稀土上轉換納米材料論文范文

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1生物檢測領域內的應用

1．1基于稀土上轉換納米材料的檢測稀土上轉換納米材料被近紅外光（980nm）激發發射出可見光，可以消除活體內檢測時細胞和組織中自發熒光的干擾［25，36］．Zijlmans等人在1999年首次利用上轉換熒光材料實現了人類前列腺組織中特異性抗原的檢測［20］．隨后，基于上轉換納米材料的熒光生物探針被用于各種分析物的生物檢測．例如，Tanke課題組［21］使用上轉換熒光材料來進行生物檢測，將400nmY2O2S：Yb／Er上轉換納米顆粒與DNA偶聯制備出DNA探針，檢出限為1ng／L，比傳統的花青染料探針靈敏度提高了4倍．Nied－bala等人［37］利用側向免疫層析檢測法，同時檢測出唾液中安非他明、脫氧麻黃堿、苯環己哌啶和麻醉劑等物質．之后，Wang等人提出一種基于上轉換納米材料的夾心雜交檢測方法并實現了對DNA的超靈敏檢測［38］．2013年，陳學元課題組［39］報道了一種新穎的上轉換生物檢測方法，用Yb3＋，Er3＋共同摻雜到上轉換納米顆粒作為生物探針進行溶液中痕量分析物（如抗生物素蛋白和腫瘤標記物等）的檢測．多功能酶標儀可以收集上轉換納米顆粒近紅外光激發發射出的可見光信號，量化分析物中的生物分子濃度．例如，利用Ln3＋摻雜的上轉換納米顆粒的發光強度和抗生物素蛋白濃度成正比例關系檢測抗生物素蛋白，檢出限為90pmol•L－1．相同的結果也從尿激酶纖維蛋白溶酶原激活劑受體、癌胚抗原和α－胎蛋白中獲得，其檢出限范圍為40～100pmol•L－1．本課題組［40］將核酸適配體與上轉換納米材料相結合，利用分子識別引入了一種檢測潛指紋的新方法，如圖1所示．通過水熱法合成的上轉換納米顆粒表面包裹著一層油酸，油酸不僅起到表面活性劑的作用，還能夠通過配體交換將聚丙烯酸連接到上轉換納米顆粒上，得到的上轉換納米顆粒既可溶于水又能夠通過羧基將生物活性分子修飾到顆粒表面．將經氨基修飾的溶菌酶核酸適配體（lysozyme－bindingaptamer，LBA）連接到修飾了羧基的上轉換顆粒（upconversionnanoparticles，UCNPs）的表面，形成核酸適配體功能化的稀土上轉換納米顆粒（簡稱UCNPs－LBA）．UCNPs－LBA通過核酸適配體高效地與指紋中溶菌酶特異性結合并在近紅外光的激發下發出可見光，指紋圖像清晰呈現并被配有微焦鏡頭的單反相機記錄．這種通過分子識別的潛指紋檢測方法可以實現不同表面和不同人的潛指紋檢測．潛指紋中除了包含有本身的分泌物外，還包含一些外源化學物質，如可卡因．將核酸適配體換成可卡因的適配體同樣可以實現潛指紋的檢測，該方法對可卡因的檢出限可達0．5μg．該檢測方法有望為刑事偵查提供有力的信息。

