近日，生命科学技术学院吕锐婵教授团队在国际化学顶级期刊《Coordination Chemistry Reviews》（中科院一区TOP，IF：22.3），发表了题为“Nanochemistry advancing photon conversion in rare-earth nanostructures for theranostics ”的综述文章。该论文第一作者为吕锐婵教授，第一单位为西安电子科技大学（田捷教授，王燕兴博士），合作单位包括中国科学院长春应化所（林君研究员）和纽约州立大学布法罗分校（Paras N. Prasad教授，Micah Raab博士）。《Coordination Chemistry Reviews》是由爱思唯尔(Elsevier)出版的权威学术期刊，这也是该期刊第一次录用西电的研究成果。
稀土荧光探针具有独特的特性，之前已有综述谈到了从红外（IR）到较短波长的光子上转换发光（UCL）的生物医学应用。自2015年来，研究者开始研究使用稀土的下转换发光（DSL）产生近红外（NIR）发射，使发光或成像波长位于光学透明窗口（如NIR II和NIR III），以实现深层组织穿透，显著减少散射，从而实现三维深层组织成像。特别的，该综述介绍了吕锐婵教授团队利用人工智能和机器学习来制备含有稀土离子、优化多壳层结构的化学组合方法，用材料信息学（元启发式算法）和机器学习来预测和指导发光，从而超越经验和试错，在传统最优发光粉上进一步提高发光强度和效率。
本篇综述内容框架图
论文第一部分，综述介绍了稀土探针的发光机理并创新的提出了材料信息学在此领域的应用。论文首先使用能级图展示了最经典的上转换和下转换的经典光子传递模型，并介绍了利用新的能量转移机制提高发光的策略。策略包括：使用染料敏化稀土发光（天线效应收集光子）；通过金属和其他元素共掺的发光调制；以最小的产热控制激发态光子的核壳结构；表面修饰官能团及抗体提高生物相容性和靶向性；用于多模态MRI、CT、光声、Cerenkov、UCL和NIR II成像的多级复合纳米结构。并创新性提出了人工智能机器学习辅助材料信息学，包括离散偶极子近似模拟、启发式算法、逻辑回归和支持向量机，通过优化掺杂元素、浓度并搜索关键影响元素，为纳米化学提供有价值的见解，与传统的通过试错或依赖经验的实验方法相比，可以在传统最优发光粉的基础上进一步提高发光效率。
论文第二部分，详细介绍并回顾了稀土探针的生物应用。拥有UV/Vis的上转换和NIR II/NIR III区的下转换发光是稀土的一个显著优势，使其能够同时用于成像（细胞显微成像及活体多尺度成像）和光疗。在生物应用方面，具体体现在：用多壳纳米粒子在NIR II/NIR III进行具有最小副作用的靶向治疗；纳米光子探针的表面改性，用于体外/体内深层组织生物成像；多模态成像（如图为具有高分辨率和高穿透的成像手段，其中红色字体为稀土探针参与的成像手段）；此外，稀土探针还可用于传感（精确的近红外荧光/寿命反映温度）；成像引导的协同治疗（光动力疗法、光热疗法、光激活疗法）；控制药物释放，提高药物利用率，进一步减小副作用。论文最后，提供了与临床治疗相关的稀土纳米探针的典例，如使用光遗传进行脑成像及疾病监测，使用开发的NIR II成像仪进行临床前手术导航，使用正交激光照射的疾病诊疗等，充分展示了NIR II成像探针及导航仪在疾病诊疗领域的潜在应用价值。
稀土探针用于多尺度成像（分辨率和穿透深度维度）
近年来，吕锐婵教授团队通过算法与实验相结合，在生物材料、疾病检测等领域取得了一系列研究成果，以西安电子科技大学为第一单位，以第一、通讯作者身份在《ACS Nano》（中科院一区TOP，IF= 13.5），《Chem. Mater.》（中科院一区TOP，IF=9.8），《Analy. Chem.》（中科院一区TOP，IF=7.0），《Nanoscale》（中科院一区TOP，IF=7.8）等重要期刊上发表论文30余篇，授权专利4项，并积极与各大医院开展合作，其中团队开发的眼科疾病AI诊断软件已成功应用于西安市第九医院，能够辅助医生和患者诊断视网膜病变分级，诊断准确率可达到93%。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010854522000819
