摘要

上转换纳米颗粒（Upconversion Nanoparticles，UCNPs）是一类能够通过吸收较低能量光子并发射较高能量光子的功能纳米材料，常见体系以稀土离子掺杂氟化物为基础，具有近红外激发、可见光或近红外发射、窄带发光以及较低背景自发荧光干扰等特点，在生物成像、荧光检测、光学传感及多功能纳米探针研究中具有应用潜力。

然而，许多采用高温有机相方法制备的UCNPs表面含有油酸等疏水性配体，在水相中容易发生聚集，限制了其在生物环境中的进一步应用。通过聚乙二醇（PEG）进行表面修饰，可以调节颗粒的亲水性、水合界面和胶体稳定性，并为后续连接靶向分子或其他功能基团提供条件。

本文围绕瑞禧生物PEG修饰上转换纳米颗粒UCNPs的研究主题，系统分析其结构特点、PEG修饰策略、水分散性调控机制、上转换发光原理、光学表征方法及荧光成像应用，并结合结构示意、实验对照表和模拟数据图表，探讨PEG链长、表面覆盖密度与颗粒荧光性能之间的关系，为水分散性上转换纳米材料的设计和研究提供技术参考。

一、PEG修饰上转换纳米颗粒的结构与研究背景

UCNPs通常由无机晶体基质、稀土发光中心及表面修饰层组成。常见基质包括NaYF4、NaGdF4等氟化物材料，其中Yb³⁺可作为敏化离子，Er³⁺、Tm³⁺或Ho³⁺等离子可作为发光中心。

通过适当的稀土掺杂组合，UCNPs能够在近红外光激发下产生不同波段的发射信号。

1.1 UCNPs的结构组成

PEG修饰UCNPs的功能结构通常可分为三个部分：

1.2 PEG修饰的必要性

采用油酸、油胺等配体制备的UCNPs通常能够在部分非极性有机溶剂中保持较好的分散状态，但难以直接用于水相生物实验。

当这些疏水性颗粒转移至水相时，颗粒间可能因疏水相互作用而聚集，导致水动力粒径增加、分散均一性下降，甚至产生沉降。

PEG修饰可通过亲水链段与水分子的相互作用，在颗粒表面形成水合界面，从而在适宜条件下降低颗粒之间的非特异性聚集。

不过，PEG修饰并不自动保证所有UCNPs均能长期稳定分散。其效果仍受到无机核心组成、表面连接方式、PEG链长、接枝密度及介质条件的影响。

二、PEG-UCNPs的主要理化性质

注：上述为PEG修饰UCNPs的常见材料特征，不代表瑞禧生物某一具体产品的实测规格。核心组成、激发波长、粒径和PEG端基类型需按具体货号确认。

三、PEG修饰UCNPs的主要方法与表面改性机制

PEG修饰的核心问题是如何将亲水性PEG稳定地引入UCNPs表面，同时尽可能保留原有晶体结构与上转换发光性能。

不同修饰方法的界面结合机制存在差异，通常可分为配体交换、两亲性聚合物包覆以及无机壳层辅助修饰等策略。

3.1 配体交换法

配体交换法通过使用具有适宜锚定基团的PEG衍生物，部分或全部替换UCNPs表面原有的疏水配体。

例如，带有磷酸基、膦酸基或其他能够与稀土氟化物表面相互作用的PEG衍生物，可作为候选修饰材料。

这一方法的潜在优点是能够减少过厚的外部包覆层，从而在一定程度上控制颗粒的水动力尺寸。

但需要注意，配体交换可能改变颗粒表面的化学环境，并可能引入表面缺陷或影响发光效率。因此，修饰后需要重新检测粒径、分散状态和发射光谱。

3.2 两亲性聚合物包覆法

两亲性聚合物同时含有疏水部分与亲水PEG链段，可以通过疏水相互作用与原有配体层结合，使PEG链段朝向外部水相。

两亲性包覆的主要优势是可以在不完全去除原始疏水配体的情况下实现水相转移。

但由于引入了额外的聚合物层，颗粒水动力尺寸可能明显增加。此外，包覆层的稳定性与聚合物组成、颗粒曲率和介质环境有关，需要通过长期分散测试进行验证。

3.3 二氧化硅壳层辅助PEG修饰

在部分UCNPs体系中，可以先构建SiO2包覆层，再通过硅烷偶联或其他适宜方法引入PEG。

SiO2壳层可提供较易进一步功能化的表面，但也会增加颗粒整体尺寸。

对于要求较高的荧光成像体系，需要评估壳层厚度对发光强度、光散射及生物分布行为的影响。

3.4 不同PEG修饰方法的比较

四、PEG链长与覆盖密度对水分散性的影响

PEG分子量和表面覆盖密度是调节UCNPs水分散性能的重要参数。

4.1 PEG链长的作用

常见PEG修饰研究中可选择不同平均分子量的PEG链段，例如PEG1000、PEG2000、PEG5000等。

较短的PEG链段通常有利于减少外层尺寸增加，但形成的空间排斥层可能相对有限；较长PEG链段能够提供更厚的水合界面，但可能增加水动力粒径，并影响后续配体与目标分子的接近。

