海热古·吐逊, 郭乐, 丁嘉仪, 周嘉琪, 张学良, 努尔尼沙·阿力甫

无机材料学报 2025, 40 (2): 145-158. DOI:10.15541/jim20240058

摘要（287）

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肿瘤的早期诊断是癌症高效诊疗的关键基础。可视化荧光成像技术凭借其高时间-空间分辨率、高灵敏度、无电离辐射、无创和实时成像等优点, 在生物医学领域尤其是肿瘤的早期诊断中展现出巨大应用潜力。与可见光相比, 近红外(Near-infrared, NIR)光穿透生物组织时, 其受到的吸收和散射显著减少, 这一特性使得基于NIR光的荧光成像技术在生物医学领域展现出高信噪比及高空间分辨率的独特优势, 而高质量NIR荧光成像依赖于性能卓越的荧光探针。在众多荧光探针中, NIR光激发的上转换纳米颗粒(Upconversion Nanoparticles, UCNPs)因其低毒性、窄带发射、可调发射、长荧光寿命、良好的光化学稳定性以及高量子产率等优异特性, 在荧光成像领域脱颖而出。本文总结了上转换荧光探针的基本原理、合成方法、改性与修饰技术, 重点阐述了稀土掺杂上转换荧光探针在几种典型成像模式及肿瘤多模态成像中的最新研究进展, 并对进一步实现诊疗一体化的应用研究进行了展望。

UCNPs通常由基质材料和掺杂离子构成, 而掺杂离子又包括激活剂和敏化剂离子(图2(a))。因此, 选择适当的基质材料与掺杂离子对调控UCNPs的发光效率和发射波长尤为重要。UCNPs的基质材料决定了掺杂离子间距、配位数、格位对称性及相对空间位置等关键因素。理想的基质材料应当具备较低的声子能量、良好的物理化学性质及热稳定性[25??-28]。其中, 较低声子能量的基质材料有助于降低无辐射弛豫, 进而显著提升荧光强度。UCL指材料吸收多个低能(101~104 W·cm-2)NIR光子, 并在紫外、可见或NIR范围内发射多个高能光子(图2(b))。这一过程属于非线性光学的范畴, 表现为反斯托克斯发光过程[29?-31]。通过调控掺杂的镧系离子类型, 可以实现UCL发射波长的精细调节, 使其覆盖从紫外、可见到红外的全波段光谱(图2(c))[32]。UCNPs的光稳定性好, 能够在单一波长以及相对温和的激发功率辐照下, 发射窄带发射波长的光, 这有利于UCNPs应用于活细胞成像[33?-35]。