稀土上轉換熒光材料的發光性質調變及其應用

賀 飛，蓋世麗，楊飄萍*，林 君

稀土上轉換熒光材料的發光性質調變及其應用

賀 飛1，蓋世麗1，楊飄萍1*，林 君2*

(1.哈爾濱工程大學材料科學與化學工程學院，黑龍江哈爾濱 150001;2.中國科學院長春應用化學研究所稀土資源利用國家重點實驗室，吉林長春 130022)

稀土上轉換熒光材料因為其獨特的4f電子能級排布所帶來的特殊光學、磁性等物理性質而受到研究人員的廣泛關注。特別是其獨特的反斯托克斯光學性質所帶來的近紅外激光響應及紫外至近紅外光區內豐富的熒光發射性質，更是被認為在熒光標記、生物成像、光學分析等領域具有重大的應用潛質。近些年，伴隨材料軟化學制備方法的進步，稀土上轉換納米材料的發光性質及其在多個領域內的應用研究取得了很大的進展。本文主要對稀土上轉換熒光材料的發光性質調變及其在生物成像以及癌癥治療領域的應用研究進展加以闡述。

稀土上轉換熒光材料;發光性質;生物成像;癌癥治療

1 引 言

上轉換熒光是一種反斯托克斯的熒光過程。與斯托克斯熒光現象中高能量入射光子激發低能量出射光子不同，上轉換熒光是在低能量入射光子的連續激發下，發射高能量出射光子。摻雜稀土鑭系元素(例如Er3+和Tm3+)的無機晶體材料具有多重相對穩定的4f電子能級排布，從而可以產生有效的上轉換熒光發射。相比于其他類的上轉換材料，稀土上轉換熒光材料具有更為優良的化學和光學性質，包括穩定的物理化學性質、較大的斯托克斯位移、較低的激發光強度要求、尖銳的發射峰、較長的熒光壽命，和較強的抗漂白性質等。

圍繞其制備方法、發光性質、表面修飾以及生物領域內的應用等話題，以稀土氟化物為代表的稀土上轉換熒光材料在近些年一直是材料領域里的熱點研究對象。尤其是軟化學方法的快速發展，為材料在微觀領域內的可控合成提供了基礎理論和實踐條件。通過對材料微觀結構、組成上的可控合成，材料的熒光發射強度、熒光顏色等性質可以得到較大的改變。此外，材料表面修飾技術可以使材料具有可調變的親水性質、更好的生物相容性以及靶向性，為稀土熒光納米材料在生物成像、疾病診斷和治療方面的進一步應用研究提供了先決條件。

癌癥一直是人類無法完全攻克的醫學難題。迄今為止，癌癥已經成為人類健康的頭號殺手。針對癌癥的早期診斷和治療是目前醫學領域內的熱點話題。納米技術以及納米材料的出現為癌癥的診斷和治療提供了新的思路。尤其在癌癥的靶向治療以及多功能成像診斷方面，納米材料具有很大的優勢。稀土上轉換熒光材料的激發光處于近紅外光區，對人體組織的光毒性和光熱效果相對較低，同時具有更深的穿透深度，因此更有利于在人體內的進一步應用。近些年，圍繞稀土上轉換熒光材料在生物成像及癌癥治療方面的研究成果層出不窮。這些研究工作的開展基本都是基于材料獨特的上轉換熒光性質。因此，本文將對稀土上轉換熒光納米材料的發光性質調變研究及其在生物醫藥領域內的應用研究情況進行系統性的綜述和總結。

2 稀土上轉換熒光材料的發光性質調變

影響上轉換熒光性能的因素較多，既有摻雜離子種類和濃度、基質晶格和粒子尺寸等傳統影響因素，也有核殼結構、非稀土共摻雜離子和金屬增強效應等新興影響因素，均被廣泛用于上轉換熒光性能調變。而探索上轉換熒光性能影響因素過程中獲得的許多結論已經成為通用準則，成為發光材料研究的指導原則。

2.1 摻雜離子種類和濃度的影響

圖1 在相同制備和檢測條件下，納米粒子NaYF4∶Er(a)與 NaYF4∶Yb，Er(b)的上轉換發射光譜圖［1］。Fig.1 Up-convertion emission spectra of NaYF4∶Er(a)and NaYF4∶Yb，Er(b)nanoparticls under similar synthisize and testing condition［1］

截至目前，已報道的能夠產生上轉換的發光中心包括 Er3+、Tm3+、Ho3+、Tb3+、Pr3+、Eu3+、Sm3+、Nd3+和Gd3+等9種稀土離子，前3種研究廣泛，其他研究很少，因為各稀土離子產生上轉換熒光的難易程度不同。另外，除了Sm3+和Nd3+離子，其他稀土激活劑均可利用Yb3+離子作為敏化劑，提高發光強度，激發光波長約為980 nm。通常，單摻雜激活劑材料的上轉換熒光強度很低，有的幾乎不發光，難于應用;而敏化劑和激活劑共摻雜體系的敏化發光強度與激活劑單摻雜體系相比可提高1～3個數量級，甚至更高。Teshima等采用同種方法制備了 NaYF4∶Er和 NaYF4∶Yb，Er晶體［1］。如圖1所示，在相同功率的980 nm光激發下，NaYF4∶Er晶體的上轉換熒光光譜中幾乎無法檢測到Er3+離子特征發射峰的存在，樣品只具有微弱黯淡的綠光發射;而在NaYF4∶Yb，Er晶體的上轉換熒光光譜中能夠檢測到Er3+離子很強的特征發射峰，樣品具有強而明亮的綠光發射。因為敏化劑Yb3+離子對紅外光的吸收能力很強，同時，可將吸收的激發能有效地傳遞給激活劑Er3+離子，進而提高了上轉換熒光效率。因此，目前980 nm光激發的高熒光強度上轉換材料普遍是敏化劑共摻雜體系。

