上转换纳米粒子具有特殊光学特性，其制备的生物探针有更强的应用|光子|探针|激发态|离子|纳米粒子

导语：近年来基于上转换纳米粒子的探针的重大进展，与传统的荧光探针（例如有机染料，金属络合物或无机量子点）相比，上转换纳米粒子具有许多优点，例如非自发性荧光、化学稳定性高、光穿透深度大、寿命长以及对样品的损害较小等。直到二十世纪九十年代后期，纳米技术的进步为上转换纳米粒子提供了新的机会，这些材料已成为纳米科学界最有吸引力的研究领域之一，其中包括生物检测方面的许多进步。

上转换过程

上转换是指非线性光学过程，其中两个或多个低能量光子通过中间的长时间能量状态吸收，然后发射高能量光子。对于传统的荧光过程，激发光子的能级高于发射光子的能级。但是，在上转换过程中，发射光子的能级高于激发光子的能级，即低能激发的光子转换为高能能的光子。尽管人们已经知道这种现象已有60多年的历史了，但是这种现象的应用仅限于块状玻璃和晶体材料。

大多数生物检测研究都基于发光共振能量转移机制。发光共振能量转移是发生在能量供体和能量受体之间的辐射过程。因为上转换纳米粒子本身只能通过掺杂来改变其发射波长，并且它们的表面上没有任何识别部分，所以这些纳米粒子不太可能显示出有效的传感行为。为了解决此问题，需要在上转换纳米粒子的表面附加特殊的识别基团，其中上转换纳米粒子产生的光信号将通过发光共振能量转移过程受到影响。实际上，上转换纳米粒子是理想的能量供体，并且需要将适当的识别基团作为能量受体附着在上转换纳米粒子的表面上，以实现高效且灵敏的发光共振能量转移。

上转换机制

大部分上转换纳米粒子由镧系元素离子组成，因为每个镧系元素离子的能级保持恒定，并且这些能级可以产生一组独特的尖锐发射峰，例如光谱指纹。上转换机制主要有三种：激发态吸收、能量上转换、光子雪崩。

1、激发态吸收

激发态吸收是指一个稳态离子连续吸收光子被跃迁两级到E2能级，然后发射一个光子并再次返回稳态的过程。在此过程中，两个因素（从稳态到E1和从E1到E2的相似的能隙，以及中间能级E1的长寿命）起着关键作用。当离子被激发到E1能级时，它仍然可以接受另一个具有相同波长的光子，从而被提升到E2能级。为了提高激发态的效率，需要具有阶梯状能量状态的镧系离子。只有少数镧系离子，例如Er3+，Ho3+和Tm3+等具有这种能级分布。

2、能量上转换

能量转移上转换与激发态吸收完全不同，因为激发态仅对一个离子运行，而能量上转化涉及两个相邻离子。在能量上转化过程中，作为敏化剂的离子1可以吸收光子，并被激发到中间能级E1。由于能级E1不稳定，因此离子1可以将该能量传递给相邻的离子2（活化剂），并且离子1返回基态。同时，离子2被激发到E1能级。能量转移过程可能再次发生，离子2将被激发到其活跃状态E2，然后发射转换后的光子。能量上转化的上转换效率与敏化剂和相邻活化剂之间的平均距离密切相关。

3、光子雪崩

对于光子雪崩过程，激发能应满足高于某个阈值（E2-E1）的能量。光子雪崩是一个循环过程，其始于通过激发态吸收过程将离子能量从能级E1提升到能级E2。然后，E2能级离子与另一个基态离子之间发生了有效的交叉松弛过程。两种离子均通过以下公式填充为中间E1状态：离子1（E2）+离子2（稳态）→离子1（E1）+离子2（E1）。此循环的最终结果是，在E1级的一个离子在E1级产生两个离子，并且这两个离子已准备好填充到E2级以进行进一步的成环过程。当出现环路时，两个离子将产生四个离子，四个离子将产生八个离子，依此类推。最终，这种进展将导致像雪崩一样，E2能级离子呈指数增长。

上转换纳米粒子的生物毒性

当上转换纳米粒子被广泛应用于生物系统中时，评估其潜在危害变得越来越重要。通常，上转换纳米粒子的生物应用可分为两部分：体外和体内。体外测试是指在诸如Hela细胞和KB细胞等活细胞中进行的测试，而体内是指在诸如大鼠和斑马鱼等活体动物中进行的测试。

要评估上转换纳米粒子的细胞毒性，最常见的测试之一是细胞毒性分析，它是一种快速、标准化、灵敏且低成本的方法。为了进行该测试，首先将上转换纳米粒子温育到具有不同条件的活细胞中，然后记录细胞的活力以判断上转换纳米粒子的生物毒性。

多项研究结果已经表明，上转换纳米粒子对多种细胞系几乎没有细胞毒性。还通过动物研究对细胞毒性进行了体内测试。有研究发现，健康的大鼠在注射二氧化硅涂层的上转换纳米粒子后7 天并未表现出任何异常行为。此外，他们还研究了上转换纳米粒子在不同器官中的分布，发现大多数上转换纳米粒子在7天后通过尿液排出。

上转换纳米粒子在治疗学的未来方向

基于上转换纳米粒子的治疗应用已在药物递送、光调节药物释放、光声疗法和光动力疗法中显示出不错的结果。但是，大多数治疗结果都是在体外完成的，而在体内的作用却很有限。上转换纳米粒子在啮齿动物中的治疗研究将是一个有趣的探索，另外，光动力疗法和光声疗法的治疗方式在上转换纳米粒子表面上彼此相容。上转换纳米粒子中光动力疗法和光声疗法的联合使用可能会改善治疗。

结语：上转换纳米粒子具有许多特殊的光学特性，可以使基于上转换纳米粒子的探针适用于生物检测。为了提高化学疗法的效力，基于上转换纳米粒子的治疗剂的新设计是重要的，其具有高的药物有效载荷并能够靶向释放治疗剂。基于上转换纳米粒子的探针在生物成像和生物检测中应具有自己的潜力，但是，在他们真正的应用于临床之前，还有很大的改进空间。