综述：合理设计的核壳结构上转换纳米颗粒在发光增强与多功能成像中的最新进展

《Journal of Analysis and Testing》：Recent Progress in Rationally Engineered Core-Shell Structures of Upconversion Nanoparticles for Luminescence-Enhanced and Versatile Imaging

本综述系统阐述了近红外（NIR）激发的镧系元素掺杂核壳结构上转换纳米颗粒（UCNPs）的发光调控工程及其多功能成像应用。文章通过将表面缺陷钝化、能量迁移优化和界面工程优化等纳米结构工程策略与增强量子产率、可调谐多色发射及光稳定性等光学性能提升相关联，建立了一个系统的框架。这些发光调控策略使得核壳纳米结构能够克服单组分材料的局限性，支撑了痕量物质检测、高安全性光学信息加密、生物医学检测与成像引导治疗以及耐用可穿戴设备等领域的应用发展，并有望推动下一代成像技术的创新。

　　

引言

光子上转换的概念由物理学家N. Bloembergen于1959年提出。随后，Auzel于1966年在实验中验证了镧系元素掺杂晶体中近红外（NIR）光向可见光的转换。1972年，Menyuk及其同事在氟化物晶格中高效掺杂镧系离子，为现代上转换纳米颗粒（UCNPs）的有效上转换发射奠定了重要基础。2003年，Kompe等人首次将核壳概念引入镧系掺杂纳米颗粒，旨在减少表面淬灭并显著增强上转换亮度。此后，Chen、Lu、Capobianco等团队通过表面配体工程研究了UCNPs的水溶性和生物相容性，为其在生物医学成像中的广泛应用铺平了道路。

与有机染料和量子点等传统荧光材料相比，UCNPs具有独特的将低能量近红外光（如980 nm）通过镧系离子（如Yb³⁺/Er³⁺）的多光子能量迁移转换为高能量可见光（Vis）/紫外光（UV）的能力。此过程具有自发荧光背景低、发射带宽窄、抗光漂白性强、发光寿命长以及组织穿透深度大等优势。然而，单相UCNPs常因上转换发光效率低和表面淬灭等问题，在成像性能上存在局限。为了克服这些挑战，合理设计的核壳结构UCNPs，即由镧系掺杂纳米晶核与外延生长的、成分精确控制的壳层组成，提供了一种有前景的解决方案。

近红外激发上转换纳米颗粒的制备与性能

发光机制

近红外激发UCNPs的发光机制基于反斯托克斯发射过程。镧系掺杂UCNPs中的主要上转换过程包括激发态吸收（ESA）、能量转移上转换（ETU）、协同敏化上转换（CSU）、交叉弛豫（CR）、光子雪崩（PA）和能量迁移介导的上转换（EMU）。其中，EMU在核壳结构UCNPs中起着关键作用。在此过程中，敏化剂（如Yb³⁺）吸收的能量通过能量转移网络进行长程迁移，最终被激活剂离子（如Er³⁺或Tm³⁺）捕获，从而有效分离激发和发射位点。

制备方法

纳米材料合成的快速进展使得制备形貌可调、尺寸分布均匀、分散性良好的近红外激发UCNPs成为可能。常见的制备方法包括高温热分解法、水热/溶剂热法、溶胶-凝胶法、共沉淀法和微乳液法等。其中，核壳纳米结构工程已成为同时提高上转换发光效率和结构稳定性的特别有效的方法。通过一锅法逐层（LBL）组装、种子介导生长、共沉淀、外延沉积和阳离子交换等技术，可以实现对纳米结构参数的精确控制，从而系统优化发光特性。

镧系掺杂核壳结构上转换纳米颗粒的发光工程

外壳层表面缺陷钝化

有效钝化外壳层的表面缺陷对于提高镧系掺杂核壳结构UCNPs的上转换发光性能具有不可忽视的作用。例如，在活性核（如NaYF₄:Tm³⁺, Er³⁺）外延生长晶格匹配的未掺杂NaYF₄惰性壳层，可以物理隔离掺杂核与表面缺陷，同时阻挡来自外部环境的非辐射能量耗散。研究表明，增加壳层厚度可以显著提高钝化效率。此外，利用Tb³⁺的变价特性形成离子陷阱（Tb²⁺），并结合壳层钝化阻止载流子逃逸，可将持久发光（PersL）强度提高5倍。类似策略也成功应用于近红外生物窗口发射的镧系离子（如Nd³⁺和Er³⁺）。