敏化劑和激活劑共摻雜的上轉換熒光體系中，激活劑的摻雜濃度通常很低，一般不超過5%(摩爾分數)，以降低濃度猝滅效應對發光的消減作用;同時，降低摻雜離子對宿主材料晶體結構的影響。在鑭系離子摻雜的熒光材料中，通常都存在一個最佳摻雜濃度(Copt)，當摻雜離子的濃度為Copt時，材料的發光強度達到最大。材料的發光強度一般將隨著激活劑濃度的改變發生如下變化:摻雜濃度從零逐漸增加到Copt時，發光中心的數量相應增多，自然發光強度隨著濃度的增加而提高;在Copt時發光強度達到最大值;進一步提高摻雜濃度使其高于Copt，發光強度將明顯下降，這是由鄰近的激活劑離子之間的相互作用導致的濃度猝滅效應引起的。這種相互作用的強度隨著激活劑離子之間距離的縮短而明顯地加強。在Er3+離子濃度提高的情況下，衰減時間顯著縮短，可以證明這個問題［2］。

綜上，對于 Yb3+-Ln3+(Ln3+= Er3+，Tm3+，Ho3+)共摻雜體系而言，一般Yb3+的最佳摻雜摩爾分數是15% ～40%，以提高能量傳遞效率;Er3+的最佳摻雜摩爾分數是2% ～6%;而激活劑離子 Tm3+和 Ho3+的最優摻雜摩爾分數僅為0.1% ～1%，這比 Yb3+-Er3+離子對中 Er3+的最優摻雜濃度低很多，因為鄰近Tm3+離子之間和鄰近Ho3+之間的相互作用要強得多。

2.2 基質晶格的影響

上轉換熒光材料的發光性質隨著基質晶格的不同，有很大的變化。對于最常見的宿主NaYF4晶體，一般稀土離子摻雜的β-NaYF4發光粉的發光強度比同等條件下α-NaYF4高十幾至幾十倍。衣光舜和陳德樸等利用低溫共沉淀法制備了粒徑約為 37 nm 的 α-NaYF4∶Yb，Er納米球［3］，發現納米球分別經過400，600，700℃高溫焙燒處理后，產物的相組成分別為(α+少量β)、(β+少量α)和(α);同時，焙燒產物發生交聯團聚，形貌變為不規則粒子，尺寸逐漸增大到～170 nm。最重要的是，納米球在溫度400～600℃之間焙燒時，上轉換熒光強度可提高40余倍;而在700℃焙燒時，上轉換熒光強度僅僅略有提高，且遠低于上述低溫焙燒的發光強度。可見，α-NaYF4∶Yb，Er納米粒子的發光強度遠低于 β-NaYF4∶Yb，Er，即使其尺寸比β相大得多。另外，王元生等的研究表明尺寸均約為10 nm的六方相 β-NaYF4∶Yb，Er納米棒的發射強度比立方相α-NaYF4∶Yb，Er納米粒子高25倍［4］。對于六方相NaYF4利于實現高效上轉換熒光的原因，Güdel等對此進行了深入研究［5］，認為在 β-NaYF4晶體中，有兩種相互獨立的晶格格位能夠被共摻雜離子對占據，摻雜離子附近晶格的對稱性降低，促使Yb3+→Er3+能量傳遞過程發生的概率提高4倍，從而極大地提高了發生共振和近共振效應的概率。可見，Yb3+和Er3+對不同晶格格位的占據促使摻雜離子之間的相互作用增強，因此β-NaYF4基質能夠產生高強度上轉換熒光。

此外，在 Ln F3(Ln3+=La3+，Ce3+，Pr3+)、Gd2O3和LaVO4等材料中也發現了宿主晶格相變對材料發光強度的影響［6-8］。

2.3 核殼結構的影響

為了減弱納米粒子尺寸效應和表面缺陷對發光性能的影響，在其表面包覆具有相似晶格常數的殼層材料制備核殼結構已經發展成為調控納米材料發光性能的有效方法。目前，根據殼層結構的摻雜情況，核殼結構上轉換納米材料主要可分為“活性核包覆惰性殼”、“活性核包覆敏化殼”和“活性核包覆活性殼”3種類型，前兩種類型著重于發光強度的增強，可將原始核材料的發光強度提高幾十至幾百倍，最后一種結構著重于新型上轉換激活劑離子的開發及上轉換顏色的調變。

2.3.1 “活性核包覆惰性殼”納米材料

類型Ⅰ，“活性核包覆惰性殼”，是在激活劑摻雜的核粒子表面包覆一層無摻雜的惰性殼，例如 NaYF4∶Yb，Er@NaYF4、NaYF4∶Yb，Ln@CaF2(Ln=Er，Tm，Ho)和NaYF4∶Yb，Er@NaGdF4核殼結構納米晶。惰性殼的主要作用是保護核粒子內部的摻雜離子發光，尤其是接近核粒子表面的摻雜離子發光，不被核粒子表面存在的缺陷、雜質、配體及溶劑的高能震動峰引起的非輻射衰減所猝滅，進而達到增強活性核粒子發光強度的目的。陳學元等以 LiLuF4∶Yb，Ln@LiLuF4(Ln=Er，Tm)納米晶為例探索了核殼結構和殼層厚度對上轉換量子產率的影響［9］，發現核材料 LiLuF4∶Yb，Tm、薄殼和厚殼LiLuF4∶Yb，Tm@LiLuF4納米晶的量子產率分別為0.61%、6.7%和7.6%。可見，上轉換量子產率隨著殼層包覆和殼層厚度的適當增加而增大。另外，可以預見，上轉換熒光強度不會隨著惰性殼的厚度無限增強，張家驊等利用多層NaYF4惰性殼包覆納米棒的發光強度變化對此進行了證明［10］。包覆層數從1增加至3時，納米棒的發光強度依次增大到原來核材料的1倍、3倍和40倍;但包覆層數增加至4時，發光強度僅增大到原來核材料的1.47倍。因為過厚的殼層包覆會嚴重降低材料單位體積內敏化劑和激活劑的數量。

