现代光谱分析-2-上转换

1、现代光谱分析之二上转换发光湖南大学研究生课程 v所吸收的光子能量低于发射的光子能量，这是一个反斯托克斯(antistokes)过程。上转换发光就是一种antistokes过程, 其发光机理是基于双光子或多光子过程:吸收两个或两个以上的低能光子，发射一个高能光子，通常，人们将这种发光称作上转换发光(即upconversion luminescence)，也有人直接称作反斯托克斯发光.(antistokes lurninescence)，属于光致发光范畴。 2-1 上转换发光的发展历史 2-2 稀土元素的上转换发光2-3 上转换纳米颗粒及生物学应用2-4上转换发光成像技术与上转换发光成像技术与靶向

2、成像应用靶向成像应用v上转换发光现象最早是在1959年采用960 nm的红的红外光外光激发多晶ZnS时观察到的。v1962 年，人们又在硒化物硒化物中观察到上转换发光现象。 v1966年，Auzel在研究钨酸镱钠玻璃时，意外发现 当基质材料中掺入Yb 3+离子时，离子时，Er 3+、Ho 3+和和 Tm 3+离子离子在红外光激发时，其发光效率几乎提高 了两个数量级。由此正式提出了“上转换发光”的 概念 。v1971年，Johoson用BaY2F8: Yb 3-Ho 3和BaY2F8: Yb 3-Er 3在77K下用闪光灯泵浦首次实现了绿光上转换激光;1979年，Chivian首次报道了上转换发

3、光中的光子雪崩现象。此后，上转换发光进入了第一个研究高潮，这期间出现了大量的研究论文。v1973年，以Auzal及Wright详细研究了稀土离子掺杂的材料由激发态吸收，能量传递，以及合作敏化引起的上转换发光，提出掺杂稀土离子掺杂稀土离子形成亚稳激形成亚稳激发态发态是产生上转换功能的前提。特别是F. Auzel对上转换发光进行了回顾，并比较了不同基质上转换发光材料的发光效率发光效率，具有较高效率的基质均为氟化氟化物物，如YF3、BaYF5等。但是，激发源的问题还是未能解决，如当时的发光二极管的发射峰值约为930nm，与上转换材料的最佳激发峰值(970-980nm)匹配不甚理想，此后，上转换发光的

4、研究进入了低潮。v80年代后期，随着泵浦源、上转换材料的进展和对激光机理研究的深入，上转换发光研究进入一个新的时期。上转换激光器可以在红、绿、蓝、紫外的宽广波段实现众多的激光谱线，并且在一定的波段范围内可调，利用储能效应容易获得高峰值功率输出，并且在多摸二级管激光泵浦下很容易获得好的基摸输出。它弥补了半导体激光向短波方向发展的困难与不足，在全色显示、光信息存储、生物医疗、传感器及海底光通讯等方面显示出广阔的应用前景。1986年， Sliver smith用BaY2F8: Er 3首次实现了连续波上转换激光;1987年，AntiPenko用BaY2F8: Er 3首次实现了室温下的上转换激光。

5、v随着频率上转换材料研究的深入和激光技术的发展，人们在考虑拓宽其应用领域和将已有的研究成果转换成高科技产品。频率上转换三维立体显示频率上转换三维立体显示就是其中新应用之一。v上转换研究的这些发展一方面是由于社会对其应用技术的需求以及半导体激光发展的促进所致，另一方面也是随着上转换的机制等基础研究的突破和材料的发展而发展的。综观文献，上转换材料的发展大致可分为3个阶段: v第一阶段第一阶段是从发现上转换现象到上转换产生的机制研究，建立了3种最基本的上转换机制，即激发态吸收、交叉弛豫、光子雪崩机制。 v第二阶段第二阶段是各种上转换材料的产生的阶段，对上转换材料的组成及其特性作了系统的研究，得到了各

6、种类型的优质上转换材料。v第三阶段第三阶段是新的上转换机制以及上转换性能与材料的组成、结构、形成工艺条件的对应关系的研究，这一阶段正处于发展时期:包括过渡金属离子掺杂上转换特性、室温宽波长上转换、材料与上转换性能的对应理论以及上转换材料制备工艺等的研究与开发。2-1 上转换发光的发展历史 2-2 稀土元素的上转换发光2-3 上转换纳米颗粒及生物学应用2-4上转换发光成像技术与上转换发光成像技术与靶向成像应用靶向成像应用稀土离子的简介稀土离子的简介 稀土元素是化学性质非常相似的一组元素。在周期表中同属B 族，包括钪(Sc)，钇(Y),和镧系(Ln)共 17 种元素。稀土元素具有相同的外层电子结构

