金夢凡　呂美君　雷小玲　程書雯　尹爭志

【摘 要】上轉(zhuǎn)換材料可將吸收的長波轉(zhuǎn)變?yōu)槎滩òl(fā)射出去，在紅外探測、生物標(biāo)識、生物成像、藥物載體、警示標(biāo)識、防偽技術(shù)、墻壁涂層等領(lǐng)域，展現(xiàn)了潛在的應(yīng)用前景。在生物研究領(lǐng)域，該類材料具備生物兼容性好、組織穿透性強(qiáng)、背景信號低、發(fā)射峰窄、無光漂白的特點(diǎn)，已得到快速發(fā)展與廣泛研究。本文綜述了上轉(zhuǎn)換材料在傳感器研究中的進(jìn)展。

【關(guān)鍵詞】上轉(zhuǎn)換；發(fā)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(jī)制把長波輻射轉(zhuǎn)換成短波輻射稱為光學(xué)上轉(zhuǎn)換，既反Stokes發(fā)光。近年來，上轉(zhuǎn)換材料引起眾多國內(nèi)外科研院所及企業(yè)的關(guān)注與廣泛研究。在傳感器研究領(lǐng)域，與酶、放射性同位素、化學(xué)發(fā)光、熒光染料、量子點(diǎn)等其他標(biāo)記材料相比，上轉(zhuǎn)換傳感器具有靈敏度高、選擇性和穩(wěn)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(yōu)點(diǎn)，克服了酶不穩(wěn)定、放射性污染、靈敏度差、化學(xué)發(fā)光重現(xiàn)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(yīng)用前景。

1 上轉(zhuǎn)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(fā)光性能可控的上轉(zhuǎn)換材料，特別是小粒徑、高發(fā)光效率的納米粒子，對包括傳感器在內(nèi)的應(yīng)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(jié)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(jī)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(yīng)的三氟金屬鹽，研究人員首次合成了高質(zhì)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(fā)光效率的氟化物納米材料得以合成。在優(yōu)化的實驗條件下，如溶劑、前體濃度、反應(yīng)溫度與時間，往往可以得到較好的產(chǎn)物；但由于其快速成核的生長過程，難免會形成缺陷，導(dǎo)致量子產(chǎn)率偏低，其毒性副產(chǎn)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(diǎn)的條件下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，因此可以提高溶解度和反應(yīng)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(zhuǎn)變成六方相[2]。水熱法以水溶液或水蒸氣作為反應(yīng)體系，加熱產(chǎn)生一定的溫度和壓力，使得物質(zhì)進(jìn)行水熱反應(yīng)，合成分散的納米顆粒。反應(yīng)通常在密閉的反應(yīng)容器（如反應(yīng)釜）中進(jìn)行[3]。該方法的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)條件溫和、實驗裝置簡單、操作簡便、環(huán)境污染少，可同時進(jìn)行多個反應(yīng)；缺點(diǎn)是只適用于對水不敏感的化合物的制備，要特制的反應(yīng)容器，且不容易觀察粒子生成過程。

最近，長春應(yīng)化所張洪杰和馮婧團(tuán)隊報道了室溫下只用一分鐘合成NaBiF4上轉(zhuǎn)換納米顆粒新型六方相的方法。和傳統(tǒng)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(chǎn)物單分散性好，尺寸480nm。合成的Yb3+和Ln3+共摻NaBiF4上轉(zhuǎn)換納米顆粒，具有更高的的熒光強(qiáng)度[4]。復(fù)旦大學(xué)張凡團(tuán)隊報道了一種殼層過濾效應(yīng)調(diào)節(jié)，不依賴功率的正交激發(fā)-發(fā)射上轉(zhuǎn)換熒光。即通過精確調(diào)控吸收殼層厚度，實現(xiàn)了兩組獨(dú)立的正交激發(fā)-發(fā)射上轉(zhuǎn)換發(fā)光：980nm激發(fā)下，發(fā)射出Tm3+的特征上轉(zhuǎn)換紫外光和藍(lán)光；796nm激發(fā)下，發(fā)射出Er3+的特征上轉(zhuǎn)換綠色熒光。兩組上轉(zhuǎn)換熒光完全相互獨(dú)立，且不受激發(fā)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(dú)特性[5]。

