上轉換材料構建傳感器的研究進展

金夢凡　呂美君　雷小玲　程書雯　尹爭志

【摘 要】上轉換材料可將吸收的長波轉變為短波發射出去，在紅外探測、生物標識、生物成像、藥物載體、警示標識、防偽技術、墻壁涂層等領域，展現了潛在的應用前景。在生物研究領域，該類材料具備生物兼容性好、組織穿透性強、背景信號低、發射峰窄、無光漂白的特點，已得到快速發展與廣泛研究。本文綜述了上轉換材料在傳感器研究中的進展。

【關鍵詞】上轉換；發光材料；傳感器

【Abstract】The absorbed wave should be transferred to higher energy wave via upconversion materials. And the upconversion materials have expressed the potential application in the fields of infrared explore， biomarker， bioimage， drug carrier， emergency labels， anti-counterfeiting technique， and wall layer. In biology， the upconversion materials have the advantage of excellent tissue penetration， good biocompatibility， low background signal， sharp emission peak， weak light bleaching. The upconversion materials have been rapidly developed and widely studied. This paper reviews the progress of upconverion material in sensor studying.

【Key words】Upconversion； Luminescence materials； Sensor

0 引言

通過多光子機制把長波輻射轉換成短波輻射稱為光學上轉換，既反Stokes發光。近年來，上轉換材料引起眾多國內外科研院所及企業的關注與廣泛研究。在傳感器研究領域，與酶、放射性同位素、化學發光、熒光染料、量子點等其他標記材料相比，上轉換傳感器具有靈敏度高、選擇性和穩定性好、操作簡單、便于觀察、無背景熒光、不損傷樣本等諸多優點，克服了酶不穩定、放射性污染、靈敏度差、化學發光重現性差等不足，在活體和疾病因子研究、生物分子檢測等方面取得了突出的研究成果，具有廣闊的應用前景。

1 上轉換材料的制備

研究工作者致力于通過簡單便捷的方法，制備形貌、晶型、尺寸、發光性能可控的上轉換材料，特別是小粒徑、高發光效率的納米粒子，對包括傳感器在內的應用，起到十分重要的作用。目前的制備方法主要有：熱解法、溶劑熱、離子液體法、共沉淀法、燒結法、溶膠凝膠法。其中的熱解法和溶劑熱法最為常用。

1.1 熱解法

熱解法一般采用金屬有機化合物作為前體，表面活性劑輔助高溫分解后制得。在油酸和十八烯體系中，通過逐漸加熱分解對應的三氟金屬鹽，研究人員首次合成了高質量、單分散的LaF3三角納米片[1]。自此以后，大量的高純度、各種形貌、高發光效率的氟化物納米材料得以合成。在優化的實驗條件下，如溶劑、前體濃度、反應溫度與時間，往往可以得到較好的產物；但由于其快速成核的生長過程，難免會形成缺陷，導致量子產率偏低，其毒性副產物也需要小心處理。

1.2 溶劑熱法

溶劑熱在密閉的溶劑中，以較高的蒸氣壓和溫度，超過臨界點的條件下進行化學反應，因此可以提高溶解度和反應速度。摻雜高濃度的Gd，可使NaYF4粒徑變小，由于改變了表面活性劑，晶型也從立方晶轉變成六方相[2]。水熱法以水溶液或水蒸氣作為反應體系，加熱產生一定的溫度和壓力，使得物質進行水熱反應，合成分散的納米顆粒。反應通常在密閉的反應容器（如反應釜）中進行[3]。該方法的優點是反應條件溫和、實驗裝置簡單、操作簡便、環境污染少，可同時進行多個反應；缺點是只適用于對水不敏感的化合物的制備，要特制的反應容器，且不容易觀察粒子生成過程。

最近，長春應化所張洪杰和馮婧團隊報道了室溫下只用一分鐘合成NaBiF4上轉換納米顆粒新型六方相的方法。和傳統方法相比，該方法更簡單方便。而且，用鉍代替稀土金屬將大幅度降低成本，制得產物單分散性好，尺寸480nm。合成的Yb3+和Ln3+共摻NaBiF4上轉換納米顆粒，具有更高的的熒光強度[4]。復旦大學張凡團隊報道了一種殼層過濾效應調節，不依賴功率的正交激發-發射上轉換熒光。即通過精確調控吸收殼層厚度，實現了兩組獨立的正交激發-發射上轉換發光：980nm激發下，發射出Tm3+的特征上轉換紫外光和藍光；796nm激發下，發射出Er3+的特征上轉換綠色熒光。兩組上轉換熒光完全相互獨立，且不受激發功率的影響。通過多維度防偽及多模式癌癥治療，驗證了材料的實用性和獨特性[5]。