7、，且内层为电子层构型相近的 4f 电子能级。稀土化合物的发光正是基于稀土元素的 4f 电子在 ff 组态之内或 fd 组态之间的跃迁而产生的。具有未充满的 4f壳层的稀土原子或离子，其光谱大约有 30,000 条可观察到的谱线，如此宽的发光范围几乎覆盖了整个固体发光的范畴，因此掺杂稀土离子的发光材料比其它的发光材料应用更为广泛。轻轻稀土组稀土组：镧ln La、铈sh Ce、镨p Pr 、钕n Nd、钷p Pm中稀土组：中稀土组：钐shn Sm 、铕yu Eu、钆g Gd、铽t Tb、镝d Dy 重稀土组：重稀土组：钬hu Ho、铒r Er、铥di Tm、镱y Yb、镥l Lu 稀土离子区分于其

8、它光激活离子的重要的性质是:在非常窄的波长范围内有光吸收和辐射，而且吸收和辐射的波长对基质材料不敏感，跃迁强度较弱，亚稳态寿命较长，有较高的量子效率。这些特性源于吸收和辐射过程中包含的电子态的性质，并使得稀土离子在许多光学应用中都有良好的表现。稀土离子稀土离子有许多长寿命的亚稳态有许多长寿命的亚稳态，这是稀，这是稀土可以作为土可以作为激光和荧光材料激光和荧光材料的优越条件的优越条件。由于稀土离子外壳层电子对由于稀土离子外壳层电子对4f4f电子的屏蔽作用，使得电子的屏蔽作用，使得4f4f电子态之间的跃迁受基质的影响很小，能形成稳定的发电子态之间的跃迁受基质的影响很小，能形成稳定的发光中心。稀土离

9、子能级之间的跃迁属于禁戒的光中心。稀土离子能级之间的跃迁属于禁戒的f-ff-f跃迁，跃迁，因此有长的能级寿命因此有长的能级寿命 上转换的机理尽管有许多不同的提法,但其本质都是一样的。目前,可以把上转换过程的机理归结为三种形式:激发态吸收激发态吸收( (Excited State Excited State AbsorptionAbsorption) )能量传递能量传递( (Energy TransferEnergy Transfer) )“光子雪崩光子雪崩”( (Photon Avalanche)Photon Avalanche)激发态吸收激发态吸收(ESA (ESA Excited stat

10、e absorptionExcited state absorption） 激发态吸收上转换激发态吸收上转换是在是在19591959 年年BloembergenBloembergen等等人提出来的，其原理是指同一个离子从基态能级人提出来的，其原理是指同一个离子从基态能级经过连续双光子或多光子吸收到达能量较高的激经过连续双光子或多光子吸收到达能量较高的激发态能级的过程，是发态能级的过程，是上转换发光的最基本过程上转换发光的最基本过程。结合图结合图1 1说明：说明：图图1 1 激发态吸收过激发态吸收过程程 示意图示意图如图如图1 1所示：首先所示：首先, , 发光中心处于基发光中心处于基态能级态能

11、级E E1 1 上的离子吸收一个能量为上的离子吸收一个能量为1 1 的光子跃迁至中间亚稳态的光子跃迁至中间亚稳态E E2 2 能级能级, , 如果光子的振动能量正好与如果光子的振动能量正好与E E2 2 能级能级和更高激发态能级和更高激发态能级E E3 3的能量间隔匹配的能量间隔匹配, , 则则E E2 2 能级上的该离子通过吸收该光子能级上的该离子通过吸收该光子能量而跃迁至能量而跃迁至E E3 3 能级形成双光子吸收能级形成双光子吸收, , 如果满足能量匹配的要求如果满足能量匹配的要求, , E E3 3 能级能级上的该离子还有可能向更高的激发态上的该离子还有可能向更高的激发态能级跃迁而形成

12、三光子、四光子吸收能级跃迁而形成三光子、四光子吸收, , 依此类推。只要该高能级上粒子数足依此类推。只要该高能级上粒子数足够多够多, , 形成粒子数反转形成粒子数反转, , 就可实现较就可实现较高频率的激光发射高频率的激光发射, , 实现上转换发光实现上转换发光。 激发态吸收过程激发态吸收过程为单个离子的吸收为单个离子的吸收, , 并不依赖于材料中稀土离子的浓度。并不依赖于材料中稀土离子的浓度。对于稀土掺杂的晶体材料对于稀土掺杂的晶体材料, , 为实现为实现ESA过程过程, , 需要采用双波长泵浦的方式需要采用双波长泵浦的方式, , 其中一个波长的其中一个波长的光将处于基态的离子激发至第一中间

13、亚稳态光将处于基态的离子激发至第一中间亚稳态, , 第二个波长的光将该亚稳态上的离子激发至更第二个波长的光将该亚稳态上的离子激发至更高的能级上高的能级上, , 形成双光子吸收过程。形成双光子吸收过程。而对于稀土掺杂的非晶态如玻璃等材料而对于稀土掺杂的非晶态如玻璃等材料, , 由于由于稀土离子能级跃迁时存在的非均匀加宽稀土离子能级跃迁时存在的非均匀加宽, , 可以可以采用单波长泵浦的方式采用单波长泵浦的方式, , 能级间能量的失配可能级间能量的失配可以通过吸收或发射光子的形式以通过吸收或发射光子的形式进行补偿。进行补偿。激发态吸收上转换激发态吸收上转换发生的条件通常要求发生的条件通常要求： 激发