1．2基于熒光共振能量轉移的檢測Kuningas等人［23］首次提出了基于上轉換納米材料的熒光共振能量轉移分析技術（upconversionFRETAssay，UC－FRET或UC－LRET），并通過使用抗生蛋白鏈菌素修飾的上轉換納米材料作為能量供體，生物素化的藻膽蛋白作為能量受體實現了生物素的高靈敏檢測．此后，基于UC－FRET的分析方法得到了快速發展，例如：李富友課題組［41］構建了一種高靈敏度的DNA納米傳感器：用表面修飾有DNA捕獲探針的NaYF4：Yb／Er上轉換納米顆粒作為能量供體，用標記有羅丹明的短鏈互補DNA序列作為能量受體構建UC－FRET結構，目標DNA通過鏈置換反應與DNA捕獲探針進行互補配對從而破壞UC－FRET結構實現對目標DNA的檢測，目標DNA的濃度與發射光的強度比存在線性關系，測量的目標DNA濃度極低，檢測范圍為10～60nmol•L－1．同樣，Zhang等人［42］也報道了基于寡核苷酸修飾上轉換納米顆粒的生物傳感器用來檢測DNA，檢出限低至到1．3nmol•L－1．貴金屬納米顆粒如納米金等具有表面等離子體共振性質和較大的消光系數，將這些材料與上轉換納米材料相結合可以降低檢測時的背景熒光干擾并提高檢測靈敏度，因此貴金屬納米顆粒也常常被作為能量受體用于UC－FRET生物檢測中［43］．例如，Wang等人［44］報道了基于NaYF4：Yb／Er和金納米顆粒的UC－FRET生物傳感器用來檢測抗生物素蛋白，檢出限低至0．5nmol•L－1．最近，Deng等人［45］提出一種在溶液和活細胞中快速檢測谷胱甘肽的新方法，該方法的基本原理是，谷胱甘肽能抑制上轉換納米顆粒表面的二氧化錳納米片對上轉換發光的猝滅作用．根據材料本身獨特的電學和熱學性能，石墨烯、氧化石墨烯和碳納米顆粒也在基于UC－FRET的生物檢測中被廣泛用作能量猝滅劑。

2生物成像領域內的應用

2．1體內深層組織的熒光成像稀土上轉換納米材料所用到的激發光源（980nm）在生物組織中有很強的穿透能力、不會引起生物體自發熒光干擾而且對生物組織幾乎無損傷，所以稀土上轉換納米材料是各種生物組織或生物體成像分析的理想熒光標記材料．Zhang課題組［49］使用PEI包裹的NaYF4：Yb／Er納米顆粒首次實現了動物體成像，證明了稀土上轉換納米材料相比于量子點在體內深層組織成像中的優勢．為了進一步增加稀土上轉換發射光的組織穿透深度從而提高成像靈敏度，需要調節上轉換發射光譜到紅光區（600～700nm）．這一波長范圍內生物組織對發射光的散射和吸收均較小，且自發熒光干擾也很小，對深層組織成像至關重要．趙宇亮課題組［22］報道了Mn摻雜的發單色紅光的NaYF4：Yb／Er上轉換納米材料用于活體成像，成像深度可延伸至15mm．Prasad課題組［50］也報道了一種新的體內成像方法，該方法利用NaYF4：Yb／Tm上轉換納米材料發出的近紅外光（800nm）作為檢測信號，在小鼠體內成像實驗中獲得了高對比度的熒光圖像．在隨后用Yb／Tm共摻雜的上轉換顆粒進行小鼠全身熒光成像的實驗中，實現了20mm的光穿透深度［51，52］．此外，聚丙烯酸修飾的上轉換納米顆粒（PAA－NaLuF4：Yb／Tm）也被報道作為光學生物學探針用于正常黑鼠的體內熒光成像，而且該探針在兔子體內成像實驗中也能獲得很高的信噪比［53］．多路復用成像是識別不同生物體最有效的方法之一，隨著稀土上轉換納米材料合成方法的不斷發展，可以通過調節摻雜元素的種類和含量在紫外到近紅外光譜區內對稀土上轉換納米顆粒的發射光譜進行精確調節，并可以使其呈現多個發射峰．Yu等人［54］首次使用NaYF4：Yb／Er／La納米棒實現了活體內多色成像．Cheng等人［55］將具有不同發射光譜的3種上轉換納米顆粒經皮下注射進入到小鼠體內，通過區分光譜反褶積實現小鼠的多色成像．熒光共振能量轉移是另一種調節上轉換納米顆粒發射多色光的方法，基于該方法的基本成像原理是，利用近紅外光激發上轉換納米顆粒并利用其發射光來激發顆粒表面的有機染料或量子點，使其發射出不同波長的熒光從而實現生物成像．劉莊課題組［56］利用有機染料和聚乙二醇（PEG）包覆的上轉換納米顆粒之間的疏水作用力將染料吸附在顆粒表面來調節復合材料在可見光區的發射光譜，并將該復合材料用于生物體多色成像體系中．