具体性能不应仅根据PEG分子量推断。即使使用相同PEG链长，不同表面接枝密度也可能产生显著不同的分散行为。

4.2 PEG表面密度与胶体稳定性

在一定条件下，增加PEG表面覆盖密度可以增强颗粒间的空间排斥作用，减少部分非特异性聚集。

然而，过高的PEG密度可能造成空间拥挤，并降低后续功能分子偶联的可及性。

该图仅表达PEG覆盖可能改善胶体稳定性并逐渐趋于平台的概念，真实体系中也可能因包覆不均、聚合物桥联或其他因素出现相反趋势。

4.3 水分散性评价指标

PEG-UCNPs的水分散性不能仅通过溶液是否透明或是否发生肉眼可见沉降判断。

通常需要结合以下指标：

值得注意的是，PEG修饰后Zeta电位绝对值可能下降，但由于空间位阻稳定机制的存在，这并不必然意味着颗粒稳定性变差。

因此，PEG化颗粒的稳定性应结合粒径变化、聚集行为及介质适应性进行综合评价。

五、UCNPs的上转换荧光机制与光学性能

UCNPs的光学特征来源于稀土离子之间的能量吸收、转移和辐射跃迁过程。

与常规荧光材料吸收高能量光子并发射低能量光子的过程不同，上转换发光可以通过多光子相关机制，使材料在近红外激发下产生较短波长的发射。

5.1 上转换发光机制

以常见的Yb³⁺/Er³⁺掺杂体系为例，Yb³⁺可吸收约980 nm附近的近红外光，并将能量传递给Er³⁺。经过多步能量转移和激发态过程后，Er³⁺可产生绿色或红色发射。