14、光的功率足够高；激发光的功率足够高； 发生激发态吸收的发生激发态吸收的 2 2 态的寿命比较长；态的寿命比较长； 从态从态 2 2 到态到态 3 3 的跃迁几率比较大；的跃迁几率比较大； 离子存在适合发生上转换的能级结构离子存在适合发生上转换的能级结构。 能量传递能量传递（ET Energy Transfer） 能量传递能量传递是指基质中稀土离子之间通过是指基质中稀土离子之间通过碰撞碰撞等相互作用而交换能量的过程。能量传递可以等相互作用而交换能量的过程。能量传递可以发生在同种离子之间，也可以发生在不同离子发生在同种离子之间，也可以发生在不同离子之间。在不同离子之间发生的能量传递过程一之间。在不

15、同离子之间发生的能量传递过程一般需要基质的般需要基质的声子声子参与。根据参与。根据能量转移方式的能量转移方式的不同不同分为如下几种形式分为如下几种形式： 连续能量转移连续能量转移( SET, Successive Energy Transfer)( SET, Successive Energy Transfer) 交叉驰豫交叉驰豫( CR, Cross Relexation)( CR, Cross Relexation)； 合作上转换合作上转换( CU, Cooperative Upconversion)( CU, Cooperative Upconversion)连续能量转移连续能量转移(

16、( SETSET）图图2 SET2 SET过程图解过程图解 SET SET 一般发生在不同类型的离一般发生在不同类型的离子之间子之间, , 其原理如图其原理如图2 2: : 处于激发处于激发态的一种离子态的一种离子( ( 施主离子施主离子) ) 与处于与处于基态的另外一种离子基态的另外一种离子( ( 受主离子受主离子) ) 满足能量匹配的要求而发生相互作满足能量匹配的要求而发生相互作用用, , 施主离子将能量传递给受主离施主离子将能量传递给受主离子而使其跃迁至激发态能级子而使其跃迁至激发态能级, , 本身本身则通过无辐射驰豫的方式返回基态则通过无辐射驰豫的方式返回基态。位于激发态能级上的受主离

17、子还。位于激发态能级上的受主离子还可能第二次能量转移而跃迁至更高可能第二次能量转移而跃迁至更高的激发态能级。这种能量转移方式的激发态能级。这种能量转移方式称为连续能量转移称为连续能量转移SETSET。 交叉驰豫交叉驰豫( CR( CR）图图3 3 交叉弛豫图示交叉弛豫图示 CR CR 可以发生在相同或不可以发生在相同或不同类型的离子之间。同类型的离子之间。其原理如图其原理如图3 3: : 同时位于激同时位于激发态上的两个离子发态上的两个离子, , 其中一其中一个离子将能量传递给另外一个离子将能量传递给另外一个离子使其跃迁至更高能级个离子使其跃迁至更高能级, , 而本身则无辐射驰豫至能而本身则无

18、辐射驰豫至能量更低的能级。量更低的能级。交叉弛豫的产生几率交叉弛豫的产生几率P P有如下关系式：有如下关系式： PNPN0 0N N1 1 这里，这里，N N0 0、N Nl l分别为两个相关能级的粒子数分别为两个相关能级的粒子数，此关系式说明交叉弛豫的产生几率，此关系式说明交叉弛豫的产生几率P P与两个相与两个相关能级的粒子数关能级的粒子数N N0 0、N Nl l成正比。成正比。 另外，当相关的能级相同时，交叉弛豫可能另外，当相关的能级相同时，交叉弛豫可能会引起敏化剂离子间的扩散过程，此过程没有能会引起敏化剂离子间的扩散过程，此过程没有能量损失量损失; ;而当相关的能级不同时，交叉弛豫则可

19、而当相关的能级不同时，交叉弛豫则可能会引起自猝灭，此过程伴随能量损失或者伴随能会引起自猝灭，此过程伴随能量损失或者伴随发射光子的能量变化。发射光子的能量变化。 合作上转换合作上转换( CU( CU）图图4 4 合作上转换图示合作上转换图示 CUCU 过程发生在同时位于过程发生在同时位于激发态的同一类型的离子之激发态的同一类型的离子之间间, , 可以理解为三个离子之可以理解为三个离子之间的相互作用间的相互作用, , 其原理如图其原理如图4 4 所示所示: : 首先同时处于激发态首先同时处于激发态的两个离子将能量同时传递的两个离子将能量同时传递给一个位于基态能级的离子给一个位于基态能级的离子使其跃