2．2多模態成像單模態成像技術通常只能反映生物體內單一的信息，因此，為了獲得更多的生物體內相關信息，多模態成像技術應運而生．近年來，以稀土上轉換納米材料為基礎的多模態成像技術得到了快速發展，例如，上轉換熒光成像（upconversionimaging，UCL）與磁共振成像（magneticresonanceimaging，MRI）、電子計算機X射線斷層掃描（computedtomography，CT）、正電子發射斷層成像（positronemissioncomputedtomography，PET）和單光子發射計算機斷層成像（single－photonemissioncompu－tedtomography，SPECT）等其他模態成像技術相結合的多模態成像技術已經取得了長足發展并在生物成像中發揮著越來越重要的作用［57，58］．

2．2．1雙模態成像當前的研究熱點之一是將上轉換熒光成像與MRI相結合構建雙模態成像探針并探究其在生物醫學領域內的應用．眾所周知，熒光成像為生物體內成像提供了高的靈敏度，但它的激發光對生物組織的穿透深度較淺．相比于熒光成像，MRI為體內成像提供了良好的空間分辨率．但由于其靈敏度有限，所以通過結合上轉換熒光成像和磁共振成像的優勢，可以獲得同時具備高靈敏度、高空間分辨率和較強激發光組織穿透深度的雙模態成像探針．近年來，一些基于稀土上轉換納米材料的雙模態成像探針制備方法已有報道．第一種制備方法是分子的功能化，即將Gd配合物等磁共振成像造影劑修飾在上轉換納米顆粒表面來構建UCL／MRI雙模態成像復合探針．例如，Li等人［57］報報道了一種核殼結構的UCL／MRI納米顆粒探針，該探針以上轉換納米顆粒為核并將Gd配合物擔載在二氧化硅殼層中．第二種制備方法是通過連續生長或者包覆的方法實現其他磁性材料與上轉換納米材料的復合．超順磁性氧化鐵納米粒子（SPIONS）由于其良好的磁性和生物相容性獲美國FDA批準為商用磁共振成像造影劑；目前，SPIONS包覆的上轉換納米顆粒作為雙模態成像探針的雛形技術已有報道．Xia等人［58］制備了NaYF4：Yb／Tm＠FexOy納米核殼結構的復合材料，并將其用于生物體T2加權MRI和UCL雙模態淋巴管成像的造影劑．然而，上轉換納米顆粒的發光強度在這個核殼結構中將會逐漸減小，這是因為Fe3O4殼層既吸收發射光也吸收近紅外激發光．為解決這一問題需要進一步制備反相的核殼納米結構，所以Zhu等人又合成Fe3O4納米顆粒為核而上轉換納米顆粒為殼層的納米結構來避免Fe3O4對發射光和激發光的吸收［59］．劉莊課題組［60，61］用層層自組裝的方法制備了UCNPs－SIONPs納米復合材料成像探針．該探針以上轉換納米顆粒為核，顆粒外包覆一層超薄氧化鐵納米顆粒，然后在最外層包裹一層金顆粒．該納米復合材料可用于UCL／MRI雙模態生物成像并在體內和體外進行定向的癌癥光熱治療，還可用于干細胞的示蹤和操控．這些結果表明UCNPs－SIONPs作為新型的多功能成像探針有潛力應用于體內轉移性細胞的示蹤和操控［62］．然而，實現稀土上轉換納米材料與其他磁性材料結構和功能的復合非常困難并且會導致一些副作用（例如Fe3O4可能會猝滅稀土上轉換材料的發射光）．就這一點而言，含有Gd的材料（Gd2O3，GdPO4，GdF3，NaGdF4等）與稀土上轉換材料有良好的相容性．