综述：重新审视上转换纳米粒子在生物医学应用中的潜力：进展与新兴视角

《Materials Today Bio》：Revisiting the Potential of Upconversion Nanoparticles in Biomedical Applications: Advances and Emerging Perspectives

　　

上转换纳米粒子（UCNPs）已从狭义的发光物理系统发展为在生物医学领域具有日益重要性的多功能平台。它们将近红外（NIR）激发转换为更高能量的发射，从而能够以最低的背景干扰和高光稳定性实现深层组织探查，相比传统探针具有明显优势。本综述从设计导向的角度重新审视该领域，反映了近期在合成、光物理理解和纳米工程方面的进展如何重塑了UCNP结构与生物医学性能之间的关系。将性质与应用相结合，突出了对架构和界面的理性控制如何决定复杂生物环境中的功能性。这一演化框架在主要应用领域中被讨论，同时涵盖将UCNPs从被动成像扩展到主动和可编程系统的新兴方向。尽管取得了实质性进展，但在安全激发下实现高亮度、确保可预测的生物行为、实现安全的清除以及提高可重复性方面仍存在关键挑战。通过综合材料和系统级设计来解决这些局限，对于将UCNPs转化为可靠的生物医学技术至关重要。

**1. 引言**
上转换纳米粒子（UCNPs）是一类通过镧系离子掺杂的晶体宿主实现近红外（NIR）激发向可见或紫外（UV）发射转化的发光材料。其反斯托克斯（anti-Stokes）发射特性（低能量NIR光子激发，高能量光子发射）避免了自发荧光，并减少了光损伤。早期的上转换现象在体相镧系掺杂晶体中被发现，直到1990年代至2000年代初，纳米尺度胶体UCNPs（尤其是β-NaYF₄）的合成才推动了其在化学和生物学中的探索。UCNPs的NIR激发（通常808或980 nm）可实现深层组织穿透，且发光寿命长、发射峰窄，适合时间门控检测和多路复用。与其他NIR响应纳米材料（如NIR-II有机荧光团、聚集诱导发光发光体AIEgens、半导体量子点、碳基纳米材料）相比，UCNPs在低背景、长寿命发射和远程激活方面具有独特优势。自2000年代中期首次应用于生物医学，UCNPs已在深组织成像、侧流免疫分析、光动力疗法（PDT）中展示出价值。近年来，其应用扩展至超分辨成像、光遗传学（optogenetics）和纳米级测温。然而，UCNPs的临床转化仍受限于量子产率低、合成可重复性差、长期生物分布和毒性数据不完整等问题。本综述旨在通过将合成策略、上转换机制、物理化学与生物决定因素及表面工程方法与生物医学性能明确联系起来，提供结构化的前沿视角。

**2. 上转换纳米粒子的合成方法**
UCNPs的合成方法决定了其发光效率、尺寸、形貌和表面化学。主要策略包括：
**2.1. 高温固相反应**：在800-1100°C下将镧系氧化物与氟化物前驱体煅烧，获得体相粉体。该方法结晶度高但粒径大、分散性差，不适用于生物医学。
**2.2. 热分解法（Thermal Decomposition）**：在油酸（OA）、油胺（OM）和十八烯（ODE）等高温有机溶剂中加热镧系前驱体（如三氟乙酸盐）至280-320°C，生成单分散β-NaYF₄基UCNPs。该方法尺寸和形貌控制精确，但疏水配体需后续修饰才能水溶。
**2.3. 水热/溶剂热法**：在密封高压釜中于150-240°C反应，常使用螯合剂（如EDTA、柠檬酸）获得水分散性UCNPs。操作简单、可规模化，但常产生较低发光效率的立方α相。
**2.4. 共沉淀法**：在温和条件下将镧系盐与氟化物直接混合，成本低、易放大，但结晶度较差，需退火处理。
**2.5. 溶胶-凝胶法（Sol-Gel）**：适用于将UCNPs嵌入二氧化硅或氧化物基质中，形成复合薄膜或玻璃陶瓷，但高温煅烧易导致团聚。
**2.6. 微波辅助合成**：利用微波快速均匀加热，数分钟内完成反应，产物结晶度高、尺寸可控，且可引入亲水配体。
**2.7. 燃烧法和火焰喷雾热解法（Flame Spray Pyrolysis, FSP）**：高温气相法可大量生产，但粒径分布宽，需后处理。
**2.8. 绿色及仿生合成**：使用水相、离子液体或生物聚合物（如多糖）作为稳定剂，减少有机溶剂毒性，直接获得水分散性UCNPs，但发光效率通常低于热分解法。
**2.9. 合成策略比较**：热分解法在发光效率和尺寸控制上最优，但需疏水配体修饰；水热/共沉淀法更易与生物体系兼容；微波和绿色合成方法在效率和可持续性间取得平衡。未来需解决超小尺寸（<10 nm）UCNPs的合成及肾清除问题。