20、迁至更高的激发态能使其跃迁至更高的激发态能级级, , 而另外两个离子则无辐而另外两个离子则无辐射驰豫返回基态。射驰豫返回基态。 合作上转换的一个合作上转换的一个明显特征明显特征就是不存在与发射光子就是不存在与发射光子相匹配的能级。相匹配的能级。CU CU 过程是稀土离子之间的相互作用，过程是稀土离子之间的相互作用，强烈依赖于稀土离子的浓度，一般情况下高掺杂浓度强烈依赖于稀土离子的浓度，一般情况下高掺杂浓度时容易发生合作上转换发光。时容易发生合作上转换发光。 “光子雪崩光子雪崩”(Photon Avalanche)Photon Avalanche) “光子雪崩光子雪崩”过程引起的上转换发光是过程

21、引起的上转换发光是19791979 年年ChivianChivian等研究等研究PrPr3+3+ 离子在离子在LaClLaCl3 3 晶体中的上晶体中的上转换发光时首次提出的，当时并未认为它是主转换发光时首次提出的，当时并未认为它是主要抽运机制。随后十几年，相继报道了在不同要抽运机制。随后十几年，相继报道了在不同基质材料中掺不同稀土离子的光子雪崩现象，基质材料中掺不同稀土离子的光子雪崩现象，如如TmTm3+3+: :LaFLaF3 3, , TmTm3+3+: :CaFCaF2 2等。等。 图图3 “3 “光子雪崩光子雪崩”过程图过程图 如图如图3 3所示：所示：E E0 0、E E1 1、E

22、 E2 2分别为基态分别为基态及中间亚稳态，及中间亚稳态，E E为发射光子的高能态为发射光子的高能态。激发光对应于激发光对应于E El lEE的共振吸收的共振吸收。虽。虽然激发光同基态的吸收不共振，但总然激发光同基态的吸收不共振，但总会有少量的基态电子被激发到会有少量的基态电子被激发到E E与与E E2 2之之间，而后弛豫到间，而后弛豫到E E2 2上。上。E E2 2上电子和其他上电子和其他离子的基态电子发生能量传递离子的基态电子发生能量传递，产，产生两个生两个E E1 1电子，其中的一个电子，其中的一个E E1 1电子再吸电子再吸收一个收一个1 1后，将电子激发到后，将电子激发到E E能级

23、上能级上。E E能级电子又与其他离子的基态电子能级电子又与其他离子的基态电子相互作用，发生能量传递相互作用，发生能量传递，又产生，又产生了两个了两个E El l电子，这样在电子，这样在E El l能级上就有了能级上就有了三个电子三个电子，如此循环，如此循环，E E1 1上的电子数上的电子数量像雪崩一样急剧增加。当量像雪崩一样急剧增加。当E E电子向基电子向基态跃迁时，就发出态跃迁时，就发出光子。光子。此过程就此过程就是上转换的光子雪崩过程。是上转换的光子雪崩过程。上转换发光效率上转换发光效率( () )由发射的光子数由发射的光子数 N N发光发光与吸收的光子数与吸收的光子数 N N吸收之比来确

24、定吸收之比来确定: : =N=N发光发光/N/N吸收吸收影响上转换发光效率的因素很多，主要有如下影响上转换发光效率的因素很多，主要有如下几点：几点： 基质特性基质特性 稀土离子的掺杂浓度稀土离子的掺杂浓度 发光中心的能级结构发光中心的能级结构环境温度环境温度敏化剂离子的引入敏化剂离子的引入 基质特性基质特性 基质材料一般不能受到激发而发光，但它能为基质材料一般不能受到激发而发光，但它能为激活离子提供合适的激活离子提供合适的晶场晶场，使其产生合适的发射。，使其产生合适的发射。 基质的声子能量基质的声子能量是影响上转换发光效率的重要是影响上转换发光效率的重要因素，而也正因为如此，我们可以通过对材料

25、基质因素，而也正因为如此，我们可以通过对材料基质的设计来提高稀土离子的上转换发光效率。研究表的设计来提高稀土离子的上转换发光效率。研究表明，几乎所有的稀土离子掺杂材料都可以产生上转明，几乎所有的稀土离子掺杂材料都可以产生上转换发光现象，但是真正有使用价值的上转换发光一换发光现象，但是真正有使用价值的上转换发光一般都出现在般都出现在声子能量低声子能量低的基质材料中。因为较低的的基质材料中。因为较低的声子能量声子能量降低了无辐射弛豫降低了无辐射弛豫的发生的发生几率几率，提高提高了中了中间间亚稳态能级的发光寿命亚稳态能级的发光寿命，从而提高上转换效率。，从而提高上转换效率。 稀土离子的掺杂浓度稀土离