2.3.2 “活性核包覆敏化殼”納米材料

類型Ⅱ，“活性核包覆敏化殼”，是在激活劑摻雜的核粒子表面包覆一層敏化劑摻雜的殼材料，例如 NaGdF4∶Yb，Er@NaGdF4∶Yb、NaYbF4∶Tm@NaYF4∶Nd 和 NaGdF4∶Yb，Er@NaGdF4∶Yb，Nd核殼結構納米晶。敏化殼的作用除了能降低活性核粒子的表面缺陷、表面配體、表面缺陷及溶劑高能震動峰引起的非輻射衰減和熒光猝滅效應外，還能為體系提供更多的敏化劑離子以增強對激發光的吸收和傳遞能力，同時，提高對核材料的能量傳遞效率。更重要的是，殼層中的敏化劑離子與核材料中的敏化劑實現了空間分離，抑制了高濃度敏化劑同時摻雜到核材料中誘發的濃度猝滅效應［11］，對發光的增強能力更強。Capobianco等研究表明 NaGdF4∶Yb，Er@NaGdF4∶Yb 納米粒子中Er3+的熒光發射強度比相同條件下惰性殼包覆的NaGdF4∶Yb，Er@NaGdF4納米粒子強3～10 倍，比 NaGdF4∶Yb，Er核粒子強13 ～20 倍［12］。

最近，能夠大幅度吸收～800 nm泵浦光并將能量高效傳遞給Yb3+離子的新型敏化劑Nd3+離子吸引了研究者的諸多關注，Nd3+離子也被普遍用于 Nd3+-Yb3+-Ln3+(Ln3+=Er3+，Tm3+，Ho3+)三摻雜體系以獲得～800 nm光泵浦的上轉換熒光。作為敏化劑，與Yb3+離子類似，Nd3+離子的摻雜濃度應該比較高，以增強對激發光的吸收能力，并提高能量傳遞效率。然而，在Nd3+-Yb3+-Ln3+3種離子均勻分布的摻雜體系中，Nd3+離子濃度較高時，將與激活劑離子Ln3+發生嚴重的交叉弛豫，消耗多半激發能的同時猝滅激活劑的上轉換熒光，即發生嚴重的濃度猝滅效應。因此，設計制備的“活性核@Nd3+離子摻雜的敏化殼”核殼結構納米粒子，例如 NaYF4∶Yb，Nd，Er@NaYF4∶Nd和NaYbF4∶Tm@NaYF4∶Nd核殼結構納米晶，實現了較高濃度Nd3+離子與其他摻雜離子的空間隔離，可將上轉換熒光強度提高幾十甚至幾百倍［11，13-14］。劉小剛等設計制備了 NaYF4∶Yb，Nd，Ln、NaYF4∶Yb，Nd，Ln@NaYF4和 NaYF4∶Yb，Nd，Ln@NaYF4∶Nd(Ln=Er，Tm，Ho)3 類上轉換納米晶［11］。以Tm3+離子摻雜的3種納米晶為例，在795 nm 激發下，NaYF4∶Yb，Nd，Tm@NaYF4∶Nd 的發光強度與 NaYF4∶Yb，Nd，Tm 和 NaYF4∶Yb，Nd，Tm@NaYF4相比，分別提高了約405倍和7倍(圖2)。

圖2 在795 nm激發下，Yb3+-Nd3+-Tm3+共摻雜納米粒子與核殼結構的上轉換發射光譜圖［11］。Fig.2 Up-convertion emission spectra of Yb3+-Nd3+-Tm3+co-doped nanoparticles and core/shell structures excited by 795 nm［11］

也有科研工作者將Nd3+-Yb3+敏化劑離子對共同摻雜到包覆的殼層中，獲得NaGdF4∶Yb，Er@NaGdF4∶Yb，Nd、NaYF4∶Yb，Er，Ln@NaYF4∶Yb，Nd 和 NaGdF4∶Yb，Ho，Ce@NaYF4∶Yb，Nd 等核殼結構納米晶［15-16］。林君等對比分析了 NaYF4∶Yb，Nd，Er@NaYF4∶Yb，Nd、NaYF4∶Yb，Nd，Er@NaYF4∶Nd 和 NaYF4∶Yb，Nd，Er納米晶的發光強度，結果Yb3+-Nd3+雙摻殼包覆與核材料相比，發光強度提高了522倍，與Nd3+單摻殼包覆相比，發光強度提高了2.6倍。

2.3.3 “活性核包覆活性殼”納米材料

類型Ⅲ，“活性核包覆活性殼”，是在激活劑摻雜的活性核粒子表面包覆激活劑摻雜的殼材料。殼層中摻雜的激活劑種類較為豐富，主要可以分為以下3類:

(1)活性殼內摻雜的激活劑種類是與核內激活劑相同的常見上轉換熒光中心(Er3+、Tm3+、Ho3+)，如 NaYF4∶Yb，Tm@NaYF4∶Yb，Tm 核殼結構納米晶［17］，主要目的是提高核材料的上轉換熒光強度。Van Veggel等研究表明，NaYF4∶Yb，Tm@NaYF4∶Yb，Tm 核殼結構納米晶與 NaYF4∶Yb，Tm納米晶相比，上轉換熒光效率提高了9倍［17］，因為體系激活劑離子濃度不變的前提是總量得到增加，相當于提高了核材料的尺寸。

(2)活性殼內摻雜的激活劑種類是與核內激活劑不同的常見上轉換熒光中心(Er3+、Tm3+、Ho3+)，如 NaYbF4∶Tm@NaYF4∶Yb，Er核殼結構納米晶［18］，主要目的是保證體系能夠產生所有激活劑的特征發射，同時，也可提高體系的整體發光強度。通常，將激活離子對如Er3+-Tm3+或Er3+-Ho3+均勻摻雜到納米材料中時，不同種類的激活劑之間容易發生嚴重的濃度猝滅效應，導致發光強度均被降低。解決上述問題的一種方法是設計制備核殼結構將Er3+和Tm3+離子進行空間隔離，例如 NaYF4∶Yb，Tm@NaYF4∶Yb，Er、NaYF4∶Yb，Er@NaYF4∶Yb，Tm 和 NaYbF4∶Tm@NaYF4:Yb，Er納米晶［18-21］，均可同時檢測到Er3+和Tm3+離子的特征發射，且強度相近，具有可比性。因為核殼結構對Er3+和Tm3+離子的空間隔離加大了兩種離子的間距，抑制了彼此間的猝滅效應，因此兩種離子的發光強度均得到提高。

