Recent Progress in Controlled Synthesis of Persistent Luminescence Nanomaterials for Diagnosis Applications

doi:10.7503/cjcu20210509

Abstract

Abstract:

Persistent luminescence nanomaterials with special optical characteristics can remain luminescent after cessation of excitation. By collecting the persistent luminescence signal after autofluorescence decays， autofluorescence interference can be efficiently eliminated. Additionally， the interference of light scattering can also be avoided since in situ light excitation is not involved， leading to improved sensitivity in biodetection and bioimaging. Owing to the distinct optical properties， persistent luminescence nanoparticles opened a new door to the biological applications from biosensing/bioimaging to theranostics. Recently， controlled synthesis of persistent luminescence nanomaterials with improved luminescent properties and biocompatibility has attracted great attention with the increasing need for in vitro biodetection and in vivo bioimaging. In this review， we firstly summarize the controlled synthesis method for persistent luminescence nanomaterials， such as sol-gel method， hydrothermal method， thermal decomposition method， template method， etc. Secondly， the application of the persistent luminescence nanomaterials for diagnosis both in vitro and in vivo are further discussed. Given the potential of persistent luminescence nanomaterials in biosensing， the current challenges and future perspective are also discussed.

Key words: Persistent luminescence, Controlled synthesis, Autofluorescence, Biosensing, Disease diagnosis

CLC Number:

O644

TrendMD:

XI Jing, CHEN Na, YANG Yanbing, YUAN Quan. Recent Progress in Controlled Synthesis of Persistent Luminescence Nanomaterials for Diagnosis Applications[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(11): 3247.