26、子的掺杂浓度 稀土离子的稀土离子的掺杂浓度掺杂浓度直接决定着稀土离子间直接决定着稀土离子间能能量传递的几率量传递的几率大小。大小。过小过小的掺杂浓度时发光离子的的掺杂浓度时发光离子的间距很大间距很大, ,不利于能量传递不利于能量传递. .当掺杂的稀土离子的浓当掺杂的稀土离子的浓度度过大过大时会引起时会引起能量的反向传递能量的反向传递从而降低发光效率从而降低发光效率。在稀土离子单掺杂与多掺杂情况下，要找出稀土。在稀土离子单掺杂与多掺杂情况下，要找出稀土离子的离子的最优掺杂浓度最优掺杂浓度比例关系。比例关系。 发光中心的能级结构发光中心的能级结构 较高能级电子的发射几率受到较高能级电子的发射几率受

27、到发光中心发光中心的的较高能级与较高能级与相邻能级能量差相邻能级能量差的大小影响。当能量差较的大小影响。当能量差较大大时，无辐射几时，无辐射几率相对小，辐射几率则大，上转换率相对小，辐射几率则大，上转换效率高效率高；当能量差较小；当能量差较小时，无辐射几率大，辐射几率则小，上转换效率低。时，无辐射几率大，辐射几率则小，上转换效率低。环境温度环境温度 环境温度的变化对上转换发光的影响主要有环境温度的变化对上转换发光的影响主要有两方面两方面: :温度升高，发光能级向相邻下能级的温度升高，发光能级向相邻下能级的多多声子弛豫速率增加声子弛豫速率增加，发光效率降低，发光效率降低; ;其次，温度其次，温度

28、升高，升高，吸收声子的能量传递的几率增加吸收声子的能量传递的几率增加，发射声，发射声子的能量传递几率降低，发光效率升高。通常情子的能量传递几率降低，发光效率升高。通常情况下，稀土离子的吸收截面和发射截面均随着温况下，稀土离子的吸收截面和发射截面均随着温度的升高而降低。度的升高而降低。敏化剂离子的引入敏化剂离子的引入 研究表明，离子间的能量传递是提高上转换发光效率研究表明，离子间的能量传递是提高上转换发光效率的有效途径之一。也就是说，在掺杂激活剂的同时，加入的有效途径之一。也就是说，在掺杂激活剂的同时，加入一定量的能够更有效吸收泵浦能量的一定量的能够更有效吸收泵浦能量的敏化剂敏化剂，然后敏化剂，

29、然后敏化剂再通过离子间的能量传递机制将吸收的泵浦能量不断传递再通过离子间的能量传递机制将吸收的泵浦能量不断传递给激活剂离子，从而提高激活剂离子的上转换发光效率。给激活剂离子，从而提高激活剂离子的上转换发光效率。当然这就对敏化剂离子提出了严格的要求，当然这就对敏化剂离子提出了严格的要求，不但要求其能不但要求其能够有效的吸收一定泵浦能量，还要将吸收的泵浦能量有效够有效的吸收一定泵浦能量，还要将吸收的泵浦能量有效的传递给激活剂离子。的传递给激活剂离子。Yb3+离子被认为是离子被认为是 Er3+、Ho3+、Tm3+、Tb3+和和 Pr3+离子最好的敏化剂离子最好的敏化剂2-1 上转换发光的发展历史 2

30、-2 稀土元素的上转换发光2-3 上转换纳米颗粒及生物学应用2-4上转换发光成像技术与上转换发光成像技术与靶向成像应用靶向成像应用组成及晶体结构Er3+Tm3+Yb3+l上转换纳米颗粒：无机基质上转换纳米颗粒：无机基质+ +稀土掺杂离子稀土掺杂离子l掺杂离子：发光中心掺杂离子：发光中心+ +敏化剂敏化剂l基质：基质：“Hold”Hold”住掺杂离子住掺杂离子 ( (卤化物、氧化物、硫化物、硫氧化物卤化物、氧化物、硫化物、硫氧化物) )l特定波长范围内有较好的透光性特定波长范围内有较好的透光性l发光中心：发光中心：l敏化剂：敏化剂：Ho3+（对激发光吸收能力较强，将能量传给发光中心）（对激发光吸

31、收能力较强，将能量传给发光中心）（均匀分立的能级（均匀分立的能级+较长的亚稳态寿命）较长的亚稳态寿命）l较低的声子能较低的声子能l较高的光致损伤阈值较高的光致损伤阈值 （常用）（常用）4f层电子跃迁，受外电子层屏蔽层电子跃迁，受外电子层屏蔽l光学稳定性好光学稳定性好l发射峰窄发射峰窄l光色可调：掺杂物种、掺杂比例（浓度）、掺杂位置光色可调：掺杂物种、掺杂比例（浓度）、掺杂位置 基质类型、混色方式基质类型、混色方式l（整体）无发光闪烁（整体）无发光闪烁电子跃迁禁阻电子跃迁禁阻（磷光而非荧光）（磷光而非荧光）l寿命长寿命长有机荧光染料有机荧光染料量子点量子点上转换纳米颗粒上转换纳米颗粒l作为生物成

