镧系元素掺杂的上转换纳米粒子（UCNPs）作为成像探针由于其具有优良的光稳定性、抗光漂白、丰富的发射能级、大的反斯托克斯位移且无背景荧光干扰等优点，使其在生物传感，光动力治疗和单分子成像等领域都有较大的潜在应用价值。值得注意的是，目前UCNPs已被用于活体神经元的超长时间单粒子跟踪，展现了UCNPs在神经科学研究领域中的应用潜力。
然而，具有较高单分散性和优异光学性能的UCNPs通常都是在有机溶剂中合成，导致其表面形成由油酸（OA）或油胺（OAm）组成的疏水层，这种疏水层对UCNPs在生物系统内的单分子成像应用提出了挑战。尽管目前已经提出了各种方法来改善UCNPs在水溶液中整体的分散性，但在单颗粒水平上进行表面修饰非常有限。因为对于单分子成像应用来说，对UCNPs单分散性的要求往往更加严格。为了解决这个问题，作者进行了一项全面的研究，探讨了常见的表面修饰策略对单个UCNPs上转换发光的影响。研究采用了不同的修饰方法设计亲水性UCNPs，包括用近红外水溶性染料IR806配体交换（@IR806）、HCl（@HCl）或NOBF4去除疏水的油酸配体（@NOBF4）、致密二氧化硅（@SiO2）或介孔二氧化硅涂层（@mSiO2）包覆、DSPE-PEG (@DSPE-PEG)或F127（@F127）两亲聚合物自组装等方法。单颗粒成像结果表明，与@OA相比，NOBF4和DSPE-PEG修饰的UCNPs表现出明显更高的单颗粒亮度，分别只有3%和8%的荧光淬灭率，其次分别是SiO2、F127、IR806、mSiO2和HCl（高达84%的荧光淬灭率）。其中HCl处理破坏了UCNPs的晶格，使其发光极大减弱；而在mSiO2层的介孔结构中，一些溶剂分子被吸收，导致UCNPs发光猝灭；与@OA相比，从UCNPs到IR806的能量转移导致@IR806单颗粒亮度降低。在单颗粒成像中，作者还观察到上转换红色发射比绿色发射更为显著，并且红绿比随辐照功率密度的增加而增加, 这是由于单颗粒测试是较高的激发功率，对于涉及到多个光子的红光发射更为有利。此外，作者证明了@DSPE-PEG在水环境中表现出最高的单颗粒亮度，保留了48%的原始发光，此可归因于其较低的临界胶束浓度和优越的抗水保护能力。总之，这项研究在单粒子水平上为表面化学对UCNPs的作用提供了有价值的见解。
参考文献
Effect of Surface Modification on the Luminescence of Individual Upconversion Nanoparticles. Huan Ling, Daoming Guan, Rongrong Wen, Jