上轉換發光材料在生物成像和腫瘤診療中的應用綜述

劉金亮，繆煜清，李鈺皓

（上海理工大學 材料與化學學院，上海 200093）

引言

光學成像在生物醫學領域中用于生物分子等實時檢測與成像是目前研究的熱點。這種成像方式基于光學活性物質與光學檢測設備的進步與發展。其中用于實時監測各種生理活性物質的熒光探針物質遵循斯托克斯（Stokes）光學定律，即被高能量（短波長）的光激發后發出低能量（長波長）的光，這種發光方式也稱為下轉換發光[1-3]。換句話說，這些光學活性物質在高能量光子的激發下發出低能量的光子。然而這些遵循Stokes定律的發光物質在體內應用時會受到諸多干擾因素的影響，比如在可見光區激發和發射會造成嚴重的生物自發背景光干擾、光穿透深度低和信噪比差等[4]。基于此，上轉換發光技術在疾病診斷和醫學造影成像等領域表現出原位檢測獨特優勢。上轉換發光打破了傳統斯托克斯光學定律，是一種反斯托克斯（anti-Stokes）位移發光，其發光過程是指在低能量光（長波長）激發下，通過多種轉換方式發射出高能量光（短波長）的發光過程。這種光學成像方式可很好地解決上述下轉換發光在生物醫學領域應用中的不足。

基于上轉換發光原理的不同，如圖1 所示可將上轉換發光材料分為以下4 類，包括鑭系元素摻雜的稀土上轉換納米材料（upconversion nanoparticle，UCNP）、單光子頻率上轉換發光材料（frequency upconversion luminescence，FUCL）、三重態-三重態湮滅上轉換發光材料（triplettriplet annihilation，TTA）和雙光子吸收發光材料（two-photon absorption，TPA）[5-8]。上轉換發光過程還需要一些額外的能量才能實現從低能量光激發后發射出高能量光的過程。1946 年，Pringsheim等對這一過程的熱力學背景進行了激烈的辯論，并最終由Landau 在同年解決了此問題[9]。由于其獨特性，除在生物醫學領域的應用以外，上轉換發光在太陽能電池、顯示設備、人工照明、人工光合作用和激光冷卻等領域也受到極大的關注，并展現出廣闊的應用前景[10]。上轉換熒光成像在生物醫學成像方面有很大的應用價值，優良的上轉換發光可以賦予該類材料多模態成像、光導藥物遞送和疾病治療等多種用途。本文將介紹它們在不同發光機制基礎上的應用以及反斯托克斯發光材料的進展，以期為上轉換發光材料應用與研究提供新的思路和方法。

圖1 4 類上轉換發光材料發光機制Fig.1 Luminescence mechanisms of four upconversion luminescence materials

1 稀土上轉換發光納米材料

稀土元素的外層電子結構非常豐富，外部的電子軌道包括5d、6s 和4f 層，其中4f 層中的電子接受能量后實現的電子躍遷可表現出特征發光[11]。通過不同敏化劑和激活劑共摻雜于同種基質材料內實現兩者之間的能量傳遞，激活劑4f 電子層中不同電子輻射躍遷回到基態所發射出不同能量的上轉換光，可由此實現多色發光。一般情況下基質材料的晶體結構需要與摻雜離子緊密匹配且擁有足夠的透明度讓近紅外光子在晶格中自由遷移。目前已報道的鑭系摻雜的基質材料有氟化物、氧化物等，但氟化物基質仍然是首選材料。四氟釔酸鈉（NaYF4）是常用的氟化物基質，由于聲子能量低和鑭系元素能級匹配，被認為是較優的基質材料之一。通過水熱或溶劑熱等方式可合成得到α、β 兩種晶型的NaYF4納米晶，其中α 相為立方相，相比之下，熱力學穩定的六方相也就是β 相的NaYF4作為基質材料表現出更優的增強發光的特性。鑭系元素中，鐿離子（Yb3+）是典型的敏化劑，其表現出單一的激發態，可與鈥（Ho3+）、鉺（Er3+）、銩（Tm3+）等眾多鑭系激活劑的f-f 躍遷能級匹配較好，因此Yb3+可向這些鑭系離子有效傳遞能量實現上轉換發光。該類材料在近紅外光通常是980 nm 或者808 nm 光激發下，在近紅外至可見光區發射出半峰寬較窄的特征電子躍遷發射峰。借助于這種發光技術可實時在動物模型中觀察納米材料在組織臟器內的分布情況。合成得到的稀土上轉換發光納米材料結構通常為球形，也有六方形和棒狀等，粒徑可調并影響發光強度，幾百納米粒徑的發光強度優于幾納米粒徑的發光強度。除此之外，發光強度還受到結晶度、基質物相、摻雜敏化離子和激活離子濃度等因素的影響[12]。如圖2所示，為了降低發光淬滅，通常將該類材料制成核殼結構以增強其發光。還可以通過表面修飾包括聚合物修飾和蛋白修飾等以增加親水性和靶向性，由此在材料表面構筑的疏水空腔可作為藥物載體實現高效載藥及可控藥物釋放[13]。以下結合多種治療方式分述舉例該類材料在生物醫學領域中的應用。

圖2 中性聚合物修飾的核殼型稀土納米材料示意圖Fig.2 Basic structure of core-shell rare earth nanomaterial modified by polymer

1.1 用于光動力治療

光動力療法（photodynamic therapy，PDT）發展至今已近百年，在臨床中對部分疾病尤其是在皮膚類疾病的治療中展現出獨特的治療優勢[14]。一般來說，需要一個外部光源來激活光敏劑，將光能傳遞給敏化劑使其產生活性氧，導致腫瘤細胞凋亡或壞死。該治療方法具有可重復給藥、光劑量可控、副作用小以及局部治療等優點，可很好地解決常規三大治療方式（手術、放療和化療）產生的一些治療局限性[15]。為擴大光動力療法在深層腫瘤中的應用并增加其生物相容性，可將上轉換納米材料用作能量轉換器，將“生物窗口”（700～1 300 nm）的近紅外光上轉換為更短波長的光[16]，從而增加光對組織的穿透深度，避免使用紫外光對組織造成的二次傷害。Chan等[17]提出了一種新型的多功能納米核殼結構治療平臺。在該設計方案中，以NaYF4:Yb/Tm@NaYF4:Yb/Nd 為核殼型稀土納米材料，在其表面修飾聚合物聚賴氨酸（PLL）而顯現出電正性，通過靜電作用與表面帶有負電荷的石墨氮化碳量子點（CNs）結合形成復合納米藥劑（UCNP-PLL@CNs）。基于上轉換能量傳遞過程，由核殼結構的稀土納米材料吸收808 nm 近紅外光后發射出紫外至可見光，再被石墨氮化碳量子點吸收而產生對細胞有毒的活性氧實現光動力治療。

基于該能量傳遞過程，Guan 等[18]設計了一種復合納米粒子（UCNP-PEG-FA/PC70），其中葉酸（FA）配體用于修飾納米顆粒以增強對腫瘤的靶向性和促進內化，當稀土納米材料將近紅外光轉換成紫外可見光時激活一種卟啉結構的光敏劑（PC70），由此可在低氧環境中產生單線態氧用于光動力學治療。再者，Zhang 等[19]等利用核殼結構的納米材料（UCNP@mSiO2）存儲兩種類型的客體分子：可用于化療的阿霉素（DOX）和可用于光動力學治療的二氫卟吩（Ce6）。通過稀土上轉換納米顆粒的能量轉換可激發Ce6 產生活性氧聯合化療對腫瘤產生不可逆損傷。因此，稀土上轉換納米材料用于光動力學治療，主要基于能量傳遞過程實現低能量上轉換發光激活光動力治療中的敏化劑產生活性氧，單獨或聯合其他治療模式增強腫瘤治療療效。

