引言

典型的荧光体是吸收短波长的激发光后，释放低能量的长波长的光，即下转换荧（downconversion，DC）。与此相反的，上转换（Upconversion，UC）荧光体则具备吸收长波长激发光并释放高能量的短波长光的特性。即常规DC荧光体吸收高能量的光（紫外线），释放出频率低的光（可见光），UC荧光体则吸收低能量光（红外线），释放高能量的光（可见光）（图1）。迄今为止，zui典型的上转换材料是包含吸收能量离子（例如Yb、Er 或 Sm）和发射能量离子（例如Er、Ho、Pr、Tm）的三价稀土离子化合物。掺杂稀土离子的纳米粒子具有如下诸多优点：①化学稳定性良好，发光过程几乎不受温度、湿度、pH等的影响；②光化学稳定性好，长时间在强光或激发光照射下仍具有很高的光学稳定性，且不易被光解；③上转换发光材料激发波长一般是近红外或红外光，而在生物体系中，大部分干扰物不会被激发，降低了检测背景，使得灵敏度获得很大的提高；④上转换发光材料的近红外或红外激发光波长长，能量低，所以可以很好的穿透一些生物组织而不会对其产生伤害；⑤上转换纳米材料是稀土掺杂材料，这相比于一些常用的荧光染料，价格低廉。而且其激发光源采用的是实惠的980nm红外激光器，检测装置比较简单。所以该材料可广泛应用于不同领域，如在化学研究方面，可应用于照明、太阳能电池、光学记录装置、发光二极管等领域，在生物化学研究方面，可应用于生物标志物、药物载体的研究领域。另外，在医学领域，可应用于利用激光治疗癌症的激光疗法。

图 1. 上转换原理

本应用针对由稀土类纳米粒子构成的日光石纳米晶体进行了一系列实验。日光石纳米晶体的光量子效率和发光强度较高，广泛应用于生物产业。现有医疗诊断中使用的荧光物质，需要用X线或紫外线长期照射人体，容引起DNA损伤、诱发细胞坏死等问题，相反上转换荧光体利用低能量近红外线对人体细胞的直接伤害较小。另外，由于上转换荧光体吸收IR，释放紫外、可见光，呈现较大的反斯托克斯位移（anti-stokes shift）(~500 nm)，使得激发、发射光谱分离较为容易。在本应用中将介绍利用图 2 所示的 Lumina 红外激光池附件检测上转换样品的荧光性质。红外激光（IRLaser）选用 975 nm（1000mW）的CW二极管激光。图 2. Lumina红外激光池附件

试剂和仪器

1.荧光分光计（Lumina）

2.日光石上转换纳米晶体 UCP 545(Sigma Aldrich)

3.日光石上转换纳米晶体 UCP 804(Sigma Aldrich)

4.荧光比色皿

5.Lumina红外激光池附件

实验步骤

1.将日光石上转换纳米晶体UCP545分散在3次蒸馏水内，浓度为 1 mg/ml。

2.用超声波处理15分钟使纳米晶体和溶剂充分混合。

3.按照步骤1、2制备日光石上转换纳米晶体UCP803。

4.将待检样品注入比色皿内，再将比色皿插入红外激光池支架上。

5.按图 3 所示设定检测条件后检测荧光

结果

样品的荧光检测结果如下：两个样品均吸收红外激光光源发出的波长975mm（±10nm）的红外光，并在可见光波长范围内发生上转换现象（图4）。日光石UCP545的特点是吸收波长为976nm的红外光，发射为545nm和658nm可见光。经检测确认波长为545nm 和 658nm 时出现发射光峰值。

日光石UCP803的特点是吸收波长为976nm的红外光，发射波长为500nm和803nm。特别是波长为803nm时出现发射光峰值。经实验检测确认波长为500nm和803nm时出现发射光峰值，并且波长为803nm时的荧光强度高于波长为500nm时的荧光强度。上述两个样品均显示两个以上荧光发射峰，发射峰窄并尖锐。这是由于被激发的电子跌回基态时的能量各自不同导致。

结论

在本实验中，利用Thermo Fisher 的 Lumina 荧光分光光度计和红外激光附件对上转换（Upconversion）材料的荧光性能进行了研究。分析结果与上转换（Upconver-sion）原理一致，样品吸收长波长的红外光后在短波长可见光波长范围内释放荧光。