文 献 综 述 本世纪成为前沿研究领域的有机纳米探针技术，得到科研工作者的广泛关注并已取得不少成果，并将成为今后几十年当中占据科学技术发展的主要方向之一。

近年来生物荧光成像技术作为一项分子、基因表达的分析检测技术，由于具有快速、无损伤、直观、灵敏度高等优势已广泛应用于临床诊断、治疗、医学研究及生命科学等各个领域[1]。

荧光探针在荧光成像中具有对被检测物进行标记和示踪的作用。

作为活体生物荧光成像的探针应具备以下条件[2,3]1.粒径小且均匀（小于 50 nm）；2.具有良好的水溶性和生物相匹配性，毒性低，对生物体功能几乎没有影响；3.具有良好的光化学稳定性，不易被光解或漂白；4.低能量激发，发射光谱特性突出，荧光量子产率高；5.具有良好的组织穿透性。

1 稀土上转换荧光纳米材料简介 上转换荧光是在20世纪60年代中期被Auzel等[4]发现，并且首次确切地提出了上转换荧光这个概念．此研究一经报道就引起了研究者的极大兴趣，并在光学设备方面取得了重要应用进展，如红外探测器、温度传感器、全固态激光等等．直到20 世纪 90 年代后期，伴随着纳米材料的发展，稀土上转换荧光纳米材料才在生物分析和医学成像方面得到发展． 上转换荧光是利用稀土离子丰富的电子能级结构，通过连续吸收多个光子和能量转移，将低能量光辐射转换成高能量光辐射的过程[4]．Auzel 在2004 年的一篇综述文章中将上转换过程大体归结为四种情况：a．激发态吸收上转换过程，b．能量传递上转换过程，c．协同上转换过程，d．光子雪崩上转换过程[4]． 激发态吸收上转换过程是指处于基态 E0的离子吸收一个低能量的光子，被激发到亚稳态 E1，然后再吸收一个低能量的光子，被激发到更高的激发态 E2，最后从激发态跃迁回到基态时，辐射出高能量光子的过程(图 1中1)．此过程是上转换荧光的最基本过程，多发生在单离子内部，所以要求掺杂的发光中心离子浓度小，以减小离子间的能量传递引起的能量损失．能量传递上转换过程是指利用激发光激发敏化中心离子，使其电子从基态跃迁到激发态，激发态的电子向下跃迁到能量较低的激发态或者回到基态时释放出的能量，以非辐射共振能量转移的形式传递给相邻的激活中心离子，使激活离子的电子激发到高能态上，再跃迁回至基态时产生辐射跃迁的过程．根据能量传递方式的不同可以分为：能量传递上转换过程(图1中2)、交叉弛豫上转换过程(图1中3).连续能量传递上转换过程(图1中4).此过程主要依赖于稀土离子间的相互作用，因此掺杂的稀土离子浓度需要足够高才能保证能量传递的效果．协同上转换过程是指在没有中间亚稳态或者没有最高激发态能级，可以直接达到高能态粒子数布局，然后辐射出短波长光子的过程．包括协同发光上转换过程(图1中5)和协同敏化上转换过程协同上转换过程(图1中6)与能量传递上转换过程有很多相同性质，但其上转换效率要比能量传递上转换过程低4～5个数量级，可以忽略不计．光子雪崩上转换过程(图1中7)是指通过基态吸收、激发态吸收和交叉弛豫等能量传递的过程，使处于中间亚稳态的离子数量急剧增加累积，使激活离子实现高能态的粒子数布局，最后跃迁回基态时辐射光子的过程．此过程主要利用离子间的交叉能量传递来实现，因此要求掺杂的稀土离子浓度足够高才能使中间亚稳态的粒子达到一定数目的累积． 图1上转换荧光机理图 2.上转换纳米材料用于生物小分子和离子检测 上转换纳米材料是一种掺杂稀土元素的无机纳米材料，能够通过多光子机制将长波辐射（近红外光）转换成短波辐射，发射出比激发光波长短能量高的上转换荧光，是一种反斯托克斯发光的荧光纳米材料，其发射光的波长及强度可由掺杂稀土元素的种类和含量进行调控[5]。

上转换纳米材料在近红外光（980 nm 左右）的激发下，发射出可见光区的光，大部分的生命物质在此激发光激发时共振吸收都非常小，从而降低了检测背景，提高信噪比，从而提高了对生物分子或复杂体系重金属离子的检测灵敏度、降低检测下限[6-8]，并且上转换纳米材料具有很好的化学稳定性和光稳定性、发射峰窄、毒性低、弱的激发和散射光、量子产率高等特点。

由于上转换纳米材料的这些优良光学特性，使得上转换材料备受关注并在生化分析检测中得到广泛应用。

2005 年，Li 等[9]用上转换纳米材料与金纳米颗粒形成的 FRET 效应的荧光探针用于链霉亲和素的检测，这是上转换纳米材料首次应用于生物分子的检测。

他们分别在上转换纳米材料和金纳米颗粒上修饰上生物素，当存在链霉亲和素时，链霉亲和素与生物素特异性结合使得上转换纳米材料与金颗粒距离拉近，当用 980 nm 激光激发时，上转换纳米材料发射的荧光被金颗粒淬灭，通过检测上转换发射荧光的变化来间接反映溶液中的链霉亲和素的含量，该方法具有很宽的检测线性范围，灵敏度较高可以在溶液中检测到 0.5 n M 的链霉亲和素，此外该方法还可拓展用于荧光免疫分析、DNA 的检测等。

图 2.1 基于上转换纳米材料与金颗粒的 FRET 效应对链霉亲和素的检测[9] 近年来，基于上转换纳米材料的荧光探针发展迅速[10-13]，Zhang 等[14]基于上转换纳米材料与双链染料 SYBR GreenⅠ形成的 FRET 效应实现了对 DNA 的高灵敏度、高选择性检测，其原理如图 2.2，其检测下限为 20 fmol。