將含有Gd的納米殼層包裹在稀土上轉換納米顆粒表面來制備的復合納米材料同時具有光學和磁學兩種性質，可以用于多功能生物體系中［27～35］．例如，趙宇亮課題組［32］成功合成了形貌可調的Ln摻雜的Gd2O3納米顆粒，該顆粒具有多種顏色的上轉換熒光成像和磁共振成像能力．Zhou等人［63］報道了基于Yb／Er（Tm）共摻雜NaGdF4納米顆粒的小動物UCL／MRI雙模態成像體系．第三種制備方法是將有磁性的離子摻雜到稀土上轉換納米顆粒中．例如，趙宇亮課題組［22］報道了NaYF4：Yb／Er納米晶體摻雜Mn離子后表現出上轉換熒光發射和磁性雙重性質．Zeng等人［64］報道了NaLuF4納米晶體摻雜Gd／Yb／Er三種元素離子的體系，該納米晶體不僅具有近紅外發射的性質還在室溫下具有順磁性，經生物分子功能化的NaLuF4上轉換納米顆粒有望應用于體內和體外的雙模成像中（UCL／MRI）．將UCL和SPECT相結合也是一種備受關注的雙模態成像技術，SPECT成像在臨床診斷中常用18F作為放射性同位素標記物，由于常用的上轉換納米顆粒的組成元素中含有氟，所以可以在合成上轉換納米顆粒時將F元素換成其帶有放射性的同位素18F來獲得UCL／SPECT雙模成像性質．最近，Sun等人［65］報道了用含有18F的NaYF4：Yb／Tm納米顆粒進行小動物全身UCL／SPECT雙模成像，該納米顆粒不僅可以在老鼠體內獲得高靈敏度的圖像，而且在大型動物體內也可以獲得．然而，18F較短的半衰期（1．829h）限制了其在生物體內長時間成像中的應用，所以研究者們又進一步合成了長半衰期153Sm（46．3h）摻雜的NaLuF4：Yb／Tm納米顆粒并將其用于生物體長周期UCL／SPECT雙模成像［66］；而且由于153Sm發射出中等能量的β射線，對生物體損傷較小，因此該成像探針更加適合用于長時間的生物成像．

2．2．2多模態成像最近，PET／MRI／UCL或著CT／MRI／UCL三模態成像受到人們越來越多的關注，將3種成像技術結合不僅可以提高成像的清晰度還可以提高診斷效率．例如，CT是根據人體不同組織對X射線的吸收和透過率不同而獲得被檢查部位的3D高分辨圖像的非侵入性分子成像技術；然而，由于CT和MRI成像不僅平面分辨率有限而且不適用于細胞水平的成像，而UCL成像卻具有極高的靈敏度和空間分辨率可以廣泛地應用于生物醫學研究領域的細胞和組織成像．因此，通過結合UCL，CT和MRI三種成像模式可以實現從細胞到活體超靈敏、多層面的分子成像．Liu等人［67］報道Gd2O3：Yb／Er的多功能探針可以在小動物體內進行UCL，MRI和CT多模態成像來提供診斷，治療以及疾病的相關信息．Xia等人［68］制備了Gd配合物摻雜的NaLuF4上轉換納米顆粒可以在小動物體內進行UCL，MRI和CT多模態成像．比如Fe3O4＠NaLuF4：Yb／Er（Tm）和NaYF4：Yb／Er／Tm＠NaGdF4＠TaOx納米核殼結構也同樣可以作為MRI，CT，UCL三模態成像的生物探針．李富友課題組制備了18F標記的NaYF4：Gd／Yb／Er納米顆粒［69］，該顆粒具有放射性，磁性和熒光性可以作為多功能的納米探針進行體外熒光成像和MRI／PET活體成像．而Os（II）復合體包裹的NaYF4：Yb／Tm納米復合物也已證明可以進行三模態成像［70］．