(3)活性殼內摻雜的激活劑種類是與核內激活劑不同的其他常用下轉換稀土離子(Eu3+、Tb3+、Dy3+、Sm3+)及 Mn2+離子等，如 NaGdF4∶Yb，Tm@NaGdF4∶Ln(Ln=Eu，Tb，Dy，Sm) 和NaGdF4∶Yb，Tm@NaGdF4∶Mn 等核殼結構納米晶［22-25］，主要目的是實現殼內摻雜的 Ln3+和Mn2+等離子的上轉換熒光，同時進行體系發光顏色調變，并提高整體發光強度。這類核殼結構設計中，一般選用Gd3+的化合物作為基質材料，同時，核材料中共摻雜Yb3+-Tm3+離子對，利用“敏化劑Yb3+→累積劑Tm3+→(轉移劑Gd3+→)n→激活劑Ln3+”的能量遷移輔助上轉換機制實現了Eu3+、Tb3+、Dy3+、Sm3+和 Mn2+離子在 980 nm 激發光作用下的上轉換熒光發射以及熒光顏色的調控。

除了上述3種較為普遍的核殼結構設計方式外，還有個別較為特殊的核殼結構組成設計，如可實現暫態全光譜調變的 NaYF4∶Nd，Yb@NaYF4∶Yb，Tm@NaYF4@NaYF4∶Yb，Ho，Ce@NaYF4核殼結構［26］。可見，形式多樣的核殼結構設計為稀土納米晶發光強度和顏色的調變提供了更多、更高效的方法，尤其重要的是摻雜稀土離子的空間隔離避免了彼此間的濃度猝滅效應，為新材料、新機理和新性能的開發提供了有利條件。

2.4 非稀土摻雜離子的影響

共摻雜 Li+、Na+、K+、Ba2+、Sr2+、Ca2+、Zn2+、Bi3+、Fe3+、Mo3+和 Hf4+等非稀土摻雜離子是一種提高上轉換熒光強度的通用方法，通常可將上轉換熒光強度提高幾倍至幾十倍。上述非稀土離子的摻雜摩爾分數一般不會超過30%，導致共摻雜前后材料的晶相、形貌和尺寸基本保持不變，因而能夠忽略這些因素對發光強度的影響。

Li+離子共摻雜是提高上轉換熒光強度的良好方法，因為其離子半徑非常小，僅有0.068 nm，易于實現在宿主晶格中的移動和定位，既能擴散進入晶格中的各種間隙位置，也能替換原晶胞中陽離子的位置，擾動原晶體場對稱性，提高上轉換熒光。

Bi3+、Fe3+和Mo3+等三價離子共摻雜到稀土上轉換熒光材料中時，因為與稀土離子具有相同的化合價態，將直接替換稀土離子以保持電荷平衡。我們利用微波法制備了六方相NaYF4∶Yb，Ln(Ln=Er3+，Tm3+，Ho3+)納米粒子［27］，發現隨著Bi3+摻雜量的增加，NaYF4∶Yb，Tm，Bi和NaYF4∶Yb，Ho，Bi的上轉換熒光強度均呈現先增加后減小的趨勢。在Bi3+的摻雜摩爾分數為4%時，NaYF4∶Yb，Tm，Bi納米粒子中藍光和紅光發射強度達到最大，分別是未摻雜Bi3+樣品發光強度的15 倍和 11 倍;NaYF4∶Yb，Ho，Bi納米粒子中綠光和紅光也達到最大，分別是未摻雜Bi3+樣品發光強度的21倍和10倍。

2.5 金屬增強效應的影響

將表面等離激元貴金屬金和銀與上轉換納米粒子結合是一種提高上轉換熒光強度的有效方法。結合方法按產物結構分主要分為兩種，第一種是將貴金屬納米粒子或貴金屬薄膜直接附著或包覆于上轉換納米粒子的表面，例如，柏林洪堡大學Schietinger和加州大學段鑲鋒兩課題組將金納米粒子或金薄膜附著或包覆于NaYF4∶Yb，Er/Tm納米粒子表面，總的上轉換熒光增強因子可達2.5 ～5.1［28-30］。秦偉平等研究表明附著金納米粒子后，β-NaYF4∶Yb，Tm 納米粒子中位于345 nm波長處Er3+的上轉換發射峰最大增強因子高達109［31］。Cherie R Kagan課題組制備了一種由 Ag或Au單層納米粒子、Al2O3中間層和NaYF4∶Yb，Er納米粒子層疊加的多層復合材料，除了中間Al2O3層的影響，金屬納米粒子種類對熒光強度的影響顯著，例如相同條件下Au納米層對熒光的增強效應為5倍，而 Ag納米層的增強高達45 倍［32］。

綜上，各種影響上轉換熒光的因素之間也不是完全獨立的，往往存在相互影響，因此，研究一種影響因素時，都盡可能排除其他因素的干擾。當然其他因素，如檢測溫度、溶劑和磁場等也對上轉換熒光性能存在影響，但由于有的因素個體差異較大，有的因素研究尚不全面，通常無法獲得公認的、有規律的結論，有的甚至出現相互矛盾的結論，因此暫不介紹。

3 稀土上轉換熒光材料在生物成像領域內的應用

近年來，為了提高信噪比，許多開展的研究都開始致力于開發新的熒光成像技術和發光標記物。由于其獨特的連續激發上轉換過程，上轉換熒光材料顯示出了獨特的反斯托克熒光效應。因此，以稀土上轉換熒光納米材料為標記物的上轉換熒光成像有望完全消除生物組織的自熒光。迄今為止，稀土上轉換熒光納米材料已經成功地應用于不同生物樣品的生物成像，其中包括活細胞和小動物。

3.1 上轉換熒光成像技術的應用研究情況

由于上轉換熒光過程獨特的激發條件(近紅外激光激發)，普通的顯微系統和光學系統無法直接獲得成像信號。因此，開發新型的上轉換熒光顯微鏡以及活體成像設備是上轉換熒光成像技術得以應用的前提條件。基于測試設備的不斷完備以及探針材料的發展，研究人員開展了多種上轉換熒光成像技術的應用研究工作。

