Water-insensitive NIR-I-to-NIR-I down-shifting nanoparticles enable stable biomarker detection at low power thresholds in opaque aqueous environments

材料科学 不透明度 发光 荧光粉 纳米颗粒 检出限 纳米技术 水溶液 猝灭(荧光) 近红外光谱 光电子学 分析化学(期刊) 光学 化学 荧光 色谱法 物理 物理化学
作者
Dongkyu Kang,Suyeon Kim,Yeongchang Goh,Minseo Kim,Sun-Hak Lee,Jung-Hoon Kwon,Sang Hwan Nam,Joonseok Lee
出处
期刊:Light-Science & Applications [Springer Nature]
卷期号:14 (1)
标识
DOI:10.1038/s41377-025-01882-2
摘要

Abstract Luminescence quenching in aqueous environments poses a challenge for practical applications. Lanthanide-doped up-conversion nanoparticles (UCNPs), representative of near-infrared (NIR)-emitting phosphors, typically utilize Yb 3+ ions as sensitizers, requiring 980 nm light. This wavelength coincides with the transitions of water molecules, interfering with population dynamics, and continuous irradiation causes unintended heating. Although Nd 3+ ions, which absorb at 800 nm, serve as alternative sensitizers, their practical use is limited by low quantum yield (Q.Y.). In this study, we developed water-insensitive down-shifting nanoparticles (WINPs) functioning within the NIR-I range (700–900 nm) to avoid water interference. Characterization through single-particle-level spectroscopy demonstrated water-insensitive properties, with identical powers density and lifetime profiles under both dry and water conditions. The WINPs achieved a high Q.Y. of 22.1 ± 0.9%, allowing operation at a detection limit power 15-fold lower than UCNPs, effectively eliminating background noise and enhancing overall performance. To assess diagnostic potential, we validated WINP-based lateral flow immunoassay (LFA) for detecting avian influenza viruses (AIVs) in 65 opaque clinical samples, achieving 100% sensitivity and an area under the curve (AUC) of 1.000 at only 100 mW cm −2 . These findings highlight the potential of WINPs as water-insensitive NIR phosphors that can operate at low power, even in water-rich environments.
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