3疾病治療領域內的應用

稀土上轉換納米顆粒也可以應用到疾病治療領域中，比如可以作為載體來運輸小分子抗癌藥物和治療性多肽等物質，也可以根據其成像性質來實時、簡單、有效地追蹤藥物輸送路徑并了解藥物釋放的效率．下文主要介紹稀土上轉換納米顆粒在作為藥物和基因載體方面的發展現狀并總結稀土上轉換納米顆粒在光動力學治療和光熱治療的應用．3．1藥物和基因輸送近年來，由于中空和介孔結構有巨大的孔容量所以常用作理想的藥物載體．例如，趙宇亮課題小組［33］將布洛芬（IBU）包載到帶有介孔殼的Gd2O3：Yb／Er中空納米顆粒中．另外，Yb（OH）CO3＠Yb－PO4：Er和NaREF4：Yb／Er（RE＝Yb，Lu，Y）納米顆粒也可以通過包載藥物進行藥物釋放誘導癌細胞死亡［71，72］．核殼結構Fe3O4＠nSiO2＠mSiO2＠NaYF4：Yb／Er（Tm）［73］（mSiO2＝介孔硅），NaYF4：Yb／Er＠硅纖維［74］，NaYF4：Yb／Er＠nSiO2＠mSiO2［75］和Gd2O3：Er＠nSiO2＠mSiO2［76］等納米復合物也已證實可以作為藥物載體并且可控制藥物的釋放．但是，由于介孔硅層的厚度很難控制到10nm以內，所以介孔二氧化硅包裹的上轉換納米顆粒由于介孔硅的包裹使得納米顆粒的尺寸增加．除了硅封裝，還可以利用藥物分子與上轉換納米顆粒表面功能分子的相互作用來實現藥物運輸，該方法可以避免增加納米顆粒的尺寸．Wang等人［77］合成了多色光譜的上轉換納米顆粒，并通過靜電吸附作用利用PEG化的上轉換納米顆粒實現抗癌藥物阿霉素（DOX）的包載與釋放的行為研究．首先將PEG與葉酸（FA）共價交聯形成新的化合物，然后表面修飾到油酸包裹的上轉換顆粒表面，這種顆粒能夠對葉酸受體有靶向效果，并進行了KB細胞與HeLa細胞對比，研究發現FA－PEG－UCNPs能夠很快進入KB細胞而不能在相同的時間內進入HeLa細胞．值得注意的是，DOX在低的pH值條件下，具有更好水溶性，低pH值條件加速了DOX中－NH2基團的質子化，從而導致釋放出更多的DOX分子．根據pH值進行藥物釋放的納米復合顆粒對臨床癌癥治療是具有實際意義的，因為腫瘤的細胞外組織、細胞內的溶酶體和核內體的微環境均是酸性的．通過利用稀土上轉換納米顆粒近紅外激發紫外光發射的性質來控制包裹藥物的籠狀化合物進行藥物釋放和基因表達，避免了直接使用紫外光照射的組織穿透能力低和光毒性的缺點．目前，這種近紅外激發紫外光發射的上轉換納米顆粒在智能藥物領域的研究得到發展．Zhang課題組［78］通過包裹可光解的質粒DNA／siRNA分子到介孔氧化硅包覆的NaYF4：Yb／Tm上轉換納米顆粒的多孔硅中，該方法不僅提高了生物相容性且增加了載藥能力．在近紅外光激發下，上轉換納米顆粒發射紫外光刺激質粒DNA或者siRNA進行基因表達調控或者基因下調．Yang等人［79］首次證明通過共價鍵將陽離子可光解連接器與硅包覆的上轉換納米顆粒連接起來，在980nm激光輻射下，上轉換的紫外光可以使光敏連接器分開，因此可以有效地釋放siRNA并控制其在活體細胞中靶基因的表達．同時，這一方法可以應用于其他的籠狀化合物比如說NO［80］，羧酸［81］，二硝基苯［33］和熒光素［82］．另外可光解藥物釋放系統也可以應用于基于上轉換納米顆粒的其他光響應系統，例如，Yan等人［83］通過使用光敏水凝膠包裹的上轉換納米顆粒在近紅外光激發發射紫外光的情況下可以引發溶膠－凝膠轉變并且可以釋放大的、無活性的生物大分子（比如說蛋白質）到溶液系統中．