3.1.1 稀土上轉換熒光材料用于細胞成像

對于稀土上轉換熒光納米材料在細胞水平上的生物成像，復旦大學李富有課題組通過引進一種停-通激光分光鏡，利用共聚焦針孔技術來隔絕對焦光，構建了激光掃描上轉換熒光共聚焦顯微鏡，如圖3所示［33］。這個儀器是建立在共聚焦掃描裝置上的倒置顯微鏡。一束980 nm連續波激光首先由電流反射鏡引導，然后通過物鏡聚焦于樣品上。掃描點發出的光經由電流反射鏡發生偏移，并且和相反的經由分色鏡的激發光分離，然后通過共焦針孔和濾光片，最后進入作為檢測器的光電倍增管。這種裝置是基于商用共聚焦顯微鏡的基本構造，并且根據上轉換熒光的特點設計制造的。為上轉換熒光成像在細胞水平上的應用提供了前提條件。

圖3 上轉換激光共聚焦顯微鏡結構圖［33］Fig.3 Up conversion laser confocal microscope structure diagram［33］

稀土上轉換熒光納米材料本身具有一定的生物毒性，無法直接應用于生物成像技術中。據報道，用二氧化硅、小分子和聚合物等修飾物包覆的鑭系元素摻雜的稀土上轉換熒光材料可用于活細胞的生物成像。其中，小分子修飾的稀土上轉換熒光材料作為生物模擬探針是很有前景的［34］。迄今為止，所用的小分子包括谷氨酸、6-氨基己酸、檸檬酸、3-巰基丙酸、β-環糊精、壬二酸、α-環糊精、二亞乙基三胺五乙酸等。例如，復旦大學李富友課題組報道了一種帶有聚乙二醇單甲醚(mPEG-OH)的兩親性 LaF3∶Yb，Ho納米粒子(～15 nm)，通過激光共聚焦顯微鏡可以確定其很容易滲入細胞膜［35］。紐約州立大學布法羅分校Prasad課題組證明了具有800～980 nm的上轉換發射的3-巰基丙酸功能化的NaYF4∶Yb，Tm可用于細胞標記［33］。二氧化硅殼層可以提供無毒的屏障，其結果是可以將SiO2包覆的稀土上轉換熒光材料用于活細胞成像。

與細胞、組織及器官的相互作用方式是稀土上轉換熒光材料在生物成像應用之前所需考察的重要內容。最近，韓國化學技術研究所Suh課題組以20幀的速度連續6 h不間斷地考察了單核細胞與PEG-磷脂修飾的NaYF4∶Yb，Er納米顆粒( ～30 nm)［36］。結果表明，NaYF4∶Yb，Er納米粒子的運輸動力學是由單一軌跡內的多個通道組成的。這些通道是以包括運動蛋白如動力蛋白和驅動蛋白為主的運動蛋白為主要運輸方式。通過單個HeLa細胞與 PFG-磷脂包被的 NaYF4∶Yb，Er之間的相互作用，可以研究其細胞內吞作用。可以發現，活性轉運和胞吐過程是組成材料細胞內吞過程的全部途徑［37］。

由于不會產生生物組織的自發熒光，即使在單粒子水平，也可以實現活細胞的上轉換熒光生物成像［38］。加州大學洛杉磯分校段鑲鋒課題組使用激光共聚焦顯微鏡來研究單個NaYF4∶Yb，Tm六面體(～180 nm)的上轉換熒光發射［39］。此外，他們還報道了將AB12小鼠間皮瘤細胞與NaYF4∶Yb，Er@SiO2( ～100 nm)和 PAA 修飾的NaYF4∶Yb，Er納米粒子( ～100 nm)一起培養，發現了單個顆粒的可見熒光發射［40］。加利福尼亞理工學院Cohen課題組報道了個別的NaYF4∶Yb，Er納米晶體(～27 nm)被細胞吞噬后表現出強烈的上轉換熒光發射，并且大大減少了生物熒光［41］。此外，他們還報道了利用 10 nm NaYF4∶Yb，Er納米粒子實現單粒子上轉換成像［42］。

3.1.2 小動物上轉換熒光成像

復旦大學李富有課題組已經開發出使用兩個具有可調功率的外部CW光纖激光器(波長為980 nm)作為激發光源的小動物上轉換熒光成像系統。這種裝置能夠激發Yb3+敏化的上轉換納米粒子以實現生物活體內的熒光成像［43］。在這個系統中，使用光束擴展器將輻射轉換成較大直徑的光束，然后均勻照射小動物的全身。使用電子倍增電荷耦合器件作為信號收集器，這使得微弱的上轉換熒光發射信號能夠更好地被接收。根據上轉換材料的不同激發和發射波長，調整低通濾波器。通過在543 nm或633 nm引入CW激光器來替代980 nm激光作為激發源。得益于其激發光處于近紅外范圍內，這種小動物上轉換熒光成像系統也適用于環境照明光存在的外部環境［44］。這對于成像制導手術等潛在應用來說非常重要。因為上轉換成像系統在工作的時候，醫生在手術過程中也需要適當的外部明光。

為了獲得體內解剖和生理細節，已經成功地研究了不同小動物(包括裸鼠，老鼠表皮，黑鼠和兔子)的上轉換生物成像。許多課題組研究了裸鼠全身的上轉換成像。例如，紐約州立大學布法羅分校Prasad課題組報道了20 nm NaYF4∶Yb，Tm納米顆粒作為探針在體內的NIR-NlR上轉換成像［45］。另外，在靜脈注射 NaGdF4∶Yb，Er，Tm或NaLuF4∶Yb，Tm作為探針后，在具有豐富毛皮的昆明小鼠上也成功地實現了上轉換成像［46］。相比之下，在全身成像中，傳統的熒光信號被證實對于具有全身成像的毛皮的小鼠來說是不利的。使用Tm3+摻雜的稀土上轉換熒光材料作為生物探針的NIR-NIR上轉換成像對生物具有更深的組織穿透力，因此不存在自發熒光和光散射的減少而導致高信噪比光學成像。具有黑色毛皮的老鼠將顯著吸收可見光，這種小鼠從未用于常規熒光體內生物成像。然而，復旦大學李富友課題組報道了整個黑鼠的上轉換成像［47］。他們的方法是皮下注射明亮的上轉換β-NaLuF4∶Yb，Tm納米顆粒(sub-10 nm)。因此，可以從黑色小鼠中成功獲得穿透深度為～2 cm的高對比度上轉換圖像。此外，該課題組還實現了NaLuF4∶Yb，Tm納米粒子(sub-20 nm)在兔體內上轉換成像的高信噪比成像。