在核壳纳米结构设计中，减少能量损失的策略不仅包括通过惰性壳层减轻表面缺陷，还包括工程化镧系离子陷阱。例如，在核壳异质结构LnNP@LHP（β-NaGdF₄@CsPbBr₃）中，利用CsPbBr₃活性壳层的高缺陷耐受性，有效钝化了LnNP表面的缺陷，不仅延长了寿命，还结合了缺陷钝化与从UV到近红外和从近红外到可见光的双向能量迁移功能。

多层核壳纳米结构中的能量迁移优化

多层核壳纳米结构的设计为优化能量迁移和转换效率提供了一个强大的平台。其一个重要方面是提高激发接触点的能量捕获效率，同时减少非辐射损失。例如，在LiYF₄@LiErF₄@LiYF₄三明治型核-壳-壳异质结构中，空间限制设计将Er³⁺限制在核层，从而阻断并捕获Er³⁺的长程能量迁移至缺陷位点。同时，Er³⁺和Tm³⁺离子之间的闭环能量迁移循环显著将量子效率从低于0.01%提高到2.29%。

Su等人提出的六光子上转换异核壳系统（NaGdF₄:Yb, Tm@NaYF₄@NaGdF₄:Nd@NaGdF₄）引入了惰性NaYF₄中间层以将能量锁定在发光核内。该系统阻止了从Gd³⁺激发态的能量泄漏，同时利用Yb³⁺能量转移网络实现了级联界面能量转移（IET），将808 nm近红外光转换为253 nm紫外光，从而将量子产率提高了50倍。

Yan等人强调了在核-壳-壳异质结构中的界面能量转移，通过在Er³⁺掺杂核和保护壳之间引入富Yb³⁺的中间层，实现了对发射过程的精确时空控制，使量子效率增强了24.5倍。Liu等人开发的X射线激活的镧系掺杂光致发光纳米颗粒（Ln-PLNPs）同样采用了多层核壳能量迁移优化，该纳米结构成功隔离了表面淬灭中心，在近红外二区（NIR-II）实现了超过72小时的长余辉发光，信噪比提高了3-4倍。

中间壳层的界面工程优化

通过精确调控界面应变和缺陷分布，研究人员显著提高了镧系掺杂纳米颗粒的近红外发光性能。Wang团队提出，在前驱体浓度梯度和Ca²⁺掺杂驱动下，核壳异质结构NaYF₄: Yb, Er@NaGdF₄中的各向异性应变工程可有效诱导晶格应变。该策略不仅能提高上转换发光（UCL）效率，还能显著提高发光的温度响应灵敏度。

在此基础上，该团队随后在NaYbF₄@NaGdF₄核壳异质结构中引入了Ca²⁺掺杂的过渡层，进一步缓解了界面晶格失配，实现了均匀的壳层生长。该设计不仅将磁共振成像（MRI）的T1弛豫率提高至1.21/mM·s，还通过Nd³⁺敏化的壳层在808 nm激发下实现了深紫外上转换发光。

Xiao等人创新性地利用了准零维离子晶体CsMnCl₃的固有晶格拉伸特性来主动优化界面结构，成功地在NaYF₄:Er³⁺, Yb³⁺核上外延生长了CsMnCl₃壳层，形成了明确的核壳异质结构。在此异质外延过程中，CsMnCl₃壳层的（104）面间距从0.37 nm拉伸至0.46 nm，使其与NaYF₄核的晶格失配从约29%急剧降低至约8%。这种主动的晶格拉伸性显著降低了界面应变，产生了独特且均匀的核壳异质结构。更重要的是，由此产生的清晰界面有效隔离了核与壳的发光中心并阻止了能量转移，使材料能够在980 nm和365 nm激发下分别产生纯净的上转换（绿色）和下转换（蓝色）发光。

由镧系掺杂核壳结构上转换纳米颗粒实现的成像应用

痕量物质检测

近红外激发的核壳结构UCNPs已成为高灵敏度检测痕量分析物的强大工具，特别是在环境和食品安全监测领域。Kong等人开发了一种基于上转换的水凝胶检测试剂盒，采用NaYbF₄@NaYF₄:Yb, Tm UCNPs与MnO₂纳米片耦合。通过设计富含敏化剂的核和表面覆盖激活剂的UCNPs，最大化能量收集并最小化能量迁移距离，从而提高了探针的灵敏度。

