上轉(zhuǎn)換納米材料(upconversion nanoparticles, UCNPs)是一類稀土離子摻雜的無機納米材料。由于三價的稀土離子具有豐富的電子能級和長壽命的亞穩(wěn)態(tài)能級，因而其中間亞穩(wěn)態(tài)能級可以連續(xù)吸收兩個或多個低能量的近紅外光子，到達更高能級的激發(fā)態(tài)，然后再回到基態(tài)發(fā)射出一個高能量光子，實現(xiàn)上轉(zhuǎn)換發(fā)光過程。上轉(zhuǎn)換發(fā)光是一種非線性發(fā)光現(xiàn)象，其本質(zhì)是反斯托克斯(anti-Stokes)發(fā)光，即長波激發(fā)(通常是980 nm的紅外光激發(fā))，短波發(fā)射。

下轉(zhuǎn)換過程是將短波長光轉(zhuǎn)換為更長波長的光，常用的下轉(zhuǎn)換材料有有機染料和量子點。由于大多數(shù)有機染料都會發(fā)生光漂白，因此使用染料作為熒光團檢測目標物時會發(fā)生信號消失現(xiàn)象，導致檢測失敗。與有機染料相比，量子點摩爾吸光系數(shù)大，量子產(chǎn)率更高，發(fā)射峰窄，發(fā)射波長可調(diào)，光穩(wěn)定性好；但是量子點由于含有Cd、Se等元素而具有一定的毒性，因而會對人類健康和環(huán)境造成潛在的危害。此外，下轉(zhuǎn)換材料一般由紫外、可見光激發(fā)，因此生物樣品會產(chǎn)生背景熒光，導致信噪比較低，從而降低檢測靈敏度；而且較高能量的激發(fā)光也會對生物組織產(chǎn)生光損傷。

與常用的下轉(zhuǎn)換材料有機染料、量子點相比，上轉(zhuǎn)換納米材料有其鮮明的特點。上轉(zhuǎn)換納米材料由于其近紅外激發(fā)的性質(zhì)，可以有效地避免生物樣本本身的自發(fā)熒光和散射光的干擾，而且能有效降低紫外或者可見光激發(fā)對生物樣品的光損傷，此外，上轉(zhuǎn)換納米材料還有反斯托克斯位移大、熒光發(fā)射峰窄、化學穩(wěn)定性好、光穩(wěn)定性好等優(yōu)點，在生物成像和生物檢測等領(lǐng)域有著明顯的優(yōu)勢。

上轉(zhuǎn)換納米材料的發(fā)光機理：

上轉(zhuǎn)換發(fā)光過程主要來自于稀土離子內(nèi)4f-4f軌道電子躍遷。在外層的5s和5p電子屏蔽下，稀土離子的4f電子能夠發(fā)出尖銳的線狀發(fā)射峰，從而能很好地抗光漂白和光降解。此外，雖然稀土離子內(nèi)層4f電子躍遷基于量子選擇力學是禁止的，但是局部晶體場誘導混合更高電子構(gòu)型的f組態(tài)后，4f電子間可以發(fā)生弛豫。由于4f-4f電子間躍遷禁止，三價稀土離子通常具有長壽命發(fā)光(達毫秒級別)，因此其激發(fā)態(tài)能夠連續(xù)吸收幾個光子，并且允許激發(fā)態(tài)離子間發(fā)生相互作用，從而發(fā)生稀土離子間的能量轉(zhuǎn)移過程。摻雜稀土離子的這些特點決定了基本的上轉(zhuǎn)換發(fā)光機制，包括激發(fā)態(tài)吸收、能量轉(zhuǎn)移上轉(zhuǎn)換、光子雪崩、協(xié)同能量轉(zhuǎn)移、能量遷移上轉(zhuǎn)換。

上轉(zhuǎn)換納米材料的合成方法：

開發(fā)組成、晶相、形狀、大小可控的高質(zhì)量的上轉(zhuǎn)換納米材料合成方法，對調(diào)節(jié)上轉(zhuǎn)換納米材料的化學、光學性能，以及拓展其在不同領(lǐng)域的潛在應(yīng)用前景都至關(guān)重要。迄今為止，不同課題組都報道了許多上轉(zhuǎn)換納米材料的合成方法，其中常用的有熱分解法、水熱/溶劑熱法、沉淀/共沉淀法。

上轉(zhuǎn)換納米材料的修飾方法：

常用的UCNPs水溶性修飾方法，包括配體交換、配體清除、配體氧化、層層組裝

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關(guān)鍵詞：

發(fā)射波長365nm上轉(zhuǎn)換納米顆粒

發(fā)射波長475nm上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光顆粒

發(fā)射峰550nm稀土上轉(zhuǎn)換納米材料

發(fā)射波長660nm稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光粒子

發(fā)射波長804nm稀土上轉(zhuǎn)換UCNPS

粒徑30納米的上轉(zhuǎn)換納米顆粒

粒徑150nm的稀土上轉(zhuǎn)換顆粒

微米級500nm稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光顆粒

水溶性二氧化硅上轉(zhuǎn)換納米顆粒

羧基功能化二氧化硅上轉(zhuǎn)換納米顆粒

氨基功能化水溶性稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光顆粒

聚丙烯酸修飾UCNPS顆粒

PEG修飾的稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光顆粒

稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米棒/微米棒（近紅外發(fā)光）

綠色熒光蛋白（GFP）修飾稀土上轉(zhuǎn)換納米顆粒

以上資料來自小編西安瑞禧生物（YQ2021.1）