3.2 稀土上轉換熒光納米材料用于多模態生物成像

這里討論的多功能納米探針是通過將多功能組分引入稀土上轉換納米顆粒的晶格或表面上，或者簡單地通過在混合納米系統中將它們組合在一起來制備的。

3.2.1 稀土上轉換納米顆粒用于X射線計算機斷層掃描(CT)成像

X射線衰減系數取決于CT標記物的原子數和電子密度;原子數和電子密度越高，衰減系數越高。鑭系元素具有比碘更高的原子數，據報道，鑭系元素稀土上轉換納米顆粒(La、Gd、Yb、Lu等)具有優異的X射線衰減能力，可作為CT造影劑。上海交通大學的崔大祥課題組制備了用于X射線 CT 體內成像的 NaGdF4∶Yb，Er(～5 nm，Hounsfield 單位(HU)=138，10 mg·mL－1)納米晶體［48］。在鑭系元素中，镥具有最高的原子序數。復旦大學李富有課題組已將以NaLuF4作為基質材料的稀土上轉換納米顆粒應用于X射線CT成像［49］。例如，具有優異 X射線衰減能力的NaLuF4∶Yb，Er/Tm(80 ～100 nm)納米顆粒(HU≈350，14.6 mg·mL－1)已成功應用于淋巴結 CT 成像［50］。中國科學院上海硅酸鹽研究所的施劍林課題組制備出25 nm的NaYbF4∶Tm納米顆粒(800 μg·mL－1)用于 CT 成像，HU 值為 250［51］。X射線CT成像中，另一種制備鑭系元素稀土上轉換納米顆粒探針的方法是將CT造影劑負載到稀土上轉換納米顆粒上。含有碘、Au或TaOx納米顆粒的小分子是合適的造影劑。中國科學院長春應用化學研究所的逯樂慧課題組證明，當碘濃度從0.018 mmol/L 升至 0.969 mmol/L 時，共價負載5-氨基-2，4，6-三碘鄰苯二甲酸(AIPA)部分的NaYF4∶Yb，Er@SiO2納米粒子顯示出了CT對比性質［52］。

3.2.2 用于磁共振成像(MRI)的稀土上轉換納米顆粒

MRI目前分為兩種，即 T1-MRI和 T2-MRI。稀土Gd3+是常用的T1-MRI造影劑。因為在基態它具有7個不成對的電子，能夠產生一個大的順磁矩［1］，使得其在T1-MRI成像方面具有很大的應用價值。摻雜Gd3+的稀土上轉換納米粒子可以作為有效的T1-MRI造影劑。使用NaGdF4作為基質材料是獲得磁/上轉換熒光納米探針的主要方法［53］。例如，復旦大學李富有課題組展示了25～55 nm NaGdF4∶Yb，Er/Tm 納米粒子用于活體小鼠的體內雙重模態MRI和上轉換熒光成像［54］。李富有課題組報道了Gd3+和Er3+共摻雜的NaYF4納米熒光粉(其中Gd3+摩爾分數達到60%)應用于昆明小鼠MRI成像當中，其中樣品的 r1值為 0.41 s－1· mol－1·L［55］。實現 T1-MRI的另一種有效方法是在稀土上轉換納米顆粒的表面上摻雜Gd3+。鑭系離子對Huoride離子具有高親和力，這使得Gd3+摻雜到基于氟化物的稀土上轉換納米顆粒表面上，以提供高的MR弛豫常數。李富有課題組開發了一種陽離子交換方法，通過將Gd3+摻雜到具有T1磁性的NaYF4∶Yb，Er納米顆粒的表面上［56］，從而很容易地制備出納米顆粒［57］。這些納米顆粒的 r1值達到 28.39 s－1·mg－1( ～5.8 s－1· mol－1·L)，將制備出的 Gd3+摻雜的稀土上轉換納米顆粒應用于活體小鼠的體內MRI。

3.2.3 用于多模態生物成像的稀土上轉換納米顆粒

常規的診斷成像技術，比如MRI、CT、核和光學成像，都有其優點和缺點。MRI和CT的優點是體內成像、3D斷層掃描的無創性。包括PET和SPECT在內的核成像在體內表現出超高的靈敏度。然而，MRI受到其低靈敏度的限制。此外，CT和核成像分別給患者帶來X射線輻射和放射性的危害。上轉換成像在亞細胞尺度上具有相對較好的靈敏度，但具有組織穿透深度(～cm)較低的缺點。多模態成像可以彌補單個成像模式的缺陷，并給出更準確、更廣泛的信息。許多研究已經將常規診斷成像技術與上轉換成像組合，以實現這種多功能成像。迄今為止，雙模態生物成像:上轉換/MRI，上轉換/CT和上轉換/PET;多模態生物成像:上轉換/MRI/PET，上轉換/MRI/CT，上轉換/CT/SPECT和上轉換/MRI/CT/SPECT成像系統均已報道。例如，復旦大學李富有課題組研發了多功能NaLuF4∶Yb，Tm@NaG-dF4∶Sm納米復合材料，并有效地應用于上轉換熒光/CT/MRI/SPECT四模態生物成像。所得探針可用于探測腫瘤血管的生成(如圖4所示)［56］。南開大學的嚴秀平課題組制備了核-多殼NaYF4∶Yb，Tm@NaLuF4@NaYF4@NaGdF4納米探針，用于上轉換熒光、CT 和 MRI三體成像［49］。

圖4 稀土上轉換熒光納米材料在生物體內多模式成像的應用效果［56］Fig.4 Application of rare-earth upconversion fluorescent nanomaterials in multimode imaging in vivo［56］