除Yb³⁺/Er³⁺体系外，Yb³⁺/Tm³⁺等组合也可产生蓝光及近红外发射。通过改变敏化离子、激活离子、掺杂比例和晶体结构，可以对发光性能进行调节。

5.2 核壳结构对荧光强度的影响

对于部分UCNPs，构建适宜的无机壳层能够减少发光中心与外部猝灭位点的直接接触，从而降低表面非辐射能量损失。

尤其在水相中，O–H振动相关的高能振动模式可能参与非辐射弛豫，影响某些上转换发光通道。

因此，采用适宜的惰性壳层或其他表面隔离策略，可能有助于提高水相发光表现。

但壳层增厚也会增加颗粒尺寸，需要结合成像应用中的分散性和生物分布需求进行优化。

5.3 PEG修饰对上转换发光的影响

PEG修饰主要作用于颗粒表面，而不是直接改变稀土离子的基本能级结构。

不过，PEG修饰过程可能间接影响荧光性能，例如改变表面缺陷状态、引入新的振动猝灭环境，或影响颗粒在水相中的聚集状态。

因此，PEG修饰后发光增强或减弱都可能发生，不能将PEG化简单等同于荧光增强。

研究中应比较修饰前后的发射光谱、发光寿命、激发功率依赖性及颗粒浓度，并在相同光学条件下进行评价。

六、PEG-UCNPs的结构与光学表征方法

为了全面评价PEG修饰UCNPs的性能，通常需要将无机晶体结构分析、表面化学检测、胶体稳定性测试与光学表征相结合。

6.1 TEM与DLS的差异

TEM主要反映干燥状态下颗粒的电子显微结构，而DLS反映溶液中颗粒的水动力尺寸。

PEG修饰后，即使无机核心尺寸基本不变，DLS测得的水动力粒径仍可能因PEG水合层的存在而增加。

此外，DLS对较大颗粒和聚集体较为敏感，因此需要结合粒径分布及TEM结果进行判断。

6.2 FTIR与TGA分析

FTIR可用于辅助确认PEG链段相关的C–O–C、C–H等振动信号，但这些信号可能与其他有机配体重叠。

TGA则可通过热失重行为估算样品中有机包覆组分的含量。不过，如果样品同时存在残留配体、PEG及其他聚合物，仅依靠TGA不能直接准确区分各组分的质量比例。

6.3 上转换发射光谱分析

对于典型NaYF4:Yb,Er体系，常见发射区域包括约520–550 nm附近的绿色发射和约650–670 nm附近的红色发射。

实际测试中，发射峰强度受到激发功率密度、样品浓度、检测光路、探测器响应及颗粒结构等因素影响。

因此，比较不同PEG修饰条件下的发光性能时，应保持激发和检测参数一致，必要时进行仪器响应校正。

七、PEG修饰UCNPs的水分散性实验设计

为了系统研究PEG链长与表面修饰方式对UCNPs水分散性的影响，可以设计不同PEG条件的对照实验。

7.1 实验分组方案

不同组之间应尽可能保持无机核心组成、颗粒尺寸、修饰方法和检测介质一致，以减少其他变量对实验结果的影响。

7.2 模拟粒径与分散指数分析

表｜假设性水分散性检测结果

数据为教学性假设示例，假定未修饰样品在水相中形成聚集体，不代表瑞禧生物产品实测结果。

在该假设案例中，PEG修饰样品的水动力粒径小于未修饰对照组，主要体现了原始疏水颗粒聚集减少后的分散变化。

需要注意，PEG5000组粒径大于PEG2000组，并不意味着其分散性能一定较差。较长PEG链形成的水合层也可能导致水动力尺寸增加。

7.3 稳定性评价

水分散性研究建议同时开展短期与较长期观察，并比较不同介质中的胶体行为。

可设置去离子水、PBS及含蛋白质的模拟生物介质等条件，监测粒径、PDI、沉降及发光信号变化。

对于高盐或含蛋白环境，颗粒可能出现新的界面相互作用，因此在纯水中稳定并不代表在生物介质中同样稳定。

八、PEG-UCNPs的荧光成像应用

8.1 细胞荧光成像

PEG修饰UCNPs可用于研究纳米颗粒与细胞之间的相互作用，并在适宜激发条件下进行荧光成像。

与部分常规有机荧光染料相比，UCNPs在近红外激发条件下具有降低背景自发荧光干扰的潜力。

但细胞成像效果仍受到颗粒摄取量、发光亮度、成像系统灵敏度及激发光功率密度影响。

尤其对于980 nm激发体系，水对该波段光的吸收可能引起局部温升，因此在细胞及组织研究中需要关注激发条件的热效应。

8.2 组织荧光成像

近红外光在部分生物组织中具有相对较好的穿透能力，因此UCNPs被广研究用于组织光学成像。

需要指出，近红外激发并不意味着UCNPs的所有发射信号都具有相同的组织穿透能力。

例如，绿色可见光发射在组织中仍可能受到较明显的吸收和散射，而部分近红外发射体系可能更适合深部组织信号检测。

因此，深部成像研究需要综合考虑激发波长和发射波长，而不能仅依据“上转换”特征判断成像深度。

8.3 靶向荧光纳米探针

PEG修饰层可以进一步引入氨基、羧基、马来酰亚胺等功能基团，为连接多肽、抗体片段或其他识别分子提供条件。

通过适宜的化学偶联，可以构建具有特定分子识别能力的UCNPs荧光探针。

不过，靶向能力需要通过受体表达、竞争结合、细胞摄取及非特异性吸附等实验验证，不能仅根据配体连接成功就认定探针具有有效靶向性。

8.4 多模态成像与复合纳米材料

某些UCNPs体系可以与磁性组分、其他荧光组分或功能纳米材料结合，用于探索多模态成像及复合传感体系。

PEG在其中可发挥界面稳定和连接作用，使不同功能单元能够在一定条件下保持相容。

但复合结构往往增加颗粒尺寸与合成复杂性，需要进一步评价不同组分之间的光学相互作用及材料稳定性。

九、PEG修饰UCNPs的实验优化与质量控制

PEG修饰UCNPs的性能优化需要同时兼顾水分散性、表面结构、发光强度和生物实验适用性。仅获得较小粒径或较强荧光，并不能完整证明材料满足预期研究要求。

9.1 水分散性与荧光性能的协同优化

PEG修饰过程中可能出现两类不同的性能变化。

一方面，PEG层能够改善颗粒在水相中的分散状态，降低聚集导致的沉降和检测不均一性；另一方面，表面配体交换、溶剂环境变化及界面振动猝灭等因素可能影响上转换发光。

因此，需要分别评价胶体稳定性和光学性能，再综合选择适宜的修饰方案。

在这一假设性案例中，PEG修饰改善了水分散稳定性，但不同PEG链长的发光强度存在差异。这说明实际选型需要根据应用目标权衡，而不是单纯追求更长的PEG链或更高的覆盖密度。

