鑭系摻雜上轉換發光納米材料的研究進展

趙 蓮，馮 建

（1．貴陽醫學院理化實驗中心，貴州 貴陽550004；2．貴陽醫學院化學教研室，貴州 貴陽550004）

1 概述

上轉換是一種非線性的光學過程，通過具有長壽命的中間能態連續吸收2個或2個以上光子，從而能夠發射比激發波長短的熒光。可見，上轉換發光的本質是一種反Stokes發光，因此也稱上轉換發光為反Stokes發光。上轉換這一概念首先由Auzel［1］在20世紀60年代中期獨立提出。此后，對于將紅外輻射轉換為可見光的研究漸漸興起，由此開發出一些非常高效的光學設備，如紅外量子計數檢測器、溫度傳感器及緊湊的固態激光器等，并已達到實用水平。

盡管上轉換發光材料具有優異的潛在應用價值，但在最開始30年的實際應用中，注意力主要集中在體相的玻璃或晶體材料上，由于難以在水溶液中合成出具有高分散性、強上轉換發光的小粒徑的納米晶體（＜50nm），上轉換發光材料在生物學中的應用受到極大限制。直到20世紀90年代，隨著納米技術的興起，上轉換發光納米材料在生物分析和醫學成像應用中的優異性能才逐漸凸顯出來。如今，可以很容易合成出高質量的上轉換發光納米晶體，對上轉換過程的研究也因此迅速發展為光化學、生物物理學、固體物理學和材料學的交叉領域。與有機熒光染料和量子點相比，鑭系摻雜納米晶體在生物熒光標記方面具有更少的限制條件［2，3］，例如：上轉換發光是利用近紅外光激發而不是利用紫外光，因此可以很大程度地消除自體熒光背景的干擾，并能防止生物樣品的光漂白和光損傷；該技術還能實現活體觀測，具有很高的空間分辨率，并能獲得比紫外激發更大的樣品穿透深度［4］；同時，利用小功率的連續激光器（1～103W·cm－2）即可實現上轉換發光，而不必采用昂貴的高能脈沖激光器（106～109 W·cm－2）。

上轉換過程有別于多個光子同時吸收的多光子過程。主要分為3類：激發態吸收（ESA）、能量轉移上轉換（ETU）和光子雪崩（PA），所有過程均包含連續吸收2個或2個以上光子的單元，如圖1所示。

圖1 鑭系摻雜納米晶體主要的上轉換過程Fig．1 Main upconversion process of lanthanide－doped nanocrystals

由圖1可看出，（1）ESA是以單個離子連續吸收光子的形式產生激發，當激發能量與基態能級G到亞穩能級E1之間的躍遷產生共振時，就會發生光子基態吸收（GSA），第2個光子使電子從E1躍遷到更高能級E2，當電子從E2躍遷到G時即產生上轉換發光。

（2）ETU與ESA一樣利用連續雙光子吸收并存在一個亞穩能級，不同之處在于ETU通過2個相鄰離子之間的能量轉移實現激發。在ETU過程中，2個相鄰的離子均吸收相同能量的光子，使電子躍遷至亞穩能級E1，然后它們之間發生一個非輻射的能量轉移過程使一個電子躍遷到能級E2上（同時另一個電子弛豫回到基態G）。摻雜劑濃度決定了相鄰摻雜劑離子之間的平均距離，因此摻雜劑濃度能極大影響ETU過程的上轉換效率。

（3）PA 現象最先由Chivian等［5］在Pr3＋基量子計數器的研究中發現，PA誘導的上轉換要求泵浦強度高于某一閾值，PA過程是由非諧振且較弱的GSA與諧振的ESA組成。PA現象的證據是在閾值功率以下，上轉換發光與激發功率以二次方或三次方變化，而當激發功率超過此閾值時，上轉換信號異常增加。

納米尺度的鑭系摻雜上轉換發光材料的光學性質（包括激發態動力學、發光曲線形態和上轉換效率等）會發生重大改變，例如降低粒徑可能導致中間態的壽命發生變化［6］。對摻雜劑離子在納米尺度上的空間限制將導致特定發射波長處的發光增強，以及產生新的發光。作者在此綜述了近年在設計和合成鑭系摻雜上轉換發光納米材料方面的研究進展；為便于理解摻雜上轉換納米晶體的有效形成，還對摻雜劑／基質設計原理進行了概述；同時討論了鑭系摻雜上轉換發光納米材料發光顏色的調控及其在生物分析中的應用。