**3. 光子上转换的基本概念与机制**
光子上转换（photon upconversion）是一种非线性过程，通过依次吸收两个或多个低能光子，发射一个高能光子（反斯托克斯发射）。在UCNPs中，镧系离子（如Er³⁺、Yb³⁺、Tm³⁺）的f-f电子跃迁提供了阶梯状能级结构。常用宿主为低声子能氟化物（如β-NaYF₄），可抑制非辐射弛豫。
**3.1. 上转换机制**：包括激发态吸收（ESA）、能量转移上转换（ETU，最常用）、协同敏化上转换（CSU）和光子雪崩（PA），以及能量迁移介导上转换（EMU）。ETU中，敏化剂（Yb³⁺）吸收NIR光子后非辐射转移能量给激活剂（Er³⁺或Tm³⁺），实现高效发射。EMU通过空间分离激发和发射中心，减少交叉弛豫（CR）和表面猝灭。
**3.2. 影响上转换效率的因素**：掺杂剂浓度需优化以避免浓度猝灭；核壳工程（如惰性壳层）可减少表面猝灭。激发波长选择至关重要：980 nm（Yb³⁺激发）易导致水吸收加热，而808 nm（Nd³⁺敏化）可降低热效应。亮度增强策略包括核壳工程、染料敏化和等离子体耦合。

**4. 生物-纳米界面工程：从结构设计到生物性能**
**4.1. 胶体稳定性与聚合物/仿生涂层**：UCNPs需表面修饰（如PEG、PAA、PEI）以在水相和生理环境中稳定分散。聚合物涂层的性质决定了蛋白冠形成、巨噬细胞摄取和循环时间。PEG可延长循环，但可能阻碍靶细胞内化。仿生涂层（如红细胞膜）可延长半衰期。
**4.2. 光学设计、亮度与核壳/二氧化硅结构**：核壳结构通过惰性壳层隔离发射中心，使发光强度提升数倍。多壳层设计（如Nd³⁺掺杂壳层）将激发波长移至808 nm，减少光热损伤。二氧化硅和介孔二氧化硅壳层提供化学功能和药物装载能力，但可能引入猝灭（高能-OH振荡子）。
**4.3. 生物共轭与刺激响应界面**：通过配体交换或共价偶联（如点击化学）将抗体、核酸等生物分子连接到UCNP表面实现靶向。近期发展出NIR光激活的纳米交联剂（LINC），利用UCNP产生的UV发射触发共价键合。pH、温度或分析物响应的体系可实现按需释放。
**4.4. 多模态功能与混合集成**：通过Gd³⁺掺杂实现磁共振成像（MRI）对比，或与超顺磁氧化铁（SPIONs）、金纳米粒子等复合，实现光-磁-热多模式成像和治疗。但混合体系增加尺寸，影响生物分布。
**4.5. 生物命运、清除与毒性**：未修饰UCNPs可导致氧化应激；聚合物涂层可减轻毒性但无法完全避免蛋白冠形成。粒径决定清除途径：超小UCNPs（<10 nm）可肾清除，而高性能多壳层UCNPs（>30 nm）滞留在肝脾，引起长期积累顾虑。提出了“尺寸-清除悖论”：小尺寸利于清除但发光弱，大尺寸发光强但易被单核吞噬细胞系统（MPS）捕获。未来需开发可生物降解的UCNP架构。