9.2 实验质量控制清单

9.3 生物实验中的注意事项

PEG修饰通常能够改变UCNPs与生物环境之间的界面相互作用，但并不能自动保证材料具有良好的生物相容性。

不同稀土基质、颗粒尺寸、表面包覆方式及浓度条件均可能影响细胞反应。对于需要进行细胞或组织成像的体系，应结合细胞活性、颗粒摄取、表面稳定性及必要的材料溶出分析进行综合评价。

此外，UCNPs的荧光成像往往需要专门的近红外激发与光学检测系统，常规FITC或其他荧光显微镜通道不一定能够直接适用。

十、瑞禧生物PEG修饰UCNPs的科研应用价值

从功能纳米材料设计角度看，瑞禧生物PEG修饰UCNPs相关材料的研究价值主要体现在将稀土上转换发光功能与亲水聚合物界面调控相结合。

对于科研人员而言，PEG化UCNPs可作为探索水相上转换发光、细胞荧光示踪、纳米探针构建及多功能表面修饰的平台材料。

在具体产品选型中，应重点核实以下参数：

需要说明的是，本文未获得瑞禧生物特定PEG-UCNPs货号的完整批次检测数据，因此文中所列模拟粒径、PDI及发光强度不代表该供应商实际产品性能。具体规格应以对应产品技术资料及批次COA为准。

十一、研究展望

随着稀土纳米发光材料与生物成像技术的发展，PEG修饰UCNPs的研究正在向高亮度、稳定水分散、精确表面功能化及低背景光学检测等方向拓展。

未来值得关注的研究方向包括：

高稳定性表面锚定策略。 通过多点锚定PEG、优化连接基团及界面结构，降低PEG层在复杂介质中的脱附风险。

发光效率与水相稳定性的协同设计。 结合核壳结构与表面PEG修饰，减少非辐射能量损失，同时维持适宜的水动力尺寸。

近红外激发与发射体系优化。 探索808 nm激发及适宜的近红外发射体系，以改善部分应用中的水吸收、热效应和组织光学限制。

功能化与靶向探针构建。 利用PEG末端氨基、羧基等反应位点，发展具有可控配体密度和分子识别能力的上转换纳米探针。

标准化质量评价体系。 将核心尺寸、PEG覆盖量、胶体稳定性、发光强度和生物相容性等指标结合，提高不同批次及不同研究体系之间的可比性。

十二、结论

PEG修饰上转换纳米颗粒UCNPs是一类兼具无机纳米发光特征与亲水聚合物界面功能的复合纳米材料，在水相荧光检测、细胞成像、组织示踪及功能纳米探针研究中具有重要的应用潜力。

从水分散性角度来看，PEG修饰能够通过水合层和空间位阻作用改善部分疏水性UCNPs在水相中的分散表现，但实际效果取决于PEG链长、覆盖密度、连接方式及介质条件。

从荧光性能角度来看，UCNPs的发射行为主要由无机基质、稀土掺杂组成、晶体结构和表面环境决定。PEG修饰能够改变颗粒的界面状态，但其对发光强度的影响需要通过实验验证。

总体而言，PEG-UCNPs的研究重点在于实现“稳定水分散、可控表面结构与可靠上转换发光”之间的协同优化。 通过系统的材料表征、胶体稳定性测试和荧光成像评价，可以为瑞禧生物PEG修饰UCNPs相关材料的科研选型及后续功能化应用提供更有价值的技术依据。

参考文献

1. Wang F, Liu X. Recent advances in the chemistry of lanthanide-doped upconversion nanocrystals. Chemical Society Reviews. 2009, 38, 976–989. DOI: 10.1039/B809132N.

2. Haase M, Schäfer H. Upconverting nanoparticles. Angewandte Chemie International Edition. 2011, 50, 5808–5829. DOI: 10.1002/anie.201005159.

3. Chen G, Qiu H, Prasad P N, Chen X. Upconversion nanoparticles: design, nanochemistry, and applications in theranostics. Chemical Reviews. 2014, 114, 5161–5214. DOI: 10.1021/cr400425h.

4. Wilhelm S. Perspectives for upconverting nanoparticles. ACS Nano. 2017, 11, 10644–10653. DOI: 10.1021/acsnano.7b07120.