。这意味着在合成过程中，形成氧空位在热力学上更加容易，因此浓度更高，完美解释了EPR实验观测到的信号增强现象。

PWmat计算了包含氧空位的ZnGa₂O₄体系的电子结构,计算结果显示，氧空位会在禁带中引入明确的缺陷能级，这些能级可以捕获电子，成为持久发光的“陷阱”，从而阐明了发光增强的根本机制。