具有光學活性的有機熒光染料、量子點熒光材料作為生物熒光標記已經成為研究熱點，然而這些納米探針不同程度的存在著化學穩定性和熒光穩定性差、背景熒光干擾嚴重以及生物毒性高等缺陷。鑭系摻雜的上轉換納米顆粒中，稀土離子可以產生具有截然不同的能量激子，從而得到理想設計的激發光譜，極有可能替代有機染料和量子點等發光材料。
而核殼結構上轉換納米顆粒的出現，使得納米顆粒的功能化和調控稀土物質之間的相互作用成為可能，更加容易得到具有均勻尺寸、一致表面結構，尤其是精準發光性能的上轉換納米顆粒，從而可以用于生物成像和檢測，不需要傳統檢測方法所依賴的標記物。
有鑒于此，復旦大學張凡教授等人報道了一種一核多殼的鑭系摻雜上轉換納米顆粒：NaGdF4:Yb, Er@NaYF4:Yb@NaGdF4:Yb, Nd@NaYF4@NaGdF4:Yb, Tm@NaYF4。
圖1. 發光原理以及表征
如果把這種材料結構表示為C-S1-S2-S3-S4-S5（C-核，S-殼），那么，C-S1-S2部分（NaGdF4:Yb,Er @NaYF4:Yb@NaGdF4:Yb,Nd）用于796 nm激發條件下Er3+主導的綠/紅上轉換發光；S3部分（NaYF4）作為綠光和藍光之間能量傳遞層的阻礙；S4部分（NaGdF4:Yb,Tm）用于980 nm激發條件下Tm3+主導的紫外/藍上轉換發光，同時也作為一種吸收過濾層，通過其厚度控制調節內核中Er3+主導的上轉換發光；最外層的S5部分（NaYF4）用于最大程度地減少缺陷和外部失活因素。之所以這樣設計內外結構，還有一部分原因是796 nm激發的上轉換發光比980 nm激發的更敏感，所以作為內核。
這種全新設計的具有過濾殼層的core-multishell結構的鑭系摻雜上轉換納米顆粒，通過調節吸收過濾層（NaGdF4:Yb,Tm）的厚度，成功實現了兩組相對獨立的正交激發-發射上轉換發光：796 nm激發條件下Er3+主導的綠/紅上轉換發光，980 nm激發條件下Tm3+主導的紫外/藍上轉換發光，而且不受能量密度的影響，避免了局部過熱等問題。通過多維度防偽、生物成像治療等應用，驗證了這種材料的實用性和獨特性！
圖2. 發光性能
圖3. 防偽應用
圖4. 生物應用
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Xiaomin Li, Zhenzhen Guo, Dongyuan Zhao, Fan Zhang et al. Filtration Shell Mediated Power Density Independent Orthogonal Excitations–Emissions Upconversion Luminescence. Angew. Chem. Int. Ed.2016, 55, 1–7.