32、像造影剂l宽发射谱宽发射谱l光漂白光漂白l消光系数大消光系数大l高量子产率高量子产率l窄发射带宽窄发射带宽l发光易调控发光易调控l高光学稳定性高光学稳定性 l毒性强毒性强l闪烁发光闪烁发光lNIRNIR激发得到可见光激发得到可见光l对组织损伤小对组织损伤小lNIRNIR组织穿透性强组织穿透性强l降低本底辐射干扰降低本底辐射干扰l发射峰窄发射峰窄l发光易调控发光易调控l光学稳定性好光学稳定性好 l寿命长寿命长l毒性低毒性低l量子产率低量子产率低表面化学表面化学l水水/ /溶剂热法制备溶剂热法制备UCUC纳米颗粒时通过配体控制纳米颗粒时通过配体控制晶体生长（尺寸、形貌）晶体生长（尺寸、形貌）l改变

33、纳米颗粒的亲疏水油性（主要是亲油变亲水）改变纳米颗粒的亲疏水油性（主要是亲油变亲水）l使表面带有可以连接生物功能分子的官能团，如使表面带有可以连接生物功能分子的官能团，如羟基、羧基羟基、羧基l填补表面缺陷；保护颗粒不受外界影响。提高填补表面缺陷；保护颗粒不受外界影响。提高发光效率发光效率表面化学配体加工配体加工表面聚合表面聚合配体吸引配体吸引双电层聚集双电层聚集具有修饰功能基团的具有修饰功能基团的亲水亲水UCUC纳米颗粒的制备方法和相应表面分子纳米颗粒的制备方法和相应表面分子 其中，硅包覆法因方法成熟、生物相容性好、有大量可以用于其中，硅包覆法因方法成熟、生物相容性好、有大量可以用于连接生物功

34、能分子的官能团而最常用连接生物功能分子的官能团而最常用细胞毒性l在在Yb/ErYb/Er掺杂稀土氟化物颗粒纳米颗掺杂稀土氟化物颗粒纳米颗粒浓度为粒浓度为800ug/ml800ug/ml的环境下培养人类的环境下培养人类咽炎上皮癌咽炎上皮癌KBKB细胞细胞2020小时后，测得细小时后，测得细胞活性没有根本性的改变胞活性没有根本性的改变 l目前细胞体外培目前细胞体外培养、动物活体实验养、动物活体实验均表明稀土掺杂的均表明稀土掺杂的UCNPsUCNPs有较好的生有较好的生物相容性，但仍需物相容性，但仍需进一步研究以确证进一步研究以确证BiomaterialsBiomaterials,2010, 31,

35、 32873295,2010, 31, 32873295非均相检测UC纳米颗粒非均相检测模型示意图 （a a）竞争检测）竞争检测（b b）非竞争检测）非竞争检测目标浓度与发光目标浓度与发光强度呈强度呈负负相关相关目标浓度与发光目标浓度与发光强度呈强度呈正正相关相关非均相检测l该实验把发射绿光（该实验把发射绿光（550nm550nm）和蓝光（）和蓝光（475nm475nm）的）的UCNPsUCNPs分别接在苯分别接在苯环己哌啶抗体、安非他命抗体和脱氧麻黄碱抗体、吗啡抗体上，通过对环己哌啶抗体、安非他命抗体和脱氧麻黄碱抗体、吗啡抗体上，通过对检测带位置检测带位置及其及其发光强度发光强度的分析即可做

36、到对药物分子的检测的分析即可做到对药物分子的检测 Anal. Biochem., 2001,293, 2230非均相检测l该实验利用小于该实验利用小于50nm50nm的的（。（。颗粒实现了对颗粒实现了对DNADNA分子的分子的“三明治杂交三明治杂交”红外检测。通过与红外检测。通过与磁性纳米颗粒的分离手段结合磁性纳米颗粒的分离手段结合，这种方法在没有这种方法在没有PCRPCR放大过程的情况下检测阈值拓至放大过程的情况下检测阈值拓至10nM10nM NaYF4:Yb/ErChem. Commun., 2006, 25572559均相检测l上转换均相检测通常基于供体和受体间的发光共振能上转换均相检测

37、通常基于供体和受体间的发光共振能量转移（量转移（LRETLRET）过程进行。与非均相检测不同的是，均）过程进行。与非均相检测不同的是，均相检测利用的是相检测利用的是“耦合连接耦合连接”调控的信号，免除了将未调控的信号，免除了将未耦合的标记物分离的过程耦合的标记物分离的过程 l被检测物起到耦合供体和受体的作用，使得共振能量被检测物起到耦合供体和受体的作用，使得共振能量传递得以实现传递得以实现LRET检测模型示意图检测模型示意图均相检测l与传统量子点和与传统量子点和有机染料相比，上有机染料相比，上转换发光体作为转换发光体作为LRETLRET供体显示出巨供体显示出巨大的优势，即近红大的优势，即近红外