2 上轉(zhuǎn)換材料在傳感器中的應(yīng)用

光學(xué)分析法在檢測傳感領(lǐng)域，具備獨(dú)特的優(yōu)勢。上轉(zhuǎn)換材料不受組織的干擾，有望實現(xiàn)靈敏的活體檢測。為了實現(xiàn)特異性傳感，材料表面功能化酶、抗體、多肽、細(xì)胞等，是必要的步驟，而且要求能夠產(chǎn)生前后的光學(xué)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(xiàn)了一定的研究價值。使用上轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換納米粒子，表面包裹釕配合物后，實現(xiàn)了Hg2+的靈敏傳感；結(jié)果發(fā)現(xiàn)Hg2+的檢出限達(dá)1.95ppb，比美國環(huán)保部的規(guī)定值還低[7]。羅丹明B交聯(lián)到硅包上轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移，580nm處出現(xiàn)新發(fā)射峰，同時545nm處的發(fā)射峰降低。該檢測體系不受Hg2+的干擾，可以應(yīng)用到細(xì)胞中Cu2+的檢測[8]。

2.2 溫度傳感

溫度在科學(xué)研究和應(yīng)用開發(fā)領(lǐng)域，是一個非常重要的物理參數(shù)。對其進(jìn)行精確、無干擾的測定，十分必要。Wolfbeis等人通過改變上轉(zhuǎn)換粒子的粒徑和摻雜比例，實現(xiàn)了溫度傳感；他們發(fā)現(xiàn)六方（NaYF4：YB20%Er2%）/NaYF4粒子的發(fā)光效率很高，而且適合用于溫度傳感，該體系可以區(qū)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(qiáng)度比率變化，構(gòu)建了303K到573K溫度范圍間的檢測體系，靈敏度達(dá)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(gòu)建了83K到423K間的溫度檢測體系，靈敏度達(dá)0.00314K-1。這些傳感器都具有潛在的應(yīng)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(zhuǎn)換材料的突出優(yōu)點(diǎn)，其在氣體傳感器中的應(yīng)用更加引人注目。Wolfbeis團(tuán)隊采用NaYF4：Yb3+/Tm3+上轉(zhuǎn)換納米粒子作為發(fā)射源，銥配合物作為氧氣示蹤劑，摻雜制備了薄膜，上轉(zhuǎn)換粒子的發(fā)射波與銥配合物形成共振轉(zhuǎn)移，該過程對氧氣非常敏感，從而構(gòu)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(biāo)。上轉(zhuǎn)換材料，因其檢測背景低，備受關(guān)注[13]。Tanke團(tuán)隊采用400納米的Y2O2S：Yb/Er粒子構(gòu)建寡核苷酸檢測體系，檢出限達(dá)1ng/μL；靈敏度比傳統(tǒng)的cyanine 5標(biāo)記檢測提升4倍[14]。邢本剛、Malini Olivo、劉剛共同研究創(chuàng)建了一種新穎光聲/熒光多模態(tài)導(dǎo)向的診療策略，以響應(yīng)復(fù)雜腫瘤微環(huán)境；功能化上轉(zhuǎn)換納米粒子特異富集在腫瘤部位，達(dá)到精準(zhǔn)靶向診療。在蛋白酶的作用下，納米結(jié)構(gòu)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(fā)生共價交聯(lián)反應(yīng)，促進(jìn)納米結(jié)構(gòu)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(lián)后的發(fā)光效率，從而進(jìn)一步提高活性氧產(chǎn)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(xiàn)實時療效監(jiān)測，該策略具有很大的潛在應(yīng)用價值[15]。Zhang等利用有機(jī)染料作為能量受體，組建基于熒光共振能量轉(zhuǎn)移的傳感器對生物分子進(jìn)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(jié)論與展望

上轉(zhuǎn)換發(fā)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(yīng)用等挑戰(zhàn)；但至今已經(jīng)取得了矚目的研究成果，論文發(fā)表量快速增長。該類材料主要用于生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)領(lǐng)域的細(xì)胞成像、組織及活體成像、生物檢測、光動力治療等方面，展現(xiàn)了獨(dú)特的魅力和良好應(yīng)用前景。未來，提高上轉(zhuǎn)換效率、發(fā)展新型上轉(zhuǎn)換分子、開發(fā)近紅外發(fā)射、降低毒性、提高單分散性、開發(fā)多色上轉(zhuǎn)換、拓寬激發(fā)范圍、構(gòu)建核殼結(jié)構(gòu)，以及構(gòu)建新型傳感器、開放儀器應(yīng)用、開放光學(xué)器件、開放醫(yī)藥應(yīng)用、生物功能化及應(yīng)用將成為研究重點(diǎn)。我們深信，上轉(zhuǎn)換材料構(gòu)建分析傳感體系，將會得到極大的發(fā)展。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]