在痕量爆炸物和潜留残留物检测领域，Mei等人设计了一种哑铃形UCNP，其具有双壳层异质结构，可实现激发控制的双重发射切换。对于三硝基甲苯（TNT）检测，氨基功能化的UCNPs与TNT形成Meisenheimer复合物，选择性地在808 nm下淬灭绿色发射，同时在980 nm下保留红色发射，从而允许同时进行指纹可视化和爆炸物残留检测。

高安全性光学信息加密

核壳结构近红外激发镧系掺杂UCNPs因其独特的发光行为、高光稳定性和多通道激发灵活性，已成为动态防伪、大容量信息存储和安全加密等领域的有前途的候选材料。Chen等人提出了一种核@多壳层异质结构，在三模式激发（254/808/980 nm）下同时实现了Er³⁺、Tm³⁺、Eu³⁺和Tb³⁺离子的上转换和下转换发射。这种多波长、多色发光方法可发射正交视觉信号。

Zhou等人通过利用Yb³⁺亚晶格内的能量迁移实现了正交激发-发射。他们的系统支持蝴蝶图案加密，并采用1530 nm激发结合脉冲调制实现从红色到绿色的动态颜色切换。Lin等人开发了UCNPs@CsMnCl₃核壳复合材料，整合了NaYF₄:Er, Yb的上转换功能和CsMnCl₃的下转换特性，在紫外和近红外照射下表现出激发依赖性颜色变化，实现了动态防伪标签。

生物医学检测与成像引导治疗

生物分子检测

UCNPs可作为肿瘤微环境中低丰度生物分子高灵敏度和特异性检测的发光探针。Fang等人通过将癌细胞膜（CCm）表面包覆在Gd³⁺掺杂的核壳结构UCNPs上，开发了一种三模式纳米探针，可有效区分三阴性乳腺癌（TNBC）与其他乳腺癌亚型，并实现肿瘤细胞标志物的长期监测。Liu等人提出了一种基于反向微乳液约束外延引导表面印迹和包覆（ROSIC）的分子印迹策略，直接在UCNPs表面印迹特定蛋白表位，实现了TNBC的体内靶向成像。

细胞成像追踪

Zhang等人介绍了一种拓扑分离核壳UCNP系统中的创新性“由外向内”能量迁移设计。该设计将Er³⁺发射体限制在核内，而将Yb³⁺敏化剂限制在壳层内。与传统的“由内向外”设计相比，这种新设计最小化了反向能量迁移，促进了能量向发射中心的有效迁移，使发光亮度提高了六倍以上。这种增强的光学输出使得能够在单粒子水平上对免疫细胞进行长达10分钟以上的长期追踪。

Kim等人开发了一种多层UCNPs-共价有机框架（UCNPs-COF）核壳微型机器人。该微型机器人的多孔COF壳层作为淬灭剂，在808 nm激发下产生强光声信号。该微型机器人结合了磁导航、光声成像和COF诱导的声信号产生，实现了深层组织（如脑血管）的多光谱光声断层扫描（MSOT），并促进了粒子团簇轨迹的实时追踪。

集成诊疗平台

Cheng等人开发了一种脂质体功能化的双模式成像纳米探针，可在肝细胞癌模型中同时进行磁共振成像和近红外二区（NIR-II）荧光成像，用于精确的手术导航。Horak等人展示了一个基于核壳纳米结构的双功能平台，它不仅作为上转换发光和拉曼成像的对比剂，还作为光敏剂奎宁的载体，实现了酸触发药物释放用于靶向光动力治疗。Zhang等人通过将多层核壳结构与氢键有机框架（HOFs）集成，开发了一种分层纳米平台，实现了用于深层组织可视化的NIR-II荧光成像和通过发光共振能量转移（LRET）的可见光驱动光疗的双重功能。

Liu等人设计了一种集成了多通道发射和光热反馈功能的核-多壳纳米复合材料（NaLuF₄:Nd@NaLuF₄@mSiO₂），能够检测肿瘤组织内的谷胱甘肽（GSH）水平，同时支持体内多个肿瘤部位的实时个性化光热治疗。Li等人进一步推进了这些概念，设计了一种五层结构的UCNPs，能够正交激活适配体基DNA纳米器件和光敏剂。敏化剂和激活剂在各自壳层内空间分离，产生了近红外触发的绿色和紫外双发射，允许对肿瘤识别和光动力治疗进行精确的时空控制。