1.2 用于光熱治療

光熱療法（photothermal therapy，PTT）是一種基于光熱劑，將光能轉化為熱能從而使腫瘤細胞產生不可逆熱損傷而實現熱消融治療的方法[20]。由于稀土離子的消光系數較低，稀土納米材料在光照下轉化為熱能的能力有限，而當其與有較強消光系數的納米粒子，如金（Au）和硫化銅（CuS）等復合時，可提高光熱療法的有效性。形成復合結構是將稀土納米材料與光熱性能相結合的有效方法。通過與CuS 復合，Zhang 等[21]設計出粒徑大約120 nm 的透明質酸（HA）修飾的UCNP@CuS-HA 復合材料，實現了超小粒徑的CuS 在腫瘤光熱治療中的協同應用。Cheng 等[22]構建了用于分子/磁性雙靶向光熱治療的稀土納米材料，氧化鐵（IONP）多功能納米粒子。在研究中，紫外吸收光譜表明這種納米材料具有較寬的光吸收范圍，其吸收從可見光延伸至近紅外區，并在近紅外激發下可以有效地殺死癌細胞。考慮到在42～45 ℃溫度下，長時間處理可能會損傷正常組織，Zhu 等[23]利用碳殼（Carbon）作為光熱劑構建核/殼結構上轉化納米復合物（NaLuF4:Yb,Er@NaLuF4@Carbon），在實現對體內腫瘤有效光熱消融的同時提供溫度反饋，以減少過熱對正常組織的損傷。Xu 等[24]構建了一個將上轉換納米粒子和染料（IR-1048）共同引入脂質適配體納米結構的一體化治療納米平臺（UCILA）。IR-1048 染料移植到脂質雙分子層中，可以作為光聲成像、光學血管成像、光熱成像和第二近紅外窗口光熱治療的治療劑。此外，裝載在UCILA 內部的UCNP具有良好的發光特性和高X 射線衰減系數，可作為計算機斷層掃描和熱敏上轉換發光成像的對比劑，實時跟蹤腫瘤代謝活動和溫度反饋。由此可見稀土納米材料與光熱藥劑結合形成復合納米藥劑，兩者之間并無能量傳遞等關系，但仍可發揮各自的作用實現多模式診斷與協同治療。

1.3 用于智能載藥治療

構筑稀土納米材料藥物傳遞系統最簡單的方法是在納米材料表面包裹中性聚合物、DNA、蛋白等。這些聚合物將為藥物提供一個貯存庫，并有助于保持納米材料的膠體穩定性。聚乙二醇（PEG）是最常用的包覆于稀土納米材料的聚合物，因其具有高水溶性和良好生物相容性等優點被廣泛應用[25-27]。Liu 等[28]以此設計了一種復合納米顆粒（UCNPs@MIL-PEG），其中以稀土上轉換納米材料為核心，含鐵的金屬有機框架結構（MIL）為殼層，PEG 對其進行進一步修飾。核殼納米粒子可以同時呈現出稀土上轉換納米顆粒核的近紅外發光和含鐵元素殼的T2加權磁共振成像。隨后，裝載阿霉素的UCNPs@MIL-PEG納米粒子可用于潛在的上轉換發光/磁共振雙模式成像，在協同成像條件下實現對病灶的精準診斷并同時實現對藥物的可控釋放，達到對癌癥的精準診療。由于結構中的PEG 對pH 有響應，在pH 為7.4 時，聚合物開始收縮，小的藥物分子很難穿透高密度的PEG 殼，被限制在聚合物基體中。而在pH 為5.8 時，PEG 殼層保持膨脹狀態，導致小分子化療藥物阿霉素從相對松散的網絡中順利擴散，可促進藥物在癌癥區域的快速釋放。因此環境響應型聚合物對納米藥物控釋起到很好的作用。又如Dain 等[29]設計了NaYF4:Yb/Er@SiO2@P(NIPAM-co-MAA)核/殼結構微球，通過層層設計創造了一種pH 誘導的熱響應藥物控釋體系，實現藥物的可控釋放。此外，再比如將DNA 修飾在稀土納米材料表面，基于DNA 的UCNP 能夠實現多種功能，并具有廣闊的應用前景。目前，已有多種DNA 修飾的UCNP 復合材料被開發用于診斷和治療。Han 等[30]利用一種DNA 修飾UCNP 顯著提高了納米粒子在高鹽緩沖條件下的穩定性。此外，這種DNA 還擁有高載藥能力，可在保持溫度傳感能力，控制靶向抗癌藥物遞送的同時實現深部組織成像。

綜上所述，通過形成復合結構等方式，鑭系元素摻雜的上轉換納米晶中融入了光動力治療、光熱治療、藥物遞送與可控釋放等功能。但由于材料的發光量子效率低和對近紅外光的吸收范圍窄，該類材料在生物醫學方面的應用尚未得到充分應用。通過對發光機理的深入研究，增強該類材料的發光效率，可使得稀土上轉換材料在生物醫學領域中的應用得到進一步提升與拓展。

2 單光子頻率上轉換發光材料

FUCL 是通過激發基態的熱振動-旋轉能級（St）到第一激發態（S1）產生上轉換發光回到基態的最低能級（S0）[31]。值得注意的是，頻率上轉換發光是一種典型的單光子過程，而需要將低能光子轉變為高能光子額外的能量是由來自于原始玻爾茲曼分布的熱量提供的[32]。圖3 列出了幾種目前已報道的可作為單光子頻率上轉換材料的結構。由于頻率上轉換材料是有機小分子，與稀土上轉換納米材料相比，表現出相對較高的光吸收率和可調控的激發和發射波長，并具有良好的耐氧性和高效率等優點，在生物醫學領域具有潛在應用價值。