38、辐照只被外辐照只被UCUC颗粒颗粒吸收而不被受体吸吸收而不被受体吸收，收，从而避免了受从而避免了受体直接对激发光吸体直接对激发光吸收发出的干扰信号收发出的干扰信号 l由于稀土掺杂元素的发射峰极其窄和尖由于稀土掺杂元素的发射峰极其窄和尖锐，锐，在受体发射谱波长范围内没有探测到在受体发射谱波长范围内没有探测到供体的发射光供体的发射光 Anal. Chem.,Anal. Chem., 2005, 77, 73487355 2005, 77, 73487355均相检测l一旦一旦“三明治化合物三明治化合物”杂交形成，供体的杂交形成，供体的540nm540nm和和653nm653nm的发射就会分别被的发射

39、就会分别被AF546AF546和和AF700AF700吸收。通过测量吸收。通过测量不同探针对应的不同发射波长（分别是不同探针对应的不同发射波长（分别是573nm573nm和和723nm723nm）的强度，两种不同的目标核苷酸序列就可被同时检测的强度，两种不同的目标核苷酸序列就可被同时检测AnalystAnalyst, 2009, 134, , 2009, 134, 1713171617131716均相检测l此为此为基于荧光猝灭原理的酶活检测基于荧光猝灭原理的酶活检测：利用：利用AF680AF680作为荧光作为荧光体吸收上转换能量而利用体吸收上转换能量而利用BBQ650BBQ650以猝灭以猝灭A

40、F680AF680的荧光。的荧光。AF680AF680和和BBQ650BBQ650分别被接在一条分别被接在一条DNADNA单链的单链的55和和33端。通端。通过一种过一种benzonasebenzonase核酸内切酶核酸内切酶的催化作用，低聚核苷酸链的催化作用，低聚核苷酸链被切断从而恢复了被切断从而恢复了AF689AF689的荧光发射的荧光发射 Angew. Angew. Chem., Int. Chem., Int. EdEd., 2008, 47, ., 2008, 47, 3811381338113813亲和素亲和素-生物素作用生物素作用上转换颗粒为核，介孔硅上转换颗粒为核，介孔硅为壳的

41、直径为为壳的直径为54nm54nm的颗的颗粒，孔内有粒，孔内有dox（dox-硅硅醇以氢键吸附），孔内修醇以氢键吸附），孔内修饰饰azo，外壳修饰外壳修饰TATTAT肽肽增强细胞内吞。在上转换增强细胞内吞。在上转换光的照射下，利用光的照射下，利用azo的的光变异构性质，使光变异构性质，使azo发发生顺、反式交替变化，从生顺、反式交替变化，从而像而像“叶轮叶轮”一样作用，一样作用，推动推动doxdox的释放。将上转的释放。将上转换颗粒换颗粒介孔硅核壳结构介孔硅核壳结构用于药物控制释放。用于药物控制释放。2-1 上转换发光的发展历史 2-2 稀土元素的上转换发光2-3 上转换纳米颗粒及生物学应用2

42、-4上转换发光成像技术与上转换发光成像技术与靶向成像应用靶向成像应用Er3+/Yb3+、Tm3+/Yb3+共掺的稀土材料的能级、上转换激发和可见光发射的示意图；实线和虚线分别代表辐射和非辐射能量转移，弯曲的线代表多光子弛豫过程。上转换材料主要是掺杂稀土元素的固体化合物，利用稀土元素的亚稳态能级特性，可以吸收多个低能量的长波辐射，从而使人眼看不见的红外光变成可见光(图1)。相比有机荧光染料和量子点等下转换发光标记而言，上转换发光标记因采用近红外连续激光作为激发源，具有较深的光穿透深度、无生物背景荧光干扰、对生物组织几乎无损伤等显著优。上转换发光成像技术与靶向成像应用上转换发光成像技术与靶向成像应

43、用体外细胞和组织成像体外细胞和组织成像(a)(a)本底荧光辐射在单独近本底荧光辐射在单独近红外光的激发下被完全避红外光的激发下被完全避免免 (b)(b)在在980nm980nm激发下，可激发下，可以清楚地观察到强上转换以清楚地观察到强上转换发光而没有自体荧光的干发光而没有自体荧光的干扰扰 (c)(c)上转换纳米颗粒几乎上转换纳米颗粒几乎没有光漂白现象没有光漂白现象Anal. Biochem.,Anal. Biochem., 1999, 267, 3036. 1999, 267, 3036.Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.,Proc. Natl. Acad. Sci

44、. U. S. A., 2009,106, 1091710921. 2009,106, 1091710921.Anal. Chem.,Anal. Chem., 2009, 81, 930935. 2009, 81, 930935.活体动物成像(a)(a)尺寸范围在尺寸范围在50150nm50150nm范围内范围内的的（。）（。）纳米颗粒接种入了纳米颗粒接种入了活的线虫活的线虫C. elegansC. elegans中，接着对中，接着对其消化系统进行成像监测其消化系统进行成像监测 , ,表现出表现出较好的光学稳定性及生物相容性较好的光学稳定性及生物相容性Y2O3:Yb/Er(b)(b)利用从利用

