镧掺杂上转换纳米生物探针:电子结构、光学性质和生物探测

原文作者 Wei Zheng, Ping Huang,Datao Tu, En Ma, Haomiao Zhu and Xueyuan Chen

摘要：镧系元素掺杂的上转换纳米颗粒（UCNP）由于其优越的物理化学特性，如大的反斯托克斯位移、低自发荧光背景、低毒性和高穿透深度，引起了人们极大的兴趣，这使得它们非常适合作为常规降频发光生物探针的替代品，如有机染料和量子点，用于各种生物应用。对镧系元素掺杂的UCNP的光物理有一个基本的了解对于发现新的光学性质和探索其新的应用是至关重要的。在这篇综述中，我们通过专门为上转换发光设计的定制镧系光物理测量平台，重点介绍了镧系掺杂UCNP作为潜在发光纳米生物探针的最新进展，包括从基本光物理到生物应用，包括电子结构（发射体的能级和局部位置对称性）、激发态动力学、光学性质设计及其在肿瘤标记物体外生物检测中的应用前景。展望了这一迅速发展的领域的一些未来前景和努力。

关键词：上转换纳米颗粒； 生物探针；Ln³ 掺杂 ；光学性质

1、引言

镧系元素（Ln³ ）激活的上转换（UC）材料能够将长波刺激转换为短波发射，已被广泛应用于固体激光器、平板显示器、光通信和其他光子器件中。与需要昂贵的超短脉冲激光器（例如飞秒脉冲激光器）来进行激发的多光子吸收或二次谐波产生相比，掺Ln³ 的UC材料通常利用更有效的能量转移UC过程，因此，可以使用低成本的连续波（CW）近红外（NIR）二极管激光器（例如808 nm或980 nm激光器）激发。正是它们独特的电子结构，使得晶体中的Ln³ 离子能够通过连续的光子吸收和低能级的能量转移，有效地从高能级发射光子。由于Auzel和其他人在4f^N电子结构内UC的理论和实验研究方面的开创性工作，人们对掺Ln³ 的UC材料中涉及的许多光谱和机理有了很好的了解。随着纳米技术和生物技术的快速发展，尤其是材料合成新方法的发展，人们对掺Ln³ 的UC材料在纳米尺度上的可控合成、光学性质和生物应用越来越感兴趣。纳米晶和纳米结构的UC材料，通常粒径小于100nm，与块状材料相比，可能表现出新的电子、磁性、光学或热力学性质。特别是，核-壳纳米结构设计可能赋予UC纳米颗粒（NPs）新的光学特性或其他功能模式的集成，以作为多种生物应用的多模生物探针。

与传统的降频发光（DSL）生物探针如有机染料和量子点（QD）相比，Ln³ 掺杂的UCNPs具有优越的物理化学特性，如大的反斯托克斯位移、高抗光漂白性、低自发荧光背景、低毒性和高穿透深度，因此被认为是新一代发光生物探针。尽管这些功能性的UCNPs大部分对应物之前都得到了很好的研究，但它们在生物检测、生物成像、药物递送、光动力疗法（PDT）、光热疗法、和疾病治疗等领域的生物医学应用重新引起了人们的兴趣。尽管进行了广泛的研究，但UCNPs仍然存在量子产率（QY）低的问题，这是目前其商业化的主要瓶颈。因此，追求UC发光（UCL）的高QY成为普遍关注的目标。为了实现这一目标，有必要对掺Ln³ 的UCNPs的光物理进行全面的调查。

最近，随着Ln³ 掺杂UCNP的快速发展，这些UC纳米生物探针在结构/形态控制、功能化设计和光学性能优化方面取得了许多重大进展，可用于多种生物医学应用，最近的许多评论和书籍章节对此进行了总结。应该注意的是，他们中的大多数人只是回顾了UCNPs在药物递送、PDT、细胞或小动物成像中的化学和潜在应用。迄今为止，很少有关于UC纳米生物探针的基础光物理和生物测定应用的综述。同时，由于近年来人们对其光学性质有了更多新的认识或进展，迫切需要对其光学性质进行更新。本综述并非详尽无遗，而是旨在全面综述Ln³ 掺杂UCNPs作为潜在发光纳米生物探针的最新进展，涵盖从基本光物理到生物检测，包括电子结构（能级和发射器的局部位置对称性），激发态动力学、光学性质及其在肿瘤标记物等生物分子体外检测中的应用前景。