圖3 已報道的幾種單光子頻率上轉換發光材料的結構Fig.3 Some reported structures for single-photon frequency upconversion luminescence

2.1 用于離子檢測

有毒有害的金屬陽離子污染物長期以來對環境和生命構成嚴重威脅，因此建立快捷、高靈敏度、高選擇性的檢測方法是目前研究的一個熱門方向。Liu 等[33]利用特定的銅離子（Cu2+）誘導螺旋內酰胺開環，開發出了單光子頻率上轉換探針（NRh）。該探針在水中對Cu2+具有良好的靈敏度和選擇性，成功地檢測了肝豆狀核變性患者尿銅水平。Yang 等[34]人設計合成了含有單硫代螺內酯基團的羅丹明衍生物近紅外化學劑量計（FUC-1）。由于汞和硫原子之間的強結合，FUC-1 經歷了從非熒光硫內酯形式到近紅外熒光開環形式的獨特轉變，對二價汞離子和甲基汞都表現出高選擇性和高靈敏性。而Xia 等[35]開發出的探針（rhodamine B hydrazine,RBH）在不同波長的激發下能同時發射上轉換熒光和下轉換熒光，不僅對亞汞離子具有良好的選擇性，而且對NO2-也有較高的靈敏度。由于有機小分子光學探針具有可修飾性強和檢測簡便等優點，在多學科領域有良好的應用。

2.2 用于生理物質檢測

酶在生物體中是一種非常重要的催化劑，它可以使生物體中的化學反應在溫和的條件下有效且持續地進行。因此利用熒光探針檢測酶含量在疾病診斷中發揮著重要的作用。Zhu 等[36]制備了一種基于羅丹明衍生物（NRh）和3,4-二硝基苯苯胺的近紅外頻率上轉換發光化學劑量計，以檢測谷胱甘肽S-轉移酶的活性水平。由于光誘導作用，羅丹明衍生物和鄰雙硝基取代苯胺之間可發生電子轉移過程，這會導致羅丹明熒光猝滅。但是在谷胱甘肽S-轉移酶的作用下，谷胱甘肽被硝基取代，在850 nm 光激發下發出832 nm的光。活細胞內穩定的pH 值對維持細胞內環境平衡非常重要，如細胞增殖、新陳代謝、吞噬作用和酶的活性。Chen 等[37]引入甘露糖改善頻率上轉換探針的生物相容性和在水溶液中的溶解度，可以靶向溶酶體，從而靈敏地測定溶酶體中pH 的變化。此外，Dong 等[38]也設計合成了一種頻率上轉換探針用于檢測溶酶體中的pH值，由于該探針內酰胺環開閉結構發生轉換，探針的發射強度提高了近80 倍。缺氧被認為是腫瘤微環境中使得腫瘤對抗治療的主要因素之一，因此可通過提高局部免疫抑制削弱抗腫瘤免疫應答。Li 等[4]構建了一個基于花菁結構的硝基還原酶頻率上轉換探針（Cy7-NO2），該探針可以在近紅外光的作用下通過對硝基還原酶的檢測與成像，可以對乏氧腫瘤進行檢測與成像。此外，Yu等[39]報道了一種線粒體靶向近紅外探針（NRh-O）用于頻率上轉換發光乏氧成像。在低氧條件下，該探針可被誘導還原成相應的胺，具有高靈敏度和選擇性。

2.3 用于生物成像及腫瘤治療

在生物成像和腫瘤診療中，使用低能量近紅外光激發是首選，這樣可以避免使用紫外光激發進而避免了對活體生物的光損傷，同時也有利于增加光在組織中的穿透深度并有利于提高信噪比[32]。Liu 等[7]開發了一個分子熒光團（NRh-1）在體內成像，可以在808 nm 激發下產生730 nm的強近紅外發射。結果表明該探針不僅提高了體內信噪比，而且相比于稀土上轉換材料，可以很容易地在72 h 內從體內清除。Tian 等[40]設計合成了一種有機分子上轉換敏化劑（FUCP-1）并且首次報道了基于腫瘤內部光動力治療的頻率上轉換機制。重原子（常用非金屬碘原子）的引入顯著促進激發態能級從單重激發態向三重激發態轉變，促進了產生對細胞有損傷的單線態氧，可有效抑制腫瘤生長。Zhou 等[41]構建了一系列具有上轉換發光的供體-受體結構的新型硫代吡啶染料，不僅能快速、有效地對骨肉瘤細胞內的線粒體成像，在成像時還可利用非輻射躍遷實現光能到熱能的轉變，因此該物質在成像引導下還能產熱對線粒體進行熱損傷達到兼具診療效果。除上述結構外，氟硼熒吡咯結構（BODIPY）具有優秀的量子產率和光穩定性，因此Jia 等[42]利用水溶性的硅納米顆粒摻雜BODIPY 實現高性能的生物成像且上轉換的量子產率達到了6.9%。這些工作擴展了單光子頻率上轉換材料在生物醫學領域的研究，也為這類材料的研究提供了有力的理論依據。