Liu等人［84］報道了基于偶氮苯基團（azo）修飾介孔氧化硅包裹的NaYF4：Yb／Tm＠NaYF4上轉換納米顆粒在近紅外光激發下，發射的紫外光可以引發偶氮分子從反式異構體轉換到順時異構體，以一種可控的反式異構體來引發藥物釋放．3．2光動力治療光動力治療（photodynamictherapy，PDT）采用光激活化學物質（光敏劑），從而產生單線態氧（1O2），最終導致癌細胞死亡．用于激活光敏劑的激發光通常在可見－近紅外波段，由于其穿透能力有限，所以將光敏劑包裹到上轉換納米顆粒上來提高其組織穿透能力．當納米微粒被980nm的近紅外光激發時發出可見光然后可見光激發光敏劑釋放1O2最后殺死癌細胞．Chen等人將光敏劑亞甲基藍（MB）附著到表面包裹有二氧化硅的NaYF4：Er／Yb／Gd上轉換納米顆粒上，發現了顯著的紅光猝滅現象［85］．Zhang課題組將光敏劑酞菁鋅（ZnPc）包裹到NaYF4：Yb／Er－PEI上轉換納米顆粒或者NaYF4：Yb／Er＠mSiO2上轉換納米顆粒［17，86，87］，由于ZnPc的吸收峰（～670nm）與NaYF4：Yb／Er納米顆粒的紅色發射峰相重疊，所以在近紅外光的照射下ZnPc產生了大量的1O2殺死癌細胞，增加了癌癥的治療效果．之后，Idris等人制備了與兩種不同光敏劑即ZnPc和MC540（部花青540）吸收波長相匹配的上轉換納米材料，從而實現利用單一波長光源同時激發兩種光敏劑的治療方法［34］，與單一負載的光敏劑相比，UCNs－ZnPc－MC540產生了大量的單線態氧并且減慢了荷瘤小鼠的腫瘤生長速率．另外，為了提高藥物的靶向能力，將具有靶向作用的葉酸和抗體連接到上轉換納米顆粒上，使其既可以進行靶向光動力學治療又擁有了更多的抗腫瘤效應［17，37，86］．劉莊課題組報道了通過非共價鍵修飾的方式將Ce6光敏劑裝載到NaYF4：Yb／Er＠PEG上轉換納米顆粒上［77，88］，構建了治療和成像雙功能的上轉換納米材料，通過構建4T1乳腺腫瘤Balb／c鼠動物模型，以瘤內注射的方式將UCNP－Ce6給藥到瘤內，再經過980nm的激光照射，首次實現了利用基于上轉換納米粒子的光動力治療在生物體應用，形成的光動力學治療納米復合物顯示了更深的組織穿透深度并且提高了體內腫瘤的抑制效果．其他的光敏劑分子，包括MC540［37］，四苯基卟啉（TPP）［89］和（4－羧基苯基）卟吩（TCPP）［77］也可以包裹到NaYF4：Yb／Er用做光動力學治療藥物．另外，將NaYF4：Yb／Er＠NaGdF4或者NaYF4：Yb／Er／Gd應用于能量轉換材料，可以實現MRI／UCL成像和光動力學療法相結合［85，90］．3．3光熱治療光熱療法（photothermaltherapy，PTT）是通過激光照射（近紅外光）改變癌細胞所處的環境，將光能轉換為熱能，達到一定溫度，可以誘發細胞內蛋白質的變性，破壞細胞膜，導致癌細胞的熱消融．與化學療法和外科手術相比較，PTT具有更少的侵入性，因此在癌癥治療中吸引了人們更多的關注．劉莊課題組制備了NaYF4：Yb／Er＠Fe3O4＠Au－PEG多功能納米顆粒不僅可以用于MRI／UCL來進行成像還可以進行具有磁性的靶向光熱癌癥治［61］．在動物實驗中，通過靜脈注射NaYF4：Yb／Er＠Fe3O4＠Au－PEG納米顆粒到荷瘤小鼠體內，不僅腫瘤成像信號加強而且當使用808nm近紅外光照射腫瘤時可以使腫瘤細胞熱消融．另外，Dong等人將合成的NaYF4：Yb／Er＠Ag納米顆粒與HepG2細胞一起培養［91］，在980nm近紅外光下照射8～20min中，HepG2細胞的存活率從65．05％下降至4．62％，顯示出光熱治療方法的療效．

