引言

典型的熒光體是吸收短波長的激發(fā)光后，釋放低能量的長波長的光，即下轉(zhuǎn)換熒（downconversion，DC）。與此相反的，上轉(zhuǎn)換（Upconversion，UC）熒光體則具備吸收長波長激發(fā)光并釋放高能量的短波長光的特性。即常規(guī)DC熒光體吸收高能量的光（紫外線），釋放出頻率低的光（可見光），UC熒光體則吸收低能量光（紅外線），釋放高能量的光（可見光）（圖1）。迄今為止，zui典型的上轉(zhuǎn)換材料是包含吸收能量離子（例如Yb、Er 或 Sm）和發(fā)射能量離子（例如Er、Ho、Pr、Tm）的三價稀土離子化合物。摻雜稀土離子的納米粒子具有如下諸多優(yōu)點：①化學(xué)穩(wěn)定性良好，發(fā)光過程幾乎不受溫度、濕度、pH等的影響；②光化學(xué)穩(wěn)定性好，長時間在強光或激發(fā)光照射下仍具有很高的光學(xué)穩(wěn)定性，且不易被光解；③上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料激發(fā)波長一般是近紅外或紅外光，而在生物體系中，大部分干擾物不會被激發(fā)，降低了檢測背景，使得靈敏度獲得很大的提高；④上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的近紅外或紅外激發(fā)光波長長，能量低，所以可以很好的穿透一些生物組織而不會對其產(chǎn)生傷害；⑤上轉(zhuǎn)換納米材料是稀土摻雜材料，這相比于一些常用的熒光染料，價格低廉。而且其激發(fā)光源采用的是實惠的980nm紅外激光器，檢測裝置比較簡單。所以該材料可廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域，如在化學(xué)研究方面，可應(yīng)用于照明、太陽能電池、光學(xué)記錄裝置、發(fā)光二極管等領(lǐng)域，在生物化學(xué)研究方面，可應(yīng)用于生物標志物、藥物載體的研究領(lǐng)域。另外，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可應(yīng)用于利用激光治療癌癥的激光療法。

圖 1. 上轉(zhuǎn)換原理

本應(yīng)用針對由稀土類納米粒子構(gòu)成的日光石納米晶體進行了一系列實驗。日光石納米晶體的光量子效率和發(fā)光強度較高，廣泛應(yīng)用于生物產(chǎn)業(yè)。現(xiàn)有醫(yī)療診斷中使用的熒光物質(zhì)，需要用X線或紫外線長期照射人體，容引起DNA損傷、誘發(fā)細胞壞死等問題，相反上轉(zhuǎn)換熒光體利用低能量近紅外線對人體細胞的直接傷害較小。另外，由于上轉(zhuǎn)換熒光體吸收IR，釋放紫外、可見光，呈現(xiàn)較大的反斯托克斯位移（anti-stokes shift）(~500 nm)，使得激發(fā)、發(fā)射光譜分離較為容易。在本應(yīng)用中將介紹利用圖 2 所示的 Lumina 紅外激光池附件檢測上轉(zhuǎn)換樣品的熒光性質(zhì)。紅外激光（IRLaser）選用 975 nm（1000mW）的CW二極管激光。圖 2. Lumina紅外激光池附件

試劑和儀器

1.熒光分光計（Lumina）

2.日光石上轉(zhuǎn)換納米晶體 UCP 545(Sigma Aldrich)

3.日光石上轉(zhuǎn)換納米晶體 UCP 804(Sigma Aldrich)

4.熒光比色皿

5.Lumina紅外激光池附件

實驗步驟

1.將日光石上轉(zhuǎn)換納米晶體UCP545分散在3次蒸餾水內(nèi)，濃度為 1 mg/ml。

2.用超聲波處理15分鐘使納米晶體和溶劑充分混合。

3.按照步驟1、2制備日光石上轉(zhuǎn)換納米晶體UCP803。

4.將待檢樣品注入比色皿內(nèi)，再將比色皿插入紅外激光池支架上。

5.按圖 3 所示設(shè)定檢測條件后檢測熒光

結(jié)果

樣品的熒光檢測結(jié)果如下：兩個樣品均吸收紅外激光光源發(fā)出的波長975mm（±10nm）的紅外光，并在可見光波長范圍內(nèi)發(fā)生上轉(zhuǎn)換現(xiàn)象（圖4）。日光石UCP545的特點是吸收波長為976nm的紅外光，發(fā)射為545nm和658nm可見光。經(jīng)檢測確認波長為545nm 和 658nm 時出現(xiàn)發(fā)射光峰值。

日光石UCP803的特點是吸收波長為976nm的紅外光，發(fā)射波長為500nm和803nm。特別是波長為803nm時出現(xiàn)發(fā)射光峰值。經(jīng)實驗檢測確認波長為500nm和803nm時出現(xiàn)發(fā)射光峰值，并且波長為803nm時的熒光強度高于波長為500nm時的熒光強度。上述兩個樣品均顯示兩個以上熒光發(fā)射峰，發(fā)射峰窄并尖銳。這是由于被激發(fā)的電子跌回基態(tài)時的能量各自不同導(dǎo)致。

結(jié)論

在本實驗中，利用Thermo Fisher 的 Lumina 熒光分光光度計和紅外激光附件對上轉(zhuǎn)換（Upconversion）材料的熒光性能進行了研究。分析結(jié)果與上轉(zhuǎn)換（Upconver-sion）原理一致，樣品吸收長波長的紅外光后在短波長可見光波長范圍內(nèi)釋放熒光。