核壳结构上转换纳米棒的多层壳工程优化及其双通道成像增强研究

　　为解决上转换纳米材料(UCNMs)发光效率低和表面淬灭问题，研究人员通过种子生长策略成功合成核壳(NaYF4 :Yb,Er@NaYbF4 )和核壳壳(NaYF4 :Yb,Er@NaYbF4 @NaYF4 :Yb,Tm)上转换纳米棒(UCNRs)，优化壳层厚度后红光和绿光发射分别增强2.3倍和1.5倍，细胞实验证实其生物相容性及双通道成像潜力，为生物医学和光电器件应用提供新思路。

　　

在生物医学成像和光电器件领域，如何实现高效、低毒性的深组织成像一直是科学家们面临的重大挑战。传统荧光探针存在组织穿透深度不足、自发荧光干扰等问题，而上转换纳米材料(UCNMs)因其能将低能量近红外光(NIR)转换为高能量可见光或紫外光的独特性质，成为解决这一难题的新希望。然而，现有UCNMs普遍面临发光效率低、表面能量淬灭严重等瓶颈，严重限制了其实际应用价值。

针对这一关键问题，来自印度的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表了一项突破性研究。他们通过精确设计多层壳结构，成功开发出发光效率显著提升的核壳壳上转换纳米棒(UCNRs)，不仅实现了双通道荧光成像，还为光催化等应用开辟了新途径。

研究采用水热法和种子生长策略构建纳米结构，通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和能量色散谱(EDS)验证结构特征，利用紫外-可见-近红外分光光度计和980 nm激光激发系统测试光学性能，并选用WRL-68细胞系进行生物相容性和成像实验。

壳层厚度优化增强发光效率
通过调控NaYbF₄
壳层厚度发现，15 nm厚的第一层壳(CS0.5样品)使红光和绿光发射分别提升1.3倍和1.1倍。XRD分析显示壳层生长导致晶格参数变化，证实了外延生长的成功。元素分布图谱揭示Yb³⁺
在壳层富集，而Er³⁺
保留在核区，这种空间分离有效减少了表面淬灭。

核壳壳结构实现多色发射
在优化基础上引入NaYF₄
:Yb,Tm第二层壳后，CSS0.5样品的红光和绿光发射进一步增强至核心结构的2.3倍和1.5倍，并新增450-470 nm的Tm³⁺
特征蓝光发射。功率依赖实验证实该结构存在双光子和三光子过程，能量迁移上转换(EMU)机制显著提升了能量转移效率。

生物成像应用验证
MTT实验表明CSS0.5样品在100 μg/mL浓度下细胞存活率超过95%。980 nm激发下的荧光成像清晰捕获到细胞内的红绿双色信号，无需外加荧光标记即实现高对比度成像，证实其作为双通道生物标记物的潜力。

这项研究通过创新的核壳壳结构设计，解决了上转换纳米材料发光效率低的核心难题。厚度优化的多层壳不仅显著增强发光强度，还拓展了发射光谱范围，为深组织成像、环境修复和防伪技术等多领域应用提供了新材料平台。特别值得注意的是，该工作首次在核壳壳结构中同时引入Yb³⁺
和Tm³⁺
双掺杂外层壳，为多模态成像探针的开发提供了新思路。未来研究可进一步探索壳层成分梯度化设计，或与功能性分子偶联，推动其在靶向诊疗中的实际应用。