4 稀土上轉換熒光材料在癌癥治療領域內的應用

一些納米復合材料，包括稀土上轉換熒光納米材料已經用于醫療研究，包括光動力療法、光熱療法、控制藥物釋放和靶向siRNA等多種癌癥治療手段。稀土上轉換熒光納米材料之所以被引入到治療劑是因為其能在生物體中在近紅外光激發下發揮效用。目前，稀土上轉換熒光納米材料的作用主要分為兩種。第一種是利用稀土上轉換熒光納米材料的波長轉換能力，把治療劑的作用范圍從紫外或可見光區擴展到近紅外區。這種上轉換納米復合材料經常被用來設計光動力療法或帶有光觸發的藥物載體和光致異構化過程。另一種是把稀土上轉換熒光納米材料作為熒光探針監控藥物的分布和代謝。如果在稀土上轉換熒光材料和藥物分子之間存在有效的能量轉換，稀土上轉換熒光納米材料的上轉換發射還可以用來監控已釋放藥物的量。這種納米復合材料已被設計用在光熱療法和化學療法的藥物釋放上。應用于醫療領域的稀土上轉換熒光納米材料的詳細機理和應用實例如下所述。

4.1 用于光動力療法的稀土上轉換熒光納米材料

與化學療法、放射療法和外科手術不同，光動力療法是一種通過光敏劑發射的高能光產生有細胞毒性的活性氧(ROS)來殺滅病變細胞的癌癥治療技術［47］。常用的光敏劑包括鋅酞菁(ZnPc)，四苯基卟啉(TPP)，亞甲藍(MB)，三聯吡啶釕(Ⅲ)，卟啉，血卟啉，部花菁540，二羥基酚菁硅，玫瑰紅(RB)，四取代羥基鋁酞菁(AlC4Pc)，二氫卟吩e6(Ce6)。用于光動力療法的以稀土上轉換熒光納米材料為基底構建的雜化納米發光材料已經進行了相當多的研究［58］。

純的稀土上轉換熒光納米材料不能用于載送藥物。把二氧化硅包覆在稀土上轉換熒光納米材料表面形成異構核殼的納米結構是創建載體層的一種典型方法。新墨西哥科技大學張鵬課題組報道了用摻有部花菁540的二氧化硅層裝配核殼NaYF4∶Yb，Er@SiO2納米復合材料［59］。經過 45 min 974 nm的光照射，這些納米顆粒對癌細胞顯現出基本的光動力療法效果。其他摻有三聯吡啶釕(Ⅲ)的核殼 NaYF4∶Yb，Tm@SiO2顆粒［60］和載有亞甲基藍的 NaYF4∶Gd，Yb，Er@SiO2顆粒［61］也被報道能夠產生活性氧。為了增強光敏劑的運載能力，研究人員合成了其他在介孔二氧化硅中摻雜 ZnPc 的 NaYF4∶Yb，Er@mSiO2

［62］和 NaYF4∶Yb，Er@SiO2@mSiO2［63］核殼納米復合材料。經過5 min 980 nm光照，產生的活性氧開始從介孔二氧化硅層中釋放。最近，新加坡國立大學工程系生物工程系張勇課題組利用在單980 nm光激發下 NaYF4∶Yb，Er@mSiO2的多波長發射能力來同時激發兩種光敏劑(MC540和ZnPc)以增強光動力療法療效。

4.2 基于稀土上轉換納米材料的納米復合材料應用于化學藥物治療

化學藥物治療仍然是臨床上主要的腫瘤治療方法。稀土上轉換熒光納米材料用于化療使成像制導和監控藥物釋放程度成為可能。現今，包括包覆聚合物TWEEN或水凝膠的上轉換熒光納米材料和多孔或中空的納米復合材料在內的基于稀土上轉換熒光納米材料的納米復合材料已經在化療中用于載送藥物和siRNA。其中通過SiO2或介孔二氧化硅修飾的稀土上轉換熒光納米材料帶有多孔結構，這成為運送藥物的良好系統［64-65］。例如，我們課題組把依布洛芬載入到Fe3O4@SiO2@mSiO2@NaYF4∶Yb，Er納米復合材料的核殼結構來構造修飾載藥系統［66］。運載的 IBU分子(6.2%，質量分數)全部從納米復合材料中釋放。在溶液中通過上轉換發射強度來監控被控制藥物的釋放。我們還裝配了NaYF4∶Yb，Er@SiO2納米纖維來運載藥物。成功大學葉晨圣課題組報道了阿霉素能被巰基化到 NaYF4∶Yb，Tm@SiO2表面形成二硫化帶［67］。

此外，光觸發可以定義為光響應功能組，可吸收特定波長的光然后釋放共價結合的分子。一般的光觸發都基于紫外光。然而這只能造成細胞的損傷，并不能深入生物組織產生治療效果。由于稀土上轉換熒光納米材料能完成從近紅外區到紫外區的上轉換發射，貫穿組織的近紅外發射，關于利用稀土上轉換熒光納米材料調整活質分子或藥物已進行了大量研究。西蒙弗雷澤大學趙越課題組報道了膠束聚(環氧乙烷)-嵌段-聚(甲基丙烯酸4，5-二甲氧基-2-硝基芐酯)包覆的 NaYF4∶Yb，Tm納米顆粒的使用。980 nm的光照射使膠束分解，裝載的疏水藥劑被釋放［68］。這些光響應聚合系統在生物醫學上具有潛在的應用價值。中國科學院長春應用化學研究所曲小剛課題組將紫外可光解4-(羥甲基)-3-硝基苯甲酸通過共價鍵加載到NaYF4∶Yb，Tm@SiO2表面上。近紅外光局部變為紫外光，通過光至裂解實現細胞內的按需釋放［69］。

4.3 稀土上轉換熒光材料用于光熱治療(PTT)

光熱治療通過吸收光來產生熱量以損傷癌細胞。光熱治療和上轉換熒光成像結合是很有效的治療方法。由于金和銀的表面等離子體共振吸收，金、銀納米顆粒結合近紅外照射可用作光熱治療的藥劑。因此金銀納米顆粒結合稀土上轉換熒光納米材料成為有效的光熱治療方法。例如吉林大學宋宏偉課題組驗證了核殼NaYF4∶Yb，Er@Ag納米復合材料的上轉換熒光成像和醫療應用［70］。HepG2 細胞和 Bcap-37 細胞與 NaYF4∶Yb，Er@Ag納米復合材料 (600 μg·mL－1)共同培養后用980 nm光(1.5 W·cm－2)照射20 min，存活率分別降到4.62%和5.43%。此外，蘇州大學劉莊課題組合成了PEG修飾的NaYF4∶Yb，Er@Fe3O4@Au納米復合材料(～195 nm)，可對患癌小鼠做靶向光熱治療［71］。二氧化硅層也可以使金納米顆粒附著到稀土上轉換熒光材料。人類神經母細胞腫瘤BE(2)-C細胞和這些納米復合材料一同培養后能被有效殺滅。新加坡國立大學周經武課題組報道了NaYF4∶Yb，Er@NaYF4@SiO2@Au納米復合材料的裝配，并能用于光熱治療［73］。