4結論與展望

本論文總結了目前稀土上轉換納米材料在生物醫學領域即生物檢測，生物成像和疾病治療的應用．稀土上轉換納米材料因其可以避免生物體自體熒光的干擾，從而大大提高生物檢測的靈敏度；將不同的成像方式所需要的探針集合在一種上轉換發光納米顆粒上，實現靈敏度更高和準確度更高的多模態成像；將上轉換納米顆粒表面功能化之后，將其作為靶向藥物來進行癌癥治療和基因輸送．多功能的稀土上轉換納米顆粒在生物檢測，多模態成像和以最小的副作用進行藥物輸送和治療的領域得到廣泛的發展，但目前該技術仍然面對諸多挑戰．第一，稀土上轉換納米材料在生物醫學領域應用中的安全性問題，通常細胞毒性實驗或急性毒性研究結果表明稀土上轉換納米顆粒具有較低的生物毒性．但這些數據并沒有表明稀土上轉換納米顆粒的慢性毒性，因此缺乏對稀土上轉換納米顆粒毒性全面系統的研究，阻礙了其在生物醫學領域中的應用．第二，鑭系元素摻雜的上轉換納米顆粒有潛力應用到新型醫學科學領域，比如治療診斷學，個性化的治療，多模態醫學等，但還需要做很多研究工作．第三，稀土上轉換作為智能藥物輸送系統的發展只在初級階段，建立一個有效的、可靠的、光激活的、以上轉換納米顆粒為基礎的藥物輸送系統還存在很多挑戰，比如：載藥能力的問題、在沒有到達靶細胞前藥物的零釋放等問題．第四，大多數上轉換納米顆粒是用980nm激光照射，然而水在980nm激光下有強烈的吸收，這將導致組織發熱，所以需要制備一種既可以被小于980nm的近紅外光激發又不影響其組織穿透能力的上轉換納米顆粒．制備可以實現多模態成像的功能性上轉換熒光納米材料是目前熒光探針材料的一種發展趨勢；開發可以準確控制藥物釋放的上轉換熒光納米探針來達到活體準確的藥物傳輸，并且可以實現光動力學和光熱力學的治療；制備多功能的上轉換熒光探針，使其在細胞水平實現對活體進行整體分析、檢測以及治療等均是未來重要的發展方向．隨著這些問題的解決，稀土上轉換納米材料在生物醫學領域將會發揮更重要的作用。

作者：葛雪瑩袁荃單位：武漢大學化學與分子科學學院教育部生物醫學分析化學重點實驗室