光学性能设计

由于Ln³ 离子内部存在奇偶性禁止的内部4f跃迁及其特殊的电子结构，Ln³ 掺杂的UCNPs具有优异的光学特性，例如尖利的发射峰、大的反斯托克斯位移、长的PL寿命以及高的抗光漂白和光闪烁能力。在近红外激发下，这些UCNPs具有显著的光穿透深度，并且生物样本中没有自发荧光，因此非常适合作为传统DSL生物探针的替代品用于各种生物应用。在本节中，我们将重点介绍Ln³ 掺杂的UCNPs的光学特性，这些UCNPs在结构上是为生物应用而设计的，包括UC发射操纵、UC激发操纵、UCL寿命操纵、UC QY和UCL增强。

4.1上转换发射操作

通过调节主体-掺杂剂组合、掺杂剂浓度以及NPs相、尺寸、形态、结晶度和表面配体，通过控制发射峰或其相对发射强度，可以在从UV到可见光和NIR的宽光谱区域控制Ln³ 掺杂UCNPs的发射。许多工作都致力于控制UC排放，以满足拟议应用的要求。对于体内生物成像而言，由于近红外或红色发射具有深层组织穿透性，因此首选它们，而在基于UC的光敏纳米平台中，考虑到它们触发光化学反应的能力，UV或蓝色光子是首选。多路生物成像和生物检测需要多色发射。具有高色度纯度的单波段发射是多路生物传感的理想选择，以避免每个通道信号之间的荧光串扰。

4.1.1 多色发射

为了在多色标记和多路生物检测中的应用，对掺Ln³ 的UCNPs的颜色输出进行微调是非常理想的。调整UCNPs颜色输出的策略主要涉及对掺杂剂组合和主体晶格的控制。UCNPs的结构、尺寸、形态、结晶度和表面配体对UC发射有复杂的影响，并且严重依赖于合成。例如，Huang等人报告了六方相NaScF₄:Yb，Er NPs中结构诱导的红色UC排放，这与NaYF₄对应物中的绿色排放形成了鲜明对比。Wu等人证明，NaYF₄:Yb，Er NPs的UC多色输出主要来自NPs结晶度的影响，并且可以通过改变反应时间和温度来轻松调节。他们还发现，NaYF₄:Yb，Er纳米颗粒的UC发射颜色受到纳米颗粒表面上的配位配体的强烈影响 。

与控制主体晶格相比，调整掺杂剂组合和浓度是控制多色UC发射的更有效和通用策略。Liu和Wang对Yb/Er和/或Yb/Tm共掺NaYF₄纳米颗粒的这种效应进行了系统研究。通过精确控制掺杂剂组合及其浓度，在980 nm的单波长激发下获得了从可见光到近红外区域的多色UC发射（图9a）。Zhang和同事设计了夹心结构的UCNPs，在两个NaYF₄层之间夹有一个NaYbF₄矩阵，用于微调UC发射波长。通过将不同的发射体（Er³ 和Tm³ ）掺杂到每个壳层中并调整其厚度，观察到了强烈且可调谐的UC颜色输出（图9b）。最近，Liu和同事报告了通过端对端生长和掺杂控制在单个NaYF₄微棒中进行UC多色调谐（图9c）。尽管取得了这些成就，在传统的UC工艺中，只有少数Ln³ 离子（Er³ 、T m³ 和Ho3 在大多数情况下）是有效的活化剂，这限制了可用的光谱轮廓，从而限制了发射颜色的可调性。克服这一限制的明智策略是使用第3.1节所述的EMU。通过EMU，DSL发射器（例如T b³ 、Eu³ 、D y³ 和Sm³ ）可以实现额外的可调谐UC发射，而无需长期的中间储层水平，这显著拓宽了UCL的光谱区域。

除了上述两种基本策略外，其他方法，如将具有不同化学性质的光学NPs组装成一个复合粒子，也可用于UC多色调谐。例如，通过将NaYF₄:Yb、Er和NaYF₄:Yb、Tm NPs封装到聚苯乙烯珠中，并改变粒子之间的摩尔比，可以将发射颜色从绿色调整为蓝色。211种有机染料和量子点也用UCNPs封装到SiO₂ NPs中，通过傅里叶共振能量转移（FRET）或“内滤”效应（即辐照/再吸收过程）来调整其发射颜色。分子荧光团或量子点的引入可能会引起对光稳定性和毒性的新关注，并由于发光散射或猝灭而降低整体UCL强度。