圖5 基于稀土上轉換熒光納米材料的多模式成像和多功能治療體系［72］Fig.5 Multimode imaging and multifunction therapy based on rare-earth upconversion fluorescent nanomaterials［72］

4.4 稀土上轉換熒光材料用于多模式治療

納米材料的多功能化一直是其重要的性能優勢和特點。通過對稀土上轉換熒光納米材料結構和表面進行細心的設計，可以使材料具有多重治療效果。這種方法為提高癌癥治療效率提供了新的思路。本課題組通過軟化學方法制備出具有多功能治療效果的稀土基納米復合材料，實現了化學藥物、光動力治療和光熱治療的有機結合，如圖5所示［72］。同時，利用稀土上轉換納米材料的成像功能，還可以將診斷和治療過程相結合，進一步提高治療過程的準確性和效率。這種思路后來被進一步發展，利用對生物組織穿透性更好的808 nm激光，通過稀土上轉換納米材料與金簇材料所組成的復合材料，實現了光聲成像、上轉換熒光成像與光熱治療和光動力治療的結合。這個思路能夠使成像效果和治療過程在同一個光源下產生，進一步加強了診斷和治療過程的結合程度［74］。

5 總結與展望

稀土上轉換熒光材料的特殊光學性質決定了其在生物醫學領域內具有重要的應用前景。然而，在實際應用之前，依然存在一些急需解決的問題。在材料的熒光性質方面，由于上轉換熒光的特定過程所決定的其較低的熒光量子效率。因此，提升材料的熒光量子效率和發光強度將會一直是相關研究領域內的努力方向。同時，由于上轉換熒光的激發需要較高功率密度的連續激光照射。因此，在發光過程中，只有少部分的激光能量被材料所吸收。在生物應用中，尤其在生物體內應用時，沒有被吸收的激光能量會對生物組織產生很大的熱效應，進一步限制了材料的應用。因此，獲得具有更高激光吸收能力和利用能力的上轉換熒光材料也是十分重要的研究內容。

在生物應用方面，稀土上轉換熒光材料在生物體外的熒光標記、光學分析等方面已經展現出了很好的應用前景。目前需要進一步增強的是熒光測試的穩定性和可靠性。因為熒光測試過程對環境條件的依賴作用很強，所以應該進一步對材料熒光性質分析的條件加以規范。此外，在生物體內應用的領域中，稀土上轉換熒光材料的長期毒性還需要進一步驗證。尤其是不同顆粒尺寸、結構和表面性質的材料在生物組織、器官中的代謝、穩定性等方面的系統性數據依然缺乏。因此，還需要進一步的研究工作來對以上問題加以解決。

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Luminescence Modification and Application of The Lanthanide Upconversion Fluorescence Materials

HE Fei1，GAI Shi-li1，YANG Piao-ping1*，LIN Jun2*

(1.College of Material Science and Chemical Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China;2.State Key Laboratory of Rare Earth Resource Utilization，Changchun Institute of Applied Chemistry，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130022，China)*Corresponding Authors，E-mail:yangpiaoping@hrbeu.edu.cn;jlin@ciac.ac.cn

Due to its unique 4f electron configuration，the lanthanide upconversion fluorescence materials with special luminescence，magnetism properties have drawn considerable research attention in the world.Thereinto，the anti-Stokes upconversion luminescence property that can emit light in the field of UV to NIR region upon NIR laser also endow it with huge promising application potential in the field of fluorescence probe，bio-imaging，and fluorescence analysis.Recently，on account of big step of the development of the soft chemistry synthesis method，great progress of luminescence property and application of the lanthanide upconversion fluorescence materials have been made.Accordingly，in this work，we mainly focus on the recent research advances of the lanthanide upconversion luminescence modification and application in the field of bio-imaging and cancer therapy.

lanthanide upconversion fluorescence materials，luminescence property;bio-imaging;cancer therapy

2017-11-03;

2017-12-06

國家自然科學基金(51772059，51602072);中國博士后科學基金面上項目(2016T90269)資助Supported by National Natural Science Foundation of China(51772059，51602072);Special Financial Grant from The China Postdoctoral Science Foundation(2016T90269)

O482.31

A

10.3788/fgxb20183901.0092

1000-7032(2018)01-0092-15

賀飛(1985－)，男，內蒙古興安盟人，博士，副教授，碩士生導師，2013年于哈爾濱工程大學獲得博士學位，主要從事納米材料醫學的研究。

E-mail:hefei@hrbeu.edu.cn

楊飄萍(1972－)，男，吉林榆樹人，教授，博士生導師，2005年于吉林大學獲得博士學位，“龍江學者”教授，哈爾濱工程大學二級教授，教育部“新世紀優秀人才”，黑龍江省杰出青年基金獲得者，主要從事微納米功能材料的醫學應用方面的研究。

E-mail:yangpiaoping@hrbeu.edu.cn

蓋世麗(1986－)，女，吉林通化人，博士，副教授，碩士生導師，2013年于哈爾濱工程大學獲得博士學位，主要從事生物醫學光子學的研究。

E-mail:gaishili@hrbeu.edu.cn

林君(1966－)，男，吉林長春人，研究員，博士生導師，1995年于中國科學院長春應用化學研究所獲得博士學位，中國稀土學會、中國儀表功能材料學會常務理事，中國稀土學會發光專業委員會主任，Scientific Reports、中國稀土學報(中英文)、發光學報等雜志編委，1999年入選中國科學院百人計劃，2002年獲得國家杰出青年科學基金，2004年獲得國務院政府特殊津貼，2007年入選“新世紀百千萬人才工程國家級人選”，主要從事稀土發光方面的研究。

E-mail:jlin@ciac.jl.cn