一、上轉換納米生物材料的研究背景
上轉換發光為反斯托克斯（Anti–stokes）發光，是用長波長的光激發而獲取短波長的熒光輸出，又可稱為頻率上轉換或能量上轉換。許多三價稀土離子（如Er3+，Tm3+，Ho3+，Pr3+和Nd3+等）都可在一定波長的激光二極管激發下產生上轉換發光現象。稀土元素具有未充滿的4f和4f5d電子組態，具有豐富的電子能級結構和長壽命激發態，能級躍遷通道多達20餘萬個，可以產生多種多樣的輻射吸收和發射。稀土元素吸收和發射光譜多源自內層4f-4f躍遷，由於4fn電子受到外層5s25p6電子的屏蔽，因此，4f-4f躍遷不受基質材料晶體場影響，躍遷發射為銳線狀光譜，其發射波長是稀土離子自身特有行為，與周圍環境無關；易與當前使用的多種二極管激光器波長相匹配。90年代初，隨著激光二極管（laserdiode，LD）快速發展，特別是大功率、長壽命、價格便宜的波長為980nm、808nm的二極管激光器的出現和日益成熟，給上轉換材料帶來了發展高峰，使利用頻率上轉換機理，在稀土離子摻雜的粉體、玻璃、晶體或光纖材料中獲得短波長光輸出已成為研究的熱點。
在醫學中應用的上轉換材料為稀土摻雜的納米粉體材料，主要基質為氟化釓鈉、氟化釔鈉及氧化釓和氧化釔納米材料，近幾年，相關研究開始急劇升溫。人們探討上轉換納米生物材料作為生物光學探針，對生物分子進行熒光標記或示蹤，即對生物組織光學成像。上轉換納米生物材料還有希望應用於光動力診斷和治療腫瘤中。
上轉換熒光是在紅外光激發下由稀土離子4f軌道內部躍遷所產生，具有不易漂白，觀測周期長的優點；激發上轉換熒光的光波為紅外光，正好處於生物窗口，因此在生物組織中穿透深度大，增加光學成像深度；同時，由於生物組織對這一波段的光吸收少，相應的自體熒光也小，即造成的背景光小，降低了信噪比，增加了光學成像的清晰度；上轉換熒光材料的優勢還在於激發光強度遠遠低於采用雙光子技術激發有機染料所需光強，僅為其#1.107倍（Watts/mm2），且不易造成生物組織光損傷。因此，自2008年以來，人們掀起上轉換熒光用於生物成像的研究的熱潮。
核磁共振成像技術具有成像深度大，清晰度好，但隻能顯示較大的組織器官，無法顯示細胞結構和亞細胞結構；將核磁共振成像技術與上轉換熒光成像技術結合起來具有十分重要的意義。釓離子在室溫下具有順磁性，釓的配合物作為核磁共振成像增強劑在生物活體成像中一直應用。摻雜稀土離子的上轉換材料中含有釓離子可以同時作為光學探針進行光學成像，又能作為核磁共振成像試劑。開發具有上轉換熒光探針和核磁共振增強試劑雙功能納米材料的研究具有美好的應用前景。
近幾年，研究製備尺度穩定的稀土摻雜納米上轉換生物材料成為新的熱點。研究上轉換和下轉換機製，從基質、結構、摻雜等方麵設計增強其上轉換性能；在納米材料表麵進行包殼修飾，使其具有良好的生物相容性，同時又可以進一步修飾其他官能團，以便靶向病理細胞，是科學家一直在探討的課題。