45、从近红外到近红外近红外到近红外的上转的上转换纳米颗粒对换纳米颗粒对BALB-CBALB-C小鼠活体小鼠活体成像。其明显优势在于其吸收和成像。其明显优势在于其吸收和发射区间都处于近红外区，使得发射区间都处于近红外区，使得对成像组织的穿透能力大大加强对成像组织的穿透能力大大加强 Nano Lett.,Nano Lett., 2006, 6, 169174. 2006, 6, 169174.Nano Lett.,Nano Lett., 2008, 8, 38343838. 2008, 8, 38343838.l 纳米颗粒在乳腺癌细胞纳米颗粒在乳腺癌细胞（SK-BR-3）的光学及磁共振成像中的应用）的

46、光学及磁共振成像中的应用 多模式成像Gd3+NaGdF4:Yb/Erl将将 掺入晶体掺入晶体基质晶格中，由于基质晶格中，由于钆被广泛用作磁共钆被广泛用作磁共振成像振成像(MRI)(MRI)造影剂，造影剂，因而这种颗粒可以因而这种颗粒可以同时用于光、磁造同时用于光、磁造影影 Gd3+Adv. MaterAdv. Mater., 2009, ., 2009, 21,44674471.21,44674471.癌症的光能疗法l鉴于癌症细胞在红光照射下易受某些特定的光敏化学物鉴于癌症细胞在红光照射下易受某些特定的光敏化学物质攻击的发现，人们发明了癌症光能疗法（质攻击的发现，人们发明了癌症光能疗法（PDT

47、PDT），这种），这种疗法效率高，对正常组织无侵害性，是一种对癌症或癌变疗法效率高，对正常组织无侵害性，是一种对癌症或癌变前症较为经济的治疗手段。前症较为经济的治疗手段。l大体上讲，大体上讲，PDTPDT包括三个基本步骤：包括三个基本步骤：(1)(1)光敏物质由表面修饰的功能分子光敏物质由表面修饰的功能分子“导向导向”到特定的肿瘤到特定的肿瘤细胞或组织中细胞或组织中(2)(2)用预定的剂量照射癌变部位以激活光敏物质用预定的剂量照射癌变部位以激活光敏物质 (3)(3)光敏物质释放出活性氧杀死临近异常细胞，而对周围正光敏物质释放出活性氧杀死临近异常细胞，而对周围正常组织没有影响。常组织没有影响。基

48、于UCNPs的光能疗法l传统的传统的PDT疗法疗法中用以激活中用以激活光敏物质的光束大约只能穿光敏物质的光束大约只能穿透一厘米的组织，因而透一厘米的组织，因而PDT主要用于治疗皮下或内脏表主要用于治疗皮下或内脏表层的肿瘤；其另一个缺点在层的肿瘤；其另一个缺点在于其在治疗大肿瘤或扩散性于其在治疗大肿瘤或扩散性肿瘤时效率较低肿瘤时效率较低 lUC纳米颗粒纳米颗粒近红外的激发光有较强的组织穿透能力，其发出的可见光近红外的激发光有较强的组织穿透能力，其发出的可见光可以激发光活性物质进而产生可以激发光活性物质进而产生ROS。此外，这些纳米颗粒可以较方便地。此外，这些纳米颗粒可以较方便地进行癌细胞的目标导

49、向进行癌细胞的目标导向 单光子、双光子、及上转换发光的成像单光子、双光子、及上转换发光的成像有机染料的单光子(A)、双光子(B)激发发光及UCNPs的上转换发光(C)的成像原理和形式，以及激发光通过物镜聚焦之后的光子分布示意图(D)6 焦点处的光子密度最大，随着与焦点的距离增大，光子密度迅速下降非焦面的荧光会严重地影响焦面处的图像针孔技术针孔技术内在的三维分辨率圆锥形分布激发功率和UCNPs的上转换发光强度之间存在非线性关系激发功率和发射强度存在平方关系激光器发出的激光器发出的980 nm 连续激光，首先通过整合扫描镜，然后被物镜连续激光，首先通过整合扫描镜，然后被物镜聚焦到样品上；从扫描点上产生的发射光被整合扫描镜反射，然后聚焦到样品上；从扫描点上产生的发射光被整合扫描镜反射，然后通过一个反式的激发二色分镜通过一个反式的激发二色分镜(短通短通)，以滤掉，以滤掉980 nm 激发光；发射激发光；发射光随后通过共聚焦针孔和一个选择收集波长范围的狭缝光栅或带通光随后通过共聚焦针孔和一个选择收集波长范围的狭缝光栅或带通