图9（a）通过控制NaYF₄:Yb，Er，Tm NPs中的掺杂浓度进行UC多色调谐。（b） 基于三明治结构核壳UCNPs的UC多色调谐。通过在每个壳层中掺杂不同的发射体（Er³ 和Tm³ ）并调整其厚度，可以实现强烈且可调谐的UC颜色输出。（c） 通过端对端生长和掺杂控制，在单个NaYF₄微棒中实现UC多色调谐。（经美国化学学会和爱思唯尔有限公司2008年、2012年和2014年版权所有，许可改编）

4.1.2 单波段发射

Ln³ 丰富的4f^N电子能级使UCNPs在单波长激发下具有多重跃迁。然而，不同Ln³ 离子的多重跃迁可能会在体内生物成像和体外生物检测中造成信号干扰。为了避免这一缺点，高色纯度的单波段UCL是一个理想的选择。为此，通过合理控制Ln³ 的光谱分布，人们致力于实现单波段UCL。实现单带UCL的常用方法是通过改变掺杂剂组合或浓度来控制Ln³ 离子之间的能量转移。例如，由于活化剂（Er³ 和Tm³ ）t到Y b³ 的能量反向转移，随着Yb³ 浓度的增加，Yb/Er和Yb/Tm共掺杂NaYF₄ UCNP中的红色与绿色以及NIR与可见UCL的强度比分别得到增强。利用Ho³ 和Ce³ 之间的能量转移，在NaYF₄:Yb，Ho，Ce纳米颗粒中实现了高红绿比。类似地，基于Er³ 和Tm³ 之间的能量转移，在980 nm激发下观察到NaYF₄:Er，Tm NPs中的纯红色UCL。

另一种生成单波段UCL的有效方法是引入Mn² 离子，它们参与能量转移，并促进激发能量在发射器的单个发射电平中累积（图10）。Zhao及其同事报告了这种方法最具代表性的一个例子，他们制定了一种简单的策略，通过控制Mn² 含量来控制NaYF₄:Yb，Er NPs中的绿色或红色UC排放。Mn² 离子的掺杂增加了Er³ 的红色发射，而牺牲了绿色发射，从而导致UC发射颜色可从绿色调为红色。同时，Liu和同事开发了另一种策略，基于掺杂Ln³ （Yb/Er、Yb/Ho和Yb/Tm）的KMnF₃，在红色和近红外光谱区域产生纯单波段UC发射（图10）。研究发现，KMnF₃纳米颗粒中的单带特征与掺杂剂浓度、泵浦功率和温度无关，这与在多色UCNPs中观察到的显著不同，因此使其在深部组织生物成像和多路生物检测中特别有吸引力。其他主体材料，如NaMnF₃、MnF₂、YOF和Na₃Zr（Hf）F₇在掺杂Ln³ 离子时也表现出单带UCL行为，这是因为Mn² 的存在或其特殊的晶体结构。

实现单波段UCL的另一种方法是通过引入特定的吸收剂、猝灭剂或其他能量转移供体来定制发射光谱。光子晶体和其他非镧系荧光团，如有机染料、量子点和金纳米粒子，可以通过与UCNPs中的Ln³ 发射体相互作用，选择性过滤UCNPs的发射带并产生单波段发射，成为理想的候选材料。

图10环己烷中含有：（a）KMnF₃:Yb，Er（18:2 mol%），（b）KMnF₃:Yb，Ho（18:2 mol%）和（c）KMnF₃:Yb，Tm（18:2 mol%）纳米晶体的溶液的UC发射光谱（插图：提出的能量转移机制和胶体溶液的相应发光照片）。所有光谱都是在功率密度为10 W cm^-2的980 nm连续半导体激光器的激发下记录的（经参考文献222许可改编，版权所有2011，威利VCH Verlag股份有限公司，KGaA）

4.1.3宽带发射

与线状发射相比，宽带发射覆盖了宽光谱区域，其半高宽通常大于50nm，这在照明、显示器、太阳能电池和生物医学应用中有时可能会发现其优势。在生物传感中，考虑到通过带通滤波器的高光通量，宽带UCL能够提供增强的检测信号，因此相对于线状UCL，在等效最大发射强度下提高了检测灵敏度。NIR触发的光敏剂平台也需要最大化UCNPs和光敏剂之间的光谱重叠，这将提高平台的敏化效率。

由于Ln³ 发光具有尖

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