2 鑭系摻雜納米晶體的合成

有多種化學方法可用于合成鑭系摻雜上轉換納米晶體，如：共沉淀法、熱分解法、水（溶劑）熱法、溶膠－凝膠法和燃燒合成法等［6－10］。通過優化合成條件和過程參數，可以得到具有確定晶體粒徑、形貌、化學組成、表面功能化和光學性質的納米晶體。

共沉淀法可能是合成超細鑭系摻雜納米晶體最方便的方法之一，該方法得到的晶體具有很窄的粒徑分布。相對于其它方法，共沉淀法不需要昂貴的設備、嚴格的反應條件和復雜的反應過程，且反應時間較短。甚至在有些情況下，可以通過共沉淀法直接得到納米晶體，而不需要后續的煅燒和退火過程。Stouwdam等［6］最早用共沉淀法合成了下轉換的Ln3＋（Ln＝Eu、Er、Nd和 Ho）摻雜LaF3納米晶體。隨后Yi等［11］擴展并改進該方法，在水溶液中以二正十八烷基二硫代磷酸銨為表面包覆劑，利用簡單水溶性無機鹽合成了粒徑更小的上轉換LaF3納米晶體（約5nm），該納米晶體具有很窄的粒徑分布。此外，NaYF4：Yb／Er（Tm）、LuPO4：Yb／Tm 和 YbPO4：Er也能通過共沉淀法合成［9，12－14］，通過后期熱處理（或退火過程）可 以增強上轉換發光。PVP和PEI也廣泛用于控制粒子生長，可使納米晶體具有水溶性，并使其表面功能化［15，16］，特別是PEI包覆的納米粒子提供了直接通過表面功能化分子與生物分子連接的平臺［17］。

Zhang等［18］發展了熱分解法用于合成高分散的LaF3納米晶體，利用該法合成了高質量的NaYF4納米晶體［19，20］。Boyer等［21］利 用 金 屬 三 氟 醋 酸 鹽 前 體 的熱分解合成Yb／Er或Yb／Tm共摻雜NaYF4，油酸作為包覆劑，十八碳烯作為反應介質（沸點為315℃）。其后，Boyer等［20］改進合成方法，通過緩慢加入前體及控制反應溫度以實現成核和晶體生長過程的分離，得到粒徑分布非常窄的NaYF4納米晶體。

水（溶劑）熱合成法是在高于溶劑臨界壓力和溫度的反應條件下，增大固體的溶解性并加快固體粒子之間的反應速率。水（溶劑）熱法的優點是能在相對較低的反應溫度下得到高結晶度的樣品；缺點是需要特殊的反應釜并且不能觀察到納米晶體的生長過程。采用多元醇或膠體介質溶劑熱法可合成晶體粒徑和形貌可調的上轉換納米材料［22，23］。Zhang等［24］報道了以油酸為包覆劑的水熱法合成NaYF4納米棒、納米管和花狀納米盤。最近，將熱分解法和溶劑熱法相結合，合成出了具有多色上轉換發光的LaF3：Yb／Er（Tm，Ho）［25］。

溶膠－凝膠法是一種典型的濕化學方法，常以其制備上轉換納米晶體用于薄膜涂布及玻璃材料。溶膠－凝膠過程包括金屬醇鹽（或鹵化物）前體的水解和縮聚，為了提高結晶度和發光效率，樣品通常需要在高溫下煅燒。Patra等［26］改進了溶膠－凝膠法，合成了以不同金屬氧化物為基質的鑭系摻雜上轉換納米晶體，包括：TiO2：Er、BaTiO3：Er、Lu3Ga5O12：Er和 YVO4：Yb／Er［27－29］。由于難以實現對晶體粒徑的有效控制，并且得到的粒子在水溶液中分散時會發生聚集，因此溶膠－凝膠法合成的納米晶體不適合在生物分析中用作熒光探針。

燃燒合成法利用可控的爆炸，使反應在數分鐘內即可完成。一次熱啟動后，高放熱反應以燃燒波的形式發生，通過反應材料以自持的方式傳播，整個過程不需要額外加熱，反應溫度范圍為500～3000℃。這種節能的反應方法極具吸引力，已經合成出大量的氧化物和氧硫化物上轉換納米晶體（如Y2O3、La2O2S和Gd2O3等）［30－32］。