Figures/Tables 13

References 82

1	Matsuzawa T.， Aoki Y.， Takeuchi N.， Murayama Y.， J. Electrochem. Soc.， 1996， 143， 2670—2673
2	Li Y.， Gecevicius M.， Qiu J. R.， J. Cheminformatics， 2016， 45， 2090—2136
3	Pan Z.， Lu Y. Y.， Liu F.， Nat. Mater.， 2011， 11， 58—63
4	Wang J.， Ma Q.， Wang Y.， Shen H.， Yuan Q.， Nanoscale， 2017， 9， 6204—6218
5	de Chermont Q.， Chaneac C.， Seguin J.， Pelle F.， Maitrejean S.， Jolivet J. P.， Gourier D.， Bessodes M.， Scherman D.， Proc. Natl. Acad. Sci. USA， 2007，104， 9266—9271
6	Li N.， Li Y.， Han Y.， Pan W.， Zhang T.， Tang B.， Anal. Chem.， 2014，86， 3924—3930
7	Zhang K. Y.， Yu Q.， Wei H.， Liu S.， Zhao Q.， Huang W.， Chem. Rev.， 2018， 118， 1770—1839
8	Wang Y.， Li Z.， Lin Q.， Wei Y.， Yuan Q.， ACS Sensors， 2019， 4， 2124—2130
9	Wang J.， Ma Q.， Hu X. X.， Liu H.， Zheng W.， Chen X.， Yuan Q.， Tan W.， ACS Nano， 2017， 11， 8010—8017
10	Liang L.， Chen N.， Jia Y.， Ma Q.， Wang J.， Yuan Q.， Tan W.， Nano Res.， 2019， 12， 1279—1292
11	Lin Q.， Li Z.， Yuan Q.， Chinese Chem. Lett.， 2019， 30， 1547—1556
12	Sun S. K.， Wu J. C.， Wang H.， Zhou L.， Zhang C.， Cheng R.， Kan D.， Zhang X.， Yu C.， Biomaterials， 2019，218， 119328
13	Sun S. K.， Wang H. F.， Yan X. P.， Acc. Chem. Res.， 2018， 51， 1131—1143
14	Wang J.， Li J.， Yu J.， Zhang H.， Zhang B.， ACS Nano， 2018， 12， 4246—4258
15	Song L.， Li P. P.， Yang W.， Lin X. H.， Liang H.， Chen X. F.， Liu G.， Li J.， Yang H. H.， Adv. Funct. Mater.， 2018， 28， 1707496
16	Wu B. Y.， Yan X. P.， Chem. Commun.， 2015， 51， 3903—3906
17	Wu B. Y.， Wang H.， Chen J.， Yan X. P.， J. Am. Chem. Soc.， 2011， 133， 686—688
18	Tang Y.， Song H.， Su Y.， Lv Y.， Anal. Chem.， 2013， 85， 11876—11884
19	Xu J.， Tanabe S.， J. Lumin.， 2018， 205， 581—620
20	Liu J.， Lécuyer T.， Séguin J.， Mignet N.， Scherman D.， Viana B.， Richard C.， Adv. Drug. Deliver. Rev.， 2019， 138， 193—210
21	Zhou Z.， Li Y.， Peng M.， Chem. Eng. J.， 2020， 399， 125688
22	Thomas L.， Eliott T.， Gonzalo R. G.， Thomas M.， Bruno V.， Johanne S.， Nathalie M.， Daniel S.， Cyrille R.， Theranostics， 2016， 6， 2488—2524
23	Abdukayum A.， Yang C. X.， Zhao Q.， Chen J. T.， Yan X. P.， Anal. Chem.， 2014， 86， 4096—4101
24	Bessière A.， Sharma S. K.， Basavaraju N.， Priolkar K. R.， Binet L.， Viana B.， Bos A.， Maldiney T.， Richard C.， Scherman D.， Chem. Mater.，2014， 26， 1365—1373
25	Liu H.， Li Z.， Shen R.， Li Z.， Yang Y.， Yuan Q.， Nano Lett.， 2021， 21， 2854—2860
26	Shi L.， Zheng W.， Miao H.， Liu H.， Zhao Y.， Microchim. Acta， 2020， 187， 615
27	Wang J.， Ma Q.， Zheng W.， Liu H.， Yin C.， Wang F.， Chen X.， Yuan Q.， Tan W.， ACS Nano， 2017， 11， 8185—8191
28	Zhang L.， Lei J.， Liu J.， Ma F.， Ju H.， Biomaterials， 2015， 67， 323—334
29	Li J.， Huang X.， Zhao X.， Chen L. J.， Yan X. P.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2021， 60， 2398—2405
30	Pei P.， Chen Y.， Sun C.， Fan Y.， Yang Y.， Liu X.， Lu L.， Zhao M.， Zhang H.， Zhao D.， Liu X.， Zhang F.， Nat. Nanotechnol.， 2021， 16， 1011—1018
31	Abdukayum A.， Chen J. T.， Zhao Q.， Yan X. P.， J. Am. Chem. Soc.， 2013， 135， 14125—14133
32	Zhao H.， Shu G.， Zhu J.， Fu Y.， Gu Z.， Yang D.， Biomaterials 2019，217， 119332
33	Zhang Y.， Huang R.， Lin Z.， Song J.， Wang X.， Guo Y.， Song C.， Yu Y.， J. Alloy. Compd.， 2016， 686， 407—412
34	Teston E.， Richard S.， Maldiney T.， Lièvre N.， Wang G. Y.， Motte L.， Richard C.， Lalatonne Y.， Chem. Eur. J.， 2015， 21， 7350—7354
35	Liu J.， Lecuyer T.， Seguin J.， Mignet N.， Scherman D.， Viana B.， Richard C.， Adv. Drug Deliver. Rev.， 2019， 138， 193—210
36	Zhao B.， Zhu Q.， Sun X.， Li J. G.， Ceram. Int.， 2021，47， 17000
37	Zhang H.， Fu X.， Niu S.， Qin X.， J. Lumin.， 2008， 128， 1348—1352
38	Duan X.， Yi L.， Huang S.， Integr. Ferroelectr.， 2020， 210， 74—82
39	Sun Y.， Liu S.， Sun L.， Wu S.， Hu G.， Pang X.， Smith A. T.， Hu C.， Zeng S.， Wang W.， Liu Y.， Zheng M.， Nat. Commun.， 2020， 11， 5591
40	Lv X.， Chen N.， Wang J.， Yuan Q.， Sci. China Mater.， 2020， 63， 1808—1817
41	Li Z.， Wang J.， Shen R.， Chen N.， Qin X.， Wang W.， Yuan Q.， Small， 2021， 17， 2100562
42	Lin X. H.， Song L.， Chen S.， Chen X. F.， Wei J. J.， Li J.， Huang G.， Yang H. H.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2017， 9， 41181—41187
