水溶性和功能化修饰的上转换纳米材料概述

上转换纳米材料(upconversion nanoparticles, UCNPs)是一类稀土离子掺杂的无机纳米材料。由于三价的稀土离子具有丰富的电子能级和长寿命的亚稳态能级，因而其中间亚稳态能级可以连续吸收两个或多个低能量的近红外光子，到达更高能级的激发态，然后再回到基态发射出一个高能量光子，实现上转换发光过程。上转换发光是一种非线性发光现象，其本质是反斯托克斯(anti-Stokes)发光，即长波激发(通常是980 nm的红外光激发)，短波发射。

下转换过程是将短波长光转换为更长波长的光，常用的下转换材料有有机染料和量子点。由于大多数有机染料都会发生光漂白，因此使用染料作为荧光团检测目标物时会发生信号消失现象，导致检测失败。与有机染料相比，量子点摩尔吸光系数大，量子产率更高，发射峰窄，发射波长可调，光稳定性好；但是量子点由于含有Cd、Se等元素而具有一定的毒性，因而会对人类健康和环境造成潜在的危害。此外，下转换材料一般由紫外、可见光激发，因此生物样品会产生背景荧光，导致信噪比较低，从而降低检测灵敏度；而且较高能量的激发光也会对生物组织产生光损伤。

与常用的下转换材料有机染料、量子点相比，上转换纳米材料有其鲜明的特点。上转换纳米材料由于其近红外激发的性质，可以有效地避免生物样本本身的自发荧光和散射光的干扰，而且能有效降低紫外或者可见光激发对生物样品的光损伤，此外，上转换纳米材料还有反斯托克斯位移大、荧光发射峰窄、化学稳定性好、光稳定性好等优点，在生物成像和生物检测等领域有着明显的优势。

上转换纳米材料的发光机理：

上转换发光过程主要来自于稀土离子内4f-4f轨道电子跃迁。在外层的5s和5p电子屏蔽下，稀土离子的4f电子能够发出尖锐的线状发射峰，从而能很好地抗光漂白和光降解。此外，虽然稀土离子内层4f电子跃迁基于量子选择力学是禁止的，但是局部晶体场诱导混合更高电子构型的f组态后，4f电子间可以发生弛豫。由于4f-4f电子间跃迁禁止，三价稀土离子通常具有长寿命发光(达毫秒级别)，因此其激发态能够连续吸收几个光子，并且允许激发态离子间发生相互作用，从而发生稀土离子间的能量转移过程。掺杂稀土离子的这些特点决定了基本的上转换发光机制，包括激发态吸收、能量转移上转换、光子雪崩、协同能量转移、能量迁移上转换。

上转换纳米材料的合成方法：

开发组成、晶相、形状、大小可控的高质量的上转换纳米材料合成方法，对调节上转换纳米材料的化学、光学性能，以及拓展其在不同领域的潜在应用前景都至关重要。迄今为止，不同课题组都报道了许多上转换纳米材料的合成方法，其中常用的有热分解法、水热/溶剂热法、沉淀/共沉淀法。

上转换纳米材料的修饰方法：

常用的UCNPs水溶性修饰方法，包括配体交换、配体清除、配体氧化、层层组装

关键词：

发射波长365nm上转换纳米颗粒

发射波长475nm上转换纳米发光颗粒

发射峰550nm稀土上转换纳米材料

发射波长660nm稀土上转换发光粒子

发射波长804nm稀土上转换UCNPS

粒径30纳米的上转换纳米颗粒

粒径150nm的稀土上转换颗粒

微米级500nm稀土上转换纳米发光颗粒

水溶性二氧化硅上转换纳米颗粒

羧基功能化二氧化硅上转换纳米颗粒

氨基功能化水溶性稀土上转换发光颗粒

聚丙烯酸修饰UCNPS颗粒

PEG修饰的稀土上转换发光颗粒

稀土掺杂上转换纳米棒/微米棒（近红外发光）

绿色荧光蛋白（GFP）修饰稀土上转换纳米颗粒

氨基功能化上转换纳米颗粒

羧基修饰上转换纳米颗粒

二氧化硅包上转换纳米颗粒

UCNPS-SiO2

UCNP-Fe3O4

四氧化三铁稀土上转换复合物

钙钛矿修饰上转换发光纳米颗粒

二氧化钛修饰上转换纳米颗粒

稀土上转换纳米颗粒

SA-coating UCNPS

UCNPS-PEGUCNPS-OA

UCNPS-SiO2

UCNPS-OA

UCNPS-MPS

Tf-UCNPS

以上资料来自小编西安瑞禧生物（YQ2020.11）