3 上轉換發光的顏色調控

在將鑭系摻雜上轉換發光納米材料應用于多元生物標記領域時，操控其上轉換輸出顏色的能力至關重要。理想的多元標記熒光標簽應具有相當的光化學穩定性，在給定激發波長下具有強吸收且帶寬較窄、易于分辨的發射光譜。

3．1 控制摻雜劑－基質組合

利用不同的摻雜劑－基質組合是得到多色上轉換納米晶體最直接的方法，每種鑭系離子都具有其獨特的能級，通常呈現出一組尖銳的發射峰，這組峰具有可分辨的光譜指紋。由于不同基質晶體結構具有不同的對稱性，因此給定的鑭系離子在不同基質材料中的發光差異顯著，通過調節摻雜劑－基質組合，就能有效控制鑭系摻雜納米晶體發射峰的波長和相對強度。

Heer等［9］首先報道了鑭系摻雜納米晶體具有高效的多色上轉換發光，Yb／Er和Yb／Tm共摻雜的NaYF4納米晶體分別發出很強的黃色光和藍色光，而Er3＋的黃色光源于2個主要的發光組分。最近，Ehlert等［33］首 次 報 道 了 NaYbF4：Tm、NaYbF4：Ho、NaYbF4：Er和NaYF4：Yb在980nm波長激發下，溶液呈現4種不同顏色的發光。

3．2 控制納米晶體的粒徑

鑭系摻雜納米晶體的上轉換發光顏色還可以通過改變晶體粒徑來調節，多個研究組考察了鑭系摻雜納米晶體粒徑相關的固態光學性質。其中最引人注目的是Vetrone等［30］研究發現20nm的 Y2O3：Yb／Er具有增強的紅色發光。另外，Bai等［34］發現在13～55nm粒徑范圍內，減小粒徑，能實現對Y2O3：Yb／Er的藍色和綠色發光強度的調節。

需要指出的是，鑭系摻雜納米晶體這種粒徑相關的光學性質源于表面效應，而不是量子限制效應的結果。當納米晶體粒徑減小時，表面摻雜劑離子濃度增大，由于納米晶體的發射光譜是位于粒子表面和內部的摻雜劑離子產生發射的總和，因此通過控制粒徑即可改變表面摻雜劑離子濃度，從而改變發光顏色。

3．3 控制摻雜劑濃度

上轉換發光顏色還可以通過改變摻雜劑濃度來調節。摻雜劑濃度決定了納米晶體中摻雜劑離子的相對數量，也決定了晶體中相鄰摻雜劑離子之間的平均距離，因此摻雜劑濃度能對納米晶體的光學性質產生很大的影響。例如，Y2O3：Yb／Er中Yb3＋濃度的增大會使得Er3＋到Yb3＋的反向能量轉移增強，從而導致Er3＋的紅色發光強度增大［30］。Chen等［35］在 Yb／Er共摻雜的ZrO2中觀察到相似的現象。通過降低Yb3＋和Er3＋的濃度，Wang等［36］在 NaYF4：Yb／Er中觀察到紅色發光強度減小。

最近，Liu等建立了一種調節上轉換發光的方法，在980nm單波長光激發下，能實現發光顏色的大范圍改變。該方法基于不同用量的Yb3＋、Tm3＋和Er3＋摻雜的α－NaYF4。Yb／Er（摩爾比為18∶2）共摻雜的NaYF4呈現尖銳的發射峰，歸因于Er3＋的發光，這些發射峰分別對應于藍色、綠色和紅色發光，并最終得到黃色的混合光。重要的是，增大Yb3＋的濃度，可以縮短Yb原子和Er原子之間的間距，有利于從Er3＋到Yb3＋的反向能量轉移，從而導致藍色和綠色發光強度的減小。因此，通過增大Yb3＋的摩爾分數（25%～60%），可以準確改變3種顏色的相對發光強度，從而實現輸出光顏色從黃到紅的調節。