43	Li Z.， Zhang Y.， Wu X.， Huang L.， Li D.， Fan W.， Han G.， J. Am. Chem. Soc.， 2015，137， 5304—5307
44	Hu S.， Li Z.， Luo Q.， Ma Q.， Chen N.， Fu L.， Wang J.， Yang R.， Yuan Q.， Cryst. Growth Des.， 2019， 19， 2322—2328
45	Fu L.， Wang J.， Chen N.， Ma Q.， Lu D.， Yuan Q.， Chem. Commun.， 2020， 56， 6660—6663
46	Lan N. M. C. H.， Thang C. X.， Pham V. H.， Kien P. T.， Minh V. T. N.， Tam T. T. H.， Optik， 2019， 199， 163310
47	Zou R.， Huang J.， Shi J. P.， Lin H.， Zhang X.， Wong K. L.， Zhang H.， Jin D.， Wang J.， Su Q.， Nano Res.， 2017， 10， 2070—2082
48	Glais E.， Pellerin M.， Castaing V.， Alloyeau D.， Touati N.， Viana B.， Chaneac C.， RSC Adv.， 2018， 8， 41767—41774
49	Beke D.， Nardi M. V.， Bortel G.， Timpel M.， Czigany Z.， Pasquali L.， Chiappini A.， Bais G.， Rudolf M.， Zalka D.， Bigi F.， Rossi F.， Bencs L.， Pekker A.， Markus B. G.， Salviati G.， Saddow S. E.， Kamaras K.， Simon F.， Gali A.， Chem. Mater.， 2021， 33， 2457—2465
50	Wang H. F.， Chen X.， Feng F.， Ji X.， Zhang Y.， Chem. Sci.， 2018， 9， 8923—8929
51	Lee S. S.， Zhu H.， Contreras E. Q.， Prakash A.， Puppala H. L.， Colvin V. L.， Chem. Mater.， 2012， 24， 424—432
52	Ou X.， Qin X.， Huang B.， Zan J.， Wu Q.， Hong Z.， Xie L.， Bian H.， Yi Z.， Chen X.， Wu Y.， Song X.， Li J.， Chen Q.， Yang H.， Liu X.， Nature， 2021， 590， 410—415
53	Li L.， Pandey A.， Werder D. J.， Khanal B. P.， Pietryga J. M.， Klimov V. I.， J. Am. Chem. Soc.， 2011， 133， 1176—1179
54	Wei X.， Huang X.， Zeng Y.， Jing L.， Gao M.， ACS Nano， 2020， 14， 12113—12124
55	Shi J.， Sun X.， Li J.， Man H.， Shen J.， Yu Y.， Zhang H.， Biomaterials， 2015， 37， 260—270
56	Li Z. J.， Shi J. P.， Zhang H. W.， Sun M.， Opt. Express.， 2014， 22， 10509—10518
57	Li Z.， Zhang Y.， Xiang W.， Wu X.， Wu X.， Maudgal R.， Zhang H.， Han G.， Adv. Sci.， 2015， 2， 1500001
58	Li Z. J.， Zhang Y. J.， Zhang H. W.， Fu H. X.， Micropor. Mesopor. Mat.， 2013， 176， 48—54
59	Shi J. P.， Sun M.， Sun X.， Zhang H. W.， J. Mater. Chem. B， 2016，4， 7845—7851
60	Zou R.， Gao Y.， Zhang Y.， Jiao J.， Wang J.， ACS Appl. Mater. Inter.， 2021， 13， 9667—9680
61	Shi J. P.， Fu H. X.， Sun X.， Shen J.， Zhang H. W.， J. Mater. Chem. B，2015， 3， 635—641
62	Dai W. B.， Lei Y. F.， Ye S.， Song E. H.， Chen Z.， Zhang Q. Y.， J. Mater. Chem. B， 2016， 4， 1842—1852
63	Li Z.， Yu N.， Zhou J.， Li Y.， Zhang Y.， Huang L.， Huang K.， Zhao Y.， Kelmar S.， Yang J.， Han G.， Adv. Mater.， 2020， 32， 2003881
64	Feng Y.， Liu R.， Zhang L.， Li Z.， Su Y.， Lv Y.， ACS Appl. Mater. Inter.， 2019， 11， 44978—44988
65	Sanad M.， Rayan D. A.， Rashad M. M.， Opt. Quant. Electron.， 2019， 51， 192
66	Cheng B.， Zhang Z.， Han Z.， Xiao Y.， Lei S.， Crystengcomm， 2011， 13， 3545—3550
67	Boiko V.， Dai Z.， Markowska M.， Leonelli C.， Hreniak D.， Sci. Rep.， 2021， 11， 141
68	Mandl G. A.， van der Heggen D.， Cooper D. R.， Joos J. J.， Seuntjens J.， Smet P. F.， Capobianco J. A.， Nanoscale， 2020， 12， 20759—20766
69	Moon J. W.， Kim J. S.， Park J. H.， Ivanov I. N.， Phelps T. J.， Acta Biomater.， 2019， 97， 557—564
70	Elsagh M.， Rajabi M.， Amini E.， J. Mater. Sci⁃Mater. El.， 2014， 25， 1612—1619
71	Srivastava B. B.， Kuang A.， Mao Y. B.， Chem. Commun.， 2015，51， 7372—7375
72	Zhao Y.， Zheng F.， Shi L.， Liu H.， Ke W.， ACS Appl. Mater. Inter.， 2019， 11， 40669—40676
73	Zhang Y.， Huang R.， Lin Z.， Song J.， Wang X.， Guo Y.， Song C.， Yu Y.， J. Alloy. Compd.， 2016， 686， 407—412
74	Feng F.， Chen X.， Li G.， Song L.， Hong Z.， Wang H. F.， ACS Sensors， 2018， 3， 1846—1854
75	Li J.， Yang C.， Wang W. L.， Yan X. P.， Nanoscale， 2018， 10， 14931—14937
76	Yang S. H.， Zhang H. Y.， Huang C. C.， Tsai Y. Y.， Liao S. M.， Appl. Phys. A： Mater.， 2021， 127， 588
77	Li N.， Diao W.， Han Y.， Pan W.， Zhang T.， Tang B.， Chem. Eur. J.， 2014， 20， 16488—16491
78	Liu J. L.， Zhao X.， Chen L. J.， Pan L. M.， Yan X. P.， Anal. Chem.， 2021， 93， 7348—7354
79	Zhao H.， Liu C.， Gu Z.， Dong L.， Li F.， Yao C.， Yang D.， Nano Lett.， 2020， 20， 252—260
80	Liu H.， Ren F.， Zhou X.， Ma C.， Wang T.， Zhang H.， Sun Q.， Li Z.， Anal. Chem.， 2019， 91， 15064—15072
81	Li Y. J.， Yang C. X.， Yan X. P.， Anal. Chem.， 2018， 90， 4188—4195
82	Liu J. M.， Zhang D. D.， Fang G. Z.， Wang S.， Biomaterials， 2018， 165， 39—47