2 上轉換材料在傳感器中的應用

光學分析法在檢測傳感領域，具備獨特的優勢。上轉換材料不受組織的干擾，有望實現靈敏的活體檢測。為了實現特異性傳感，材料表面功能化酶、抗體、多肽、細胞等，是必要的步驟，而且要求能夠產生前后的光學信號變化[6]。

2.1 離子傳感

諸如CN-、Hg2+等離子對生命體具有很高的毒性，對其檢測表現了一定的研究價值。使用上轉換材料的離子傳感器具有非常高的靈敏度。研究人員制備了NaYF4：20mol%Yb， 1.6 mol%Er， 0.4 mol%Tm的上轉換納米粒子，表面包裹釕配合物后，實現了Hg2+的靈敏傳感；結果發現Hg2+的檢出限達1.95ppb，比美國環保部的規定值還低[7]。羅丹明B交聯到硅包上轉換納米粒子表面，形成金屬探針，與Cu2+作用后，形成共振能量轉移，580nm處出現新發射峰，同時545nm處的發射峰降低。該檢測體系不受Hg2+的干擾，可以應用到細胞中Cu2+的檢測[8]。

2.2 溫度傳感

溫度在科學研究和應用開發領域，是一個非常重要的物理參數。對其進行精確、無干擾的測定，十分必要。Wolfbeis等人通過改變上轉換粒子的粒徑和摻雜比例，實現了溫度傳感；他們發現六方（NaYF4：YB20%Er2%）/NaYF4粒子的發光效率很高，而且適合用于溫度傳感，該體系可以區分20℃至45℃間的0.5℃溫度變化[9]。合成的Ba4Gd0.65-xEr0.02YbXNb10O30（0≤x≤0.1）材料，基于其531nm和554nm處熒光強度比率變化，構建了303K到573K溫度范圍間的檢測體系，靈敏度達0.013K-1[10]。基于Er-dopedBi3Ti1.5W0.5O9（BTW-x）粒子在532.6nm和549.2nm處的熒光比率，構建了83K到423K間的溫度檢測體系，靈敏度達0.00314K-1。這些傳感器都具有潛在的應用價值[11]。

2.3 氣體傳感

檢測水溶液、生物體液中的氧氣、二氧化碳、氨氣、一氧化碳濃度，具有重要的研究意義。基于上轉換材料的突出優點，其在氣體傳感器中的應用更加引人注目。Wolfbeis團隊采用NaYF4：Yb3+/Tm3+上轉換納米粒子作為發射源，銥配合物作為氧氣示蹤劑，摻雜制備了薄膜，上轉換粒子的發射波與銥配合物形成共振轉移，該過程對氧氣非常敏感，從而構建了氧氣分子的檢測體系[12]。

2.4 生物分子傳感

生物分析可以為疾病診斷治療提供重要的參考指標。上轉換材料，因其檢測背景低，備受關注[13]。Tanke團隊采用400納米的Y2O2S：Yb/Er粒子構建寡核苷酸檢測體系，檢出限達1ng/μL；靈敏度比傳統的cyanine 5標記檢測提升4倍[14]。邢本剛、Malini Olivo、劉剛共同研究創建了一種新穎光聲/熒光多模態導向的診療策略，以響應復雜腫瘤微環境；功能化上轉換納米粒子特異富集在腫瘤部位，達到精準靶向診療。在蛋白酶的作用下，納米結構表面的功能多肽被切斷，暴露出的氨基酸殘基和相鄰粒子表面特異的識別分子發生共價交聯反應，促進納米結構在腫瘤部位的富集。這種策略不僅能夠選擇性富集，同時還能提升交聯后的發光效率，從而進一步提高活性氧產率。該診療一體化探針在腫瘤模型的活體原位、靜脈注射，均獲得明顯治療效果，并可借助光聲成像實現實時療效監測，該策略具有很大的潛在應用價值[15]。Zhang等利用有機染料作為能量受體，組建基于熒光共振能量轉移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1.3nM[16]。

3 結論與展望

上轉換發光材料的研究雖然處于起步階段，面臨材料有效制備、表面功能修飾、高通量應用等挑戰；但至今已經取得了矚目的研究成果，論文發表量快速增長。該類材料主要用于生物學、醫學和生命科學領域的細胞成像、組織及活體成像、生物檢測、光動力治療等方面，展現了獨特的魅力和良好應用前景。未來，提高上轉換效率、發展新型上轉換分子、開發近紅外發射、降低毒性、提高單分散性、開發多色上轉換、拓寬激發范圍、構建核殼結構，以及構建新型傳感器、開放儀器應用、開放光學器件、開放醫藥應用、生物功能化及應用將成為研究重點。我們深信，上轉換材料構建分析傳感體系，將會得到極大的發展。

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[責任編輯：朱麗娜]