綜上所述，相比于傳統有機熒光分子的小轉換發光，頻率上轉換發光成像技術將具有結構可調、無光損傷、抗光漂白性好、檢測靈敏度高、穿透深度優等特點，在生物成像中極具優勢。但該類材料報道較少，對于何種有機染料結構具有頻率上轉換特性目前還尚無規律可循。增加對頻率上轉換發光材料分子結構和發光特性的研究可促進該類材料在生物醫學檢測與成像中的應用。

3 三重態-三重態碰撞能量湮滅型上轉換材料

三重態-三重態碰撞能量湮滅型上轉換（TTA）發光有著非常獨特的光物理過程，其光學特性為非線性。圖4 列舉了一些常見的TTA材料結構。該組合中主要由兩部分組成，包括了光敏劑（作為一種能量供體）和湮滅劑（作為一種能量受體）。上轉換發光過程主要基于光敏劑在三重激發態將能量傳遞給湮滅劑并由兩個湮滅劑分子在三重激發態碰撞產生更高能量的單重激發態進而發射出高能光子。近期，利用三重態湮滅能量轉移技術，Askes 等[43]以630 nm 臨床級激光器作為激發源，構建了具有藍光發射的聚乙二醇化脂質體復合物，該研究結果有效地驗證了雙組份能量轉移上轉換發光復合物可實際應用。此外Li 等[44]構筑了一種上轉換發光的比率型溫度探針。該探針是采用了一種對溫度敏感的雙親性聚合物同時包裹光敏劑與湮滅劑而形成基于能量湮滅轉移的納米膠束。研究結果表明上轉換的發光比率對溫度具有較靈敏的響應，并在一定范圍能呈現出線性范圍，可用于納米測溫。在性能優異的同時還具有較好的對空氣的低敏感性、穩定性和可重復性。因此，通過封裝技術制備上轉換比率型的納米光學溫度探針，可以很好的消除生物背景干擾，在生物體的高靈敏局域成像和疾病診療中有著潛在的研究和臨床價值。

圖4 典型的三重態-三重態碰撞能量湮滅型上轉換材料的光敏劑與湮滅劑Fig.4 Typical sensitizer and annihilator structures of triplettriplet annihilation type upconversion energy transfer material

對于構筑TTA 發光體系通常要求有機光敏劑中存在重原子，利用重原子效應引起強自旋軌道耦合，可有效地實現系間穿越并增加到達三重激發態的幾率。構筑TTA 上轉換發光體系，還要求光敏劑和湮滅劑之間具有匹配的三重激發態能級。該發光過程還受到分子氧的影響，其光敏劑和湮滅劑的三重激發態對分子氧敏感，可淬滅上轉換過程。為了克服這一限制，應設計具有高阻隔性能的抗氧保護機制。Huang 等[45]利用上述特性開發了TTA 核殼結構的前藥物傳遞納米顆粒，該納米顆粒包含預載TTA 分子的介孔二氧化硅納米顆粒為核心，封裝抗癌前藥分子的兩親性聚合物為外殼。系統中強烈的TTA 上轉換藍光在遠紅光刺激下激活抗癌前藥分子，在體內表現出有效的腫瘤生長抑制作用。同樣，Lv 等[46]將前藥和光敏劑封裝在兩親性嵌段共聚物高分子膠束中免受氧分子的攻擊，有效地釋放藥物用于癌癥治療。這些工作不僅為癌癥治療提供了一個新的納米平臺，也為新的有機TTA 上轉換技術應用于腫瘤診療奠定了基礎。

