文章插图
含义、过程 。
1、含义，上转换发光本质上是一种反Stockes效应，即发射的能量大于吸收的能量 。下转换发光是指遵循斯托克斯定律的光致发光现象，即发射的光子能量低于吸收的光子能量 。
2、过程，上转换又称反斯托克斯发光，是指将多个低能光子叠加转换为一个高能光子，下转换则是指将高能光子转换为低能光子，根据生成的低能光子的数目进行划分 。
其原理有激发态吸收（ESA）、能量传递上转换（ETU）和光子雪崩（PA）三种 。能量传递是指通过非辐射过程将两个能量相近的激发态离子藕合，其中一个把能量转移给另一个回到低能态，另一个离子接受能量而跃迁到更高的能态 。能量传递上转换可以发生在同种离子之间，也可以发生在不同的离子之间 。因此，能量传递上转换可以分为两类：
（a） 连续能量传递
如图2-2所示，为连续能量传递上转换示意图 。处于激发态的施主离子通过无辐射跃迁返回基态，将能量传递给受主离子，从而使其跃迁至激发态，处于激发态的受主离子还可以通过此能量传递跃迁至更高能级，从而跃迁至基态时发射出更高能量的光子 。图2-2 连续能量传递过程 上转换纳米颗粒通常由无机基质及镶嵌在其中的稀土掺杂离子组成 。尽管理论上大多数稀土离子都可以上转换发光，而事实上低泵浦功率（10W/cm2）激发下，只有，和作为激活离子时才有可见光被观察到，原因是这些离子具有较均匀分立的能级可以促进光子吸收和能量转移等上转换所涉及的过程 。为了增强上转换效率，通常作为敏化剂与激活剂一同掺杂，因其近红外光谱显示其有较宽的吸收域 。作为一条经验法则，为了尽量避免激发能量因交叉弛豫而造成的损失，在敏化剂-激活剂体系中，激活剂的掺杂浓度应不超过2% 。
上转换过程的发生主要依赖于掺杂的稀土离子的阶梯状能级 。然而基质的晶体结构和光学性质在提高上转换效率方面也起到重要作用，因而基质的选择至关重要 。用以激发激活离子的能量可能会被基质振动吸收 。基质晶体结构的不同也会导致激活离子周围的晶体场的变化，从而引起纳米颗粒光学性质的变化 。优质的基质应具备以下几种性质：在于特定波长范围内有较好的透光性，有较低的声子能和较高的光致损伤阈值 。此外，为实现高浓度掺杂基质与掺杂离子应有较好的晶格匹配性 。综上考虑，稀土金属、碱土金属和部分过渡金属离子（如 ,和）的无机化合物可以作为较理想的稀土离子掺杂基质 。表1列出了常用于生物学研究的上转换材料基质 。
【上转换与下转换发光的区别】尽管目前UC颗粒已有许多合成方法，为了得到高效的UC发光产品，许多研究仍致力于探寻合成高晶化度的UC颗粒 。具有较好晶体结构的纳米颗粒，其掺杂离子周围有较强的晶体场，且因晶体缺陷而导致的能量损失较少 。考虑到生物领域的应用，为与生物（大）分子结合，纳米颗粒应同时具备小尺寸和良好分散性的特点 。传统的合成上转换纳米颗粒的方法中，为了得到高晶化度、高分散度、特定的晶相和尺寸的产物，总体上对反应条件有较高的要求，如高温和长反应时间，而这可能导致颗粒的聚集或颗粒尺寸变大 。对此，我们最近研究找到了较温和的反应条件，在此条件下合成的纳米颗粒有小尺寸和较好的光学性质 。严格控制掺杂浓度，还可以得到不同晶相和尺寸的纳米颗粒，这一事实在最近Yu的文献中得到了证实 。稀土离子的吸收和发射光谱主要来自内层4f电子的跃迁 。在外围5s和5p的电子的屏蔽下，其4f电子几乎不与基质发生相互作用，因此掺杂的稀土离子的吸收和发射光谱与其自由离子相似，显示出极尖锐的峰（半峰宽约为10~20nm） 。而这同时就对激发光源的波长有了很大的限制 。幸运的是，商业化的980nm InGaAs二极管激光系统恰巧与的吸收相匹配，为上转换纳米颗粒提供了理想激发源 。
镧系金属离子通常有一系列尖锐的发射峰，因此为光谱的解析提供了特征性较强的图谱，避免了发射峰重叠带来的影响 。发射峰波长在根本上不受基质的化学组成和物理尺寸的影响 。通过调节掺杂离子的成分和浓度，可以控制不同发射峰的相对强度，从而达到控制发光颜色的目的 。
与传统的反斯托克斯过程（如双光子吸收和多光子吸收过程）不同，上转换发光过程是建立在许多中间能级态的基础上的，因此有较高的频率转换效率 。通常，上转换过程可以由低功率的连续波激光激发，而与之鲜明对比的是“双光子过程”需要昂贵的大功率激光来激发 。
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