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稀土上转换荧光纳米材料的制备与生物应用进展 单爽谭明乾 （中国科学院大连化学物理研究所生物技术部，辽宁 大连 116023） 摘要：稀土上转换荧光纳米材料作为新型的荧光探针近几年受到研究者的广泛关注，其优势在于光化学稳定性好，发射谱带窄，发光寿命长，Stokes位移大，生物毒性小，利用近红外激光器作为激发光源，组织穿透能力好，对细胞或生物组织的损伤小，几乎没有背景荧光，使其应用生物活体荧光成像成为可能。本文主要综述了稀土上转换荧光纳米材料的制备与生物应用的进展。 关键词：上转换荧光；纳米材料；荧光探针；成像 基金： 通讯作者：谭明乾（1974-），男，满族，辽宁大连市人，博士，副研究员，主要从事分子影像研究。Tel:E-mail：mqtan@dicp.ac.cn。 生物荧光成像作为一项分子、基因水平的分析检测技术，由于具有快速、无损、直观、灵敏度高等优势近年来已广泛应用于临床诊断治疗等各个领域[1]。在生物荧光成像中荧光探针对被检测物进行标记和示踪生物荧光成像目前在生物荧光成像标记中应用最广泛的探针材料是有机染料如吲哚菁绿ICG，罗丹明等，吲哚菁绿是目前唯一被允许应用于临床医学的有机染料[3]。但是它们普遍存在一些局限性如：激发光谱较窄而发射谱带较宽，光稳定性差，易光漂白、光解等，因此不利于进行在体实时、动态检测[4]。近些年随着纳米材料的发展，半导体量子点也被应用于荧光检测中，虽然它具有光稳定性好，荧光量子产率高，发射峰窄，Stokes位移大等优点，但是它也存在一些缺点如化学稳定性差和重金属毒性等。并且无论是有机染料还是半导体量子点都需要紫外光源的激发，组织穿透能力弱，并且会损伤生物组织，生物组织自荧光干扰大等缺点，限制了它们在活体生物荧光成像方面的应用[5]。探针应具备以下条件[2]：1.粒径小且均匀（小于50 nm）；2.具有良好的水溶性和生物相匹配性，毒性低，对生物体功能几乎没有影响；3.具有良好的光化学稳定性，不易被光解或漂白；4.低能量激发，发射光谱特性突出，荧光量子产率高；5.具有良好的组织穿透能力。稀土上转换荧光纳米材料作为新型的荧光探针材料近几年引起了研究者的高度兴趣，它具备了稀土发光材料的普遍优点，如光化学稳定性好，发射谱带窄，发光寿命长，Stokes位移大，生物毒性小等，此外其最大的优势在于利用近红外激光器作为激发光源，具有较强的组织穿透能力，对细胞或生物组织的损伤小，并且几乎没有背景荧光干扰，使其应用在生物活体荧光成像上成为可能，活体荧光成像技术可以使研究人员直接观察动物体内的基因表达和细胞活动，因此对稀土上转换荧光纳米材料的研究具有重大意义[6,7]。 1 稀土上转换荧光纳米材料简介 上转换荧光是在二十世纪六十年代中期被Auzel等人发现，并且首次确切提出了上转换荧光这个概念[8]。此报道一经报出就引起了研究者的极大兴趣，并在光学设备方面取得了，如红外探测器，温度传感器，全固态激光等等。直到九十年代后期，伴随着纳米材料的发展，稀土上转换荧光纳米材料才在生物分析和医学成像方面得到发展。 上转换荧光是利用稀土离子丰富的电子能级结构，通过连续吸收多个光子和能量转移，将低能量的光辐射转换成高能量的光辐射的过程[8]。Auzel在2004年的一篇综述文章中将上转换过程大体归结为四种情况：激发态吸收上转换过程、能量传递上转换过程、协同上转换过程光子雪崩上转换过程[8]。 激发态吸收上转换过程是指处于基态E0的离子吸收一个低能量的光子，被激发到亚稳态E1，然后再吸收一个低能量的光子，被激发到更高的激发态E2，最后从激发态跃迁回到基态时，辐射出高能量光子的过程（图1中）。此过程是上转换荧光的最基本过程，多发生在单离子内部，所以要求掺杂的发光中心离子浓度小，以减小离子间的能量传递引起的能量损失。能量传递上转换过程是指利用激发光激发敏化中心离子，使其电子从基态跃迁到激发态，激发态的电子向下跃迁到能量较低的激发态或者回到基态时释放出的能量，以非辐射共振能量转移的形式传递给相邻的激活中心离子，使激活离子的电子激发到高能态上，再跃迁回至基态时产生辐射跃迁的过程。根据能量传递方式的不同可以分为：能量传递上转换过程（图1中）、交叉弛豫上转换过程（图1中）、连续能量传递上转换过程（图1中）。此过程主要依赖于稀土离子间的相互作用，因此掺杂的稀土离子浓度需要足够高才能保证能量传递的效果。协同上转换过程是指在没有中间亚稳态或者没有最高激发态能级，可以直接达到高能态粒子数布局，然后辐射出短波长光子的过程。包括协同发光上转换过程（如图1中）和协同敏化上转换过程（图1中）。协同上转换过程与能量传递上转换过程有很多相同性质，但其上转换效率要比能量传递上转换过程的低4-5个数量级，可以忽略不计。光子雪崩上转换过程（图1中）是指通过基态吸收、激发态