柔性可穿戴设备

研究人员已将近红外响应的核壳结构UCNPs纳入柔性可穿戴系统中，这些系统可以实时响应动态的生理变化。Hu等人开发了一种嵌入核壳结构UCNPs的水凝胶基可穿戴贴片。该贴片可在980 nm激发下激活双波段发射，实现汗液、泪液和尿液中尿素浓度的高保真检测。Ma等人引入了三色高保形上转换隐形眼镜（UCLs），可将多光谱近红外信号转换为可见光颜色，赋予人类时空和彩色的近红外视觉能力。

新兴成像技术

基于发光调控的全彩显示

从简单的二进制防伪码发展到视觉可感知的全彩信息显示，核壳结构UCNPs的应用范围已显著拓宽。Jang等人提出了能够分别在800/980/1532 nm独立多波长近红外激发下进行正交红、绿、蓝发射的核/六壳层（C/6S）UCNPs。该方法不仅消除了发射串扰，还将色域扩大至标准RGB（sRGB）的158%，实现了在透明聚二甲基硅氧烷（PDMS）复合材料中的鲜艳多色显示。

Huang等人减少了核壳层数，并将Tm³⁺和Ho³⁺激活剂空间隔离在不同的壳层中，仅使用808和980 nm双通道近红外激发即实现了正交三基色上转换发射。通过精确调控Ho³⁺的红绿强度比，系统产生了纯净的RGB发射，色域达到sRGB标准的120.5%。

基于发光调控的超分辨成像

非线性图像扫描显微镜（NL-ISM）和超线性图像扫描显微镜（SL-ISM）因其能够显著提高空间分辨率、信噪比和成像深度而受到广泛关注。这些技术利用核壳结构UCNPs的非线性激发动力学和功率依赖性发射特性来突破衍射极限，实现在低功率近红外激发下的高分辨率成像。Liu等人证明，设计核壳结构UCNPs可有效抑制反向能量迁移并减轻表面淬灭效应，从而发射高阶非线性上转换发光。该系统在连续波（CW）近红外激发下实现了超越衍射极限的分辨率。

SL-ISM强调在线性区域具有显著大的指数n，这导致信号更集中，从而实现比传统NL-SIM更高的空间分辨率。Piper等人使用了一种基于核壳结构UCNPs的超线性发射增强显微镜（uSEE）。通过NaYF₄惰性壳层设计和Yb³⁺/Tm³⁺浓度比的调控，该显微镜极大地改善了UCNPs的超线性发射行为。Wang等人开发了一种使用UCNPs的多光子SL-ISM系统。在980 nm连续波激发下，该系统实现的n值达到4.5，允许对分散的纳米粒子进行超分辨成像。

结论与展望

近红外激发的镧系掺杂核壳结构上转换纳米颗粒已成为成像应用领域的革命性材料。通过精心设计的纳米结构，这些纳米结构展现出优异的上转换发光性能，并在成像应用中具有巨大潜力。

然而，仍存在一些关键挑战需要解决。例如，合成具有精确掺杂剂分布、壳层厚度和界面缺陷控制的多层UCNPs仍然具有挑战性，这常常导致批次间发光特性的差异。在动态信息显示和存储等应用中，耐久性是另一个关键因素。在复杂的生物环境中，在低功率近红外激发下实现UCNPs的高发光效率仍然是一个主要挑战。对于未来的成功临床转化，复杂核壳UCNPs的长期存在性、生物相容性和生物可降解性是至关重要的关注点。

展望未来，通过闭环、人工智能（AI）驱动的实验平台可能解决核壳UCNPs合成中的可扩展性挑战。为了提高在动态应力下的耐久性，将核壳结构UCNPs嵌入到稳健的聚合物基质（如PDMS）中已被证明是有效的。改进近红外激发UCNPs在生物环境中的发光效率仍然是一个重大挑战，未来的研究可能集中在设计利用上转换固有光谱特性以避免组织吸收和散射窗口的先进上转换激发-发射系统上。在临床转化方面，系统地研究多层核壳纳米结构的体内行为，并建立预测模型以关联纳米粒子的物理化学性质与其生物学性能，将是未来的研究方向。

随着纳米技术、光电子学和生物医学的不断进步，近红外激发的镧系掺杂核壳结构上转换纳米颗粒在多功能成像中的应用有望向更智能化、精准化和高通量方向发展。这些创新不仅将增强光稳定性和实现更深的组织穿透，还将促进可编程智能成像系统和临床诊断技术的发展，并弥合安全、信息显示和生物成像应用之间的差距。