基于光物理学的上转换纳米系统在传感中的应用

《Accounts of Chemical Research》：Photophysics-Guided Upconversion Nanosystems for Sensing

光子上转换技术通过近红外光高效转化为高能发光，在生物传感、超分辨成像和光遗传学调控等领域展现独特优势。通过核壳结构设计提升量子产率，表面工程增强生物相容性，结合超表面光学场调控，已实现实时离子通道监测、无光纤神经调控和亚细胞级温度测量。未来需突破生物安全阈值、降低激发强度，并推动临床转化应用。

　　

概述

光子上转换技术能够将低能量的近红外光转换为高能量的辐射，已成为光物理学、材料科学和生物传感领域中的一项强大工具。这种技术具有非线性激发特性、较大的反斯托克斯位移、极低的背景自荧光、高光稳定性以及良好的组织穿透能力，因此在生理相关条件下探测生物系统时具有显著优势。

掺镧纳米粒子是上转换系统中的主要类型。将镧离子封装在晶体基质中可以保护其4f电子态免受外界干扰，从而实现光谱稳定和长时间持续的发光。然而，在生物安全范围内，它们的量子产率相对较低，这通常需要较高的激发功率密度，从而限制了其在体内的应用。为了解决这一问题，材料设计的进步（尤其是调控能量传输和抑制表面淬火的核壳结构）显著提高了上转换效率和光谱可调性。通过化学修饰对纳米粒子表面进行进一步工程化处理，增强了其胶体稳定性、生物相容性和靶向性。同时，包括超透镜效应和等离子体耦合在内的光学场工程策略拓展了上转换平台的功能范围，使其超越了传统发光方式。综上所述，这些发展使得上转换纳米粒子成为光学激发与生物响应之间的有效桥梁。

在本文中，我们重点介绍了将上转换纳米粒子与多种物理检测方法结合用于生物传感和生物接口的最新进展。首先概述了光子上转换的光物理原理，并总结了提高效率和信号保真度的关键策略。接着，我们探讨了基于上转换纳米粒子的平台，这些平台能够将光学辐射与电信号、机械信号和热信号相互转换。在光学显微镜中，上转换纳米粒子可实现神经元运输的长期单粒子追踪，并通过非线性发光过程和表面迁移耗竭实现超分辨率成像。当与电生理测量技术结合使用时，这些纳米粒子能够实时监测跨膜水分传输（包括通过离子通道的流动）。借助上转换技术，无需植入光纤即可实现非侵入性的神经调控。除了光学和电学应用外，上转换纳米粒子还被用于宽动态范围内的力传感以及高空间精度的亚细胞温度测量。将上转换纳米粒子集成到设备结构中，还拓展了其功能，包括随机光致发光编码、通过视网膜纳米天线实现红外视觉，以及用于近红外颜色感知的生物相容性隐形眼镜。

展望未来，主要挑战包括进一步提高生物可接受激发条件下的量子产率、在保持高亮度的同时降低激发功率需求、确保长期生物安全性，以及推动临床应用的发展。数据驱动的材料设计、人工智能辅助优化以及与再生医学和微机器人的结合等新兴方向有望帮助克服这些难题。通过将光物理控制技术与生物传感和驱动技术相结合，上转换纳米平台在成像、诊断和治疗干预方面具有巨大潜力。