[1]	CAO Shujie, LI Hongjun, GUAN Wenli, REN Mengtian, ZHOU Chuanzheng. Progress on the Stereocontrolled Synthesis of Phosphorothioate Oligonucleotides [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(Album-4): 20220304.
[2]	JIANG Bowen, CHEN Jingxuan, CHENG Yonghua, SANG Wei, KOU Zongkui. Recent Progress of Single-atom Materials in Electrochemical Biosensing [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(9): 20220334.
[3]	SUN Xuefeng, RENAGUL Abdurahman, YANG Tongsheng, YANG Qianting. Synthesis and Luminescence Properties of Cr，In Co-doped Small Size MgGa₂O₄ Near-infrared Persistent Luminescence Nanoparticles [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(4): 20210850.
[4]	JIANG Jun, GONG Tiantian, ZHANG Chengpeng, LIU Xiaoqian, ZHAO Junwei. Synthesis and Electrochemical Biosensing Properties of Pyridine Dicarboxylic Acid Decorated Rare-earth-incorporatedTellurotungstates [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(1): 20210561.
[5]	WANG Qing, HE Yuqiu, WANG Fuan. Advances of Multifunctional Deoxyribozyme in Biomedical Analysis [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(11): 3334.
[6]	LI Huiyuan, LEI Chunyang, HUANG Yan, NIE Zhou. Structural Modification of Fluorescent Proteins and Their Applications in Biosensing [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(11): 2324.
[7]	ABDUKAYUM Abdukader, ABDURAHMAN Renagul, TUERDI Ailijiang, MAMATIMIN Adil. Synthesis and Photoluminescence Properties of β-Ga₂O₃∶Cr³⁺Persistent Luminescence Nanoparticles with Near-infrared Afterglow^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2016, 37(5): 810.
[8]	ZHU Wen-Qing, XING Xi-Ping, ZHANG Chao, YUAN Yu-Kun, CHEN Ya-Shao. Controlled Synthesis of Nd₂(CO₃)₃?8H₂O Particles in the Media of Reverse Microemulsions [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2012, 33(05): 1036.
[9]	LI Yue-Jun, CAO Tie-Ping, WANG Chang-Hua, SHAO Chang-Lu*. Fabrication and Enhanced Photocatalytic Properties of Heterostructures SnO2/TiO2 Composite Nanofibers [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2011, 32(4): 822.
[10]	CUI Bin^1,2, WANG Xun¹, LI Ya-Dong¹. Preparation of Monodisperse Nanocrystalline Barium Titanate [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2007, 28(1): 1.
[11]	WANG Hai, WU Yu, XU Bo-Qing. Synthesis and Characterization of Nanosized Anatase TiO₂ Cuboids [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2005, 26(4): 607.
[12]	YIN Shuang-Feng, XU Bo-Qing . Size-controlled Synthesis of Silicalite-1 Nanocrystals [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2003, 24(7): 1169.