**5. 上转换纳米粒子的生物医学应用**
**5.1. 传感与分析诊断**：分为本征光学传感（如压力和温度传感）和界面生物传感（如LRET、FRET、等离子体增强发光）。本征传感依赖晶格设计和能量转移路径；界面生物传感需精确控制供体-受体距离（如DNA引导的等离子体增强发光复合物PELC实现aM级检测）或集成CRISPR-Cas12a体系。挑战在于复杂架构的可重复性和在生物基质中的鲁棒性。
**5.2. 生物成像与图像引导分析**：常规成像依赖高亮度发射（如PEG化NaYF₄:Yb,Er体系）和核壳设计保护发光；多模态成像（UCL/CT/MRI）通过多壳层实现。超分辨成像利用UCNPs的非线性激发特性和长寿命发射（如STED和uSEE显微镜实现~57 nm分辨率，或时间分辨SIM实现寿命编码多路复用）。但超分辨成像光子预算低、采集时间长，限制了在活体中的应用。
**5.3. 治疗与诊疗一体化**：光疗法中，UCNPs将NIR转化为可见/UV激活光敏剂（PDT）或光热剂（PTT）。例如NaErF₄@NaYbF₄@NaYF₄在1550 nm激发下同时实现PDT和PTT。其他系统结合MnO₂缓解缺氧或集成optogenetics免疫激活。药物递送系统利用光化学切割或pH响应门控释放药物。然而，多组件系统的量子产率低，所需激光功率常超过人体最大允许暴露量（MPE），且大尺寸导致长期器官滞留。
**5.4. 远程生物控制与新兴智能系统**：UCNPs作为活性换能器实现远程调控。光遗传学中，UCNPs将NIR转化为可见光激活神经元或细菌行为。正交激发（980 nm/808 nm）可实现成像与药物释放的独立调控。逻辑门控系统（如AND逻辑）和机器学习辅助的信号解码（如深度学习和贝叶斯优化）用于提高特异性和设计效率。但蓝/UV发射在组织中衰减严重，且复杂多壳层结构引入界面缺陷降低量子产率。

**6. 挑战与未来方向**
主要挑战包括：（i）亮度和激发安全问题：低功率下量子产率不足，980 nm水吸收导致局部加热，808 nm敏化虽可行但效率降低；（ii）生物-纳米界面问题：蛋白冠形成、免疫识别导致的不可预测生物分布；（iii）能量效率与物理限制：多光子过程的低量子产率成为瓶颈；（iv）复杂性、可重复性和可规模化：多壳层和多掺杂体系合成变异大，缺乏标准化协议；（v）转化障碍：缺乏临床级硬件、监管路径不清（如FDA和EMA对无机发光纳米材料的审批框架不完善），以及尺寸-清除悖论导致的长期安全性数据不足。未来应转向应用驱动的简化设计，发展模块化和任务特异性平台，结合便携式激发源和机器学习优化，协调材料科学、表面工程、器件集成和标准化。

**7. 结论**
过去二十年间，UCNPs从基础光物理系统演变为生物医学中高度适应性平台。其NIR-to-visible/UV转换能力在深组织成像、低背景检测和多路复用分析中提供独特优势。UCNP性能由光物理机制、材料架构、界面化学和生物环境之间的相互作用共同决定。最有效的设计需采用协调方法，而非孤立优化各参数。UCNPs在明确优于传统探针的应用场景中最具影响力。持续进步需要维持综合设计视角，使材料开发、功能性能和应用需求同步考虑。