4 鑭系摻雜上轉換發光納米材料在生物分析中的應用

Zijlmans等［37］首次報道利用鑭系摻雜納米材料的上轉換發光性質研究生物識別過程，此后，基于上轉換發光納米材料的生物標記技術取得了實質進展，盡管目前還處于發展初期，該技術在生物分析和醫學成像方面的應用已經展現出巨大的吸引力。現今發展的基于上轉換發光納米材料的生物標記技術可分為3類：體外檢測、活體成像和基于熒光共振能量轉移（FRET）的傳感檢測。

4．1 體外檢測

鑭系摻雜上轉換發光納米材料作為熒光指示劑已用于各種體外檢測研究中，包括：免疫測定、生物親和力分析以及DNA雜交檢測等，在這些檢測方法中，上轉換發光納米材料極大提高了信噪比，從而使檢測限獲得極大提高。例如，Hampl等［38］報道利用亞微米級的Y2O2S：Yb／Er進行免疫色譜分析，在100μL樣品溶液中對絨膜促性腺激素的檢測限為10pg，相對于傳統的標記體系（如Au溶膠）提高了10倍。van de Rijke等［39］利用400nm Y2O2S：Yb／Er對 DNA 的檢測限為1ng·mL－1，其靈敏度為Cy5標記的4倍。Niedbala等［40］利用多色上轉換納米材料同時對多元分析物進行檢測，基于競爭性抑制分析方法，實現了對含有低濃度苯丙胺、甲基苯丙胺、脫氧麻黃堿和鴉片劑的溶液的檢測。

4．2 活體成像

傳統方法常用有機熒光染料和熒光蛋白進行活體成像研究，但存在光穩定性差和自體熒光背景高的缺點，并且其較寬的發射帶導致光譜重疊顯著，在進行多色成像時光譜解析困難；量子點具有很好的光穩定性和較窄的發射峰寬，但其又具有較高的毒性；相對而言，鑭系摻雜上轉換發光納米材料含有低毒性元素，其熒光穩定，且由于NIR激發而具有最小的自體熒光背景。因而鑭系摻雜納米晶體在活體成像中顯示出更好的應用前景。

Lim等［41］將 Y2O3：Yb／Er納米晶體（50～150nm）接種到活的線蟲C．elegans上，并對其消化系統進行成像，在980nm光激發下，能直觀地觀察納米晶體在腸道內的統計分布，重要的是，該納米粒子表現出很好的生物相容性。

Chatterjee等［42］將50nm NaYF4：Yb／Er納米粒子注入Wistar鼠體內，在980nm NIR光激發下，對納米粒子的探測深度可達10mm，比利用量子點進行的檢測還要深很多。該方法有望成為一種全新的對不同深度組織結構進行成像的技術。

4．3 基于FRET的傳感檢測

鑭系摻雜上轉換發光納米材料可以和金屬納米粒子或有機熒光染料結合組成基于FRET體系，實現對生物分子的檢測，如圖2所示。

圖2 基于FRET的傳感器系統Fig．2 Sensor system based on FRET

利用生物素化的NaYF4：Yb／Er作為能量供體、生物素化的納米金作為能量受體，Wang等［36］開發了一種高靈敏的生物傳感器用于檢測親和素。7nm金納米粒子在520nm處具有寬且強的吸收，正好與NaYF4：Yb／Er在540nm的發射相匹配。體系中的親和素利用其與生物素之間的特異性相互作用將供體和受體連接起來，以縮短它們之間的距離，從而發生FRET，最終減小NaYF4：Yb／Er的發光強度。該方法的檢測限達到0．5nmol·L－1。最近，Zhang等［43］利用有機染料作為能量受體，組建基于FRET的傳感器對生物分子進行檢測，對含有26個堿基的寡聚核苷酸的檢測限為1．3nmol·L－1。

5 結語

隨著研究的深入，大量的摻雜劑－基質組合被不斷報道，對這類復雜組成的鑭系摻雜上轉換發光納米材料的研究方興未艾。然而，該領域的研究還存在很多挑戰，其中之一就是缺乏普遍使用的可控的合成和表面修飾方法。另外，如何將上轉換發光納米材料在不同基底上進行圖案化、如何有效實現不同體系的多元高靈敏度檢測、如何與小型化的電子器件整合、如何實現在廉價、高通量平臺上的應用，都是繼續努力發展的方向。

我們深信，隨著合成和應用技術的不斷完善，鑭系摻雜上轉換發光納米材料必將在各個應用領域得到極大的發展。

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