引言

典型的熒光體是吸收短波長的激發光后，釋放低能量的長波長的光，即下轉換熒（downconversion，DC）。與此相反的，上轉換（Upconversion，UC）熒光體則具備吸收長波長激發光并釋放高能量的短波長光的特性。即常規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典型的上轉換材料是包含吸收能量離子（例如Yb、Er 或 Sm）和發射能量離子（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點：①化學穩定性良好，發光過程幾乎不受溫度、濕度、pH等的影響；②光化學穩定性好，長時間在強光或激發光照射下仍具有很高的光學穩定性，且不易被光解；③上轉換發光材料激發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，降低了檢測背景，使得靈敏度獲得很大的提高；④上轉換發光材料的近紅外或紅外激發光波長長，能量低，所以可以很好的穿透一些生物組織而不會對其產生傷害；⑤上轉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用于不同領域，如在化學研究方面，可應用于照明、太陽能電池、光學記錄裝置、發光二極管等領域，在生物化學研究方面，可應用于生物標志物、藥物載體的研究領域。另外，在醫學領域，可應用于利用激光治療癌癥的激光療法。

圖 1. 上轉換原理

本應用針對由稀土類納米粒子構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光強度較高，廣泛應用于生物產業。現有醫療診斷中使用的熒光物質，需要用X線或紫外線長期照射人體，容引起DNA損傷、誘發細胞壞死等問題，相反上轉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，由于上轉換熒光體吸收IR，釋放紫外、可見光，呈現較大的反斯托克斯位移（anti-stokes shift）(~500 nm)，使得激發、發射光譜分離較為容易。在本應用中將介紹利用圖 2 所示的 Lumina 紅外激光池附件檢測上轉換樣品的熒光性質。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.日光石上轉換納米晶體 UCP 545(Sigma Aldrich)

3.日光石上轉換納米晶體 UCP 804(Sigma Aldrich)

4.熒光比色皿

5.Lumina紅外激光池附件

實驗步驟

1.將日光石上轉換納米晶體UCP545分散在3次蒸餾水內，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制備日光石上轉換納米晶體UCP803。

4.將待檢樣品注入比色皿內，再將比色皿插入紅外激光池支架上。

5.按圖 3 所示設定檢測條件后檢測熒光

結果

樣品的熒光檢測結果如下：兩個樣品均吸收紅外激光光源發出的波長975mm（±10nm）的紅外光，并在可見光波長范圍內發生上轉換現象（圖4）。日光石UCP545的特點是吸收波長為976nm的紅外光，發射為545nm和658nm可見光。經檢測確認波長為545nm 和 658nm 時出現發射光峰值。

日光石UCP803的特點是吸收波長為976nm的紅外光，發射波長為500nm和803nm。特別是波長為803nm時出現發射光峰值。經實驗檢測確認波長為500nm和803nm時出現發射光峰值，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射峰，發射峰窄并尖銳。這是由于被激發的電子跌回基態時的能量各自不同導致。

結論

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換（Upconversion）材料的熒光性能進行了研究。分析結果與上轉換（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釋放熒光。