TTA 上轉換發光體系是光敏劑和湮滅劑通過碰撞，實現能量傳遞發出上轉換光，因此該體系的發展受到光敏劑和湮滅劑研究的雙重制約。此外，該上轉換發光體系對氧敏感，用于生物成像或檢測藥物遞送時，需要使用聚合物等包裹技術實現與氧氣隔離，這也是限制該技術應用的關鍵因素。因此，如何提高上轉換發光效率、開發更多的TTA 發光體系和隔絕氧氣的封裝技術均是本領域的研究熱點與難點。這些技術的進步與發展將有助于推動TTA 在生物醫學領域中的應用。

4 雙光子吸收材料

此外，許多金屬配合物具有重原子效應，可有效實現系間穿越過程，促進體系內的單重態到三重態的躍遷。例如Zhao 等[53]開發了一種多肽偶聯靶向腫瘤細胞中線粒體的Ru（II）光敏劑（RuC-RGD）。研究結果表明，RuC-RGD 在癌細胞的線粒體中大量積累而且觸發了線粒體介導的細胞凋亡，顯示了良好的雙光子PDT 特性。因為癌細胞內的谷胱甘肽（GSH）水平明顯高于正常細胞，Zeng 等[54]報道一種新的GSH 激活的雙核Ru（II）復合物作為雙光子光動力治療的光敏劑，因配體具有很強的吸電子性導致熒光猝滅，而GSH 是可以通過還原偶氮配體來大大提高Ru(II)配合物的發光性能，在癌癥治療中表現出良好的光毒性。與Ru(II)配合物相比，銥(III)配合物具有更高的配體場強和更強的自旋軌道耦合。Tian 等[55]探索了一系列環金屬銥(III)配合物的雙光子光動力抗癌活性，該配合物的配體被推/拉電子基團取代，以調節其電子性質和生物親和力。結果顯示，銥(III)配合物可在線粒體中定位并在癌細胞中表現出較高的光毒性。

此外，細胞內黏度變化也可用于觸發探針，實現響應型檢測。Zhang 等[56]構建了兩個對細胞內黏度變化響應的可用于檢測的雙光子成像探針。其中一個探針（Lyso-TA）不但在細胞中動態監測到溶酶體的融合與遷移，還監測到了可自噬的線粒體。該探針可以在簡單的室溫反應中轉化為另一種探針（Mito-QA）用于研究線粒體的功能紊亂與失控。細胞在環境的有害刺激下產生氧化應激時，γ-谷氨酰轉肽酶含量會明顯上調。γ-谷氨酰轉肽酶水平的檢測對于腫瘤細胞的鑒定和細胞氧化應激的研究具有重要意義。Du 等[57]構建了一種新型的γ-谷氨酰轉肽酶雙光子熒光探針（Glu-TPAN），通過將S 構型谷氨酸連接在熒光染料的萘環上，使得染料的發光被抑制。γ-谷氨酰轉肽酶可以特異性切斷谷氨酸，恢復熒光染料結構，并且產生強烈的雙光子熒光信號。該探針通過檢測細胞內γ-谷氨酰轉肽酶含量，可以準確區分正常細胞與癌細胞，同時能夠檢測細胞內產生的氧化應激。

然而在實際應用中，TPA 要想能夠實現良好的空間限域激發效果，激發光源通常采用功率密度很高的飛秒脈沖激光器，在價格上比較昂貴且被激發的染料分子往往需要具有較大的雙光子吸收截面，此類染料的種類并不多，所以TPA效應存在一定的應用局限性。如何優化雙光子吸收上轉換各能量傳遞過程并降低能量損失以獲得大的反斯托克斯位移與高的上轉換效率是該領域的研究難點與熱點。

5 展 望

生物光學成像就是通過光學技術并利用直觀的圖像表達小到微觀細胞大到生物體中的特定區域的信息分子，對其進行實時監控、功能測定等。由于上轉換發光技術有效消除了生物組織的自發熒光，可獲取高靈敏和低噪音的高質量成像圖像，是一種理想的生物成像方式。這種成像方式的光源通常在可見光至近紅外波長范圍且波長可調、激發光功率低、對活體組織幾乎沒有損害，在生物醫學疾病診斷與治療領域表現出良好的應用前景。除此之外，上轉換發光技術還易于與其他生物成像或治療技術復合，通過構建復合納米材料實現診療多功能化。雖然這種技術具有很多的優點，但如何提高上轉換發光效率并開發多種上轉換發光材料一直是該領域中的研究熱點與難點。通過技術的積累，上轉換光學成像正飛速發展。可以預見該類材料將在疾病診斷、基因篩查、蛋白質分析、生物評價、新藥篩選、在體實時成像等生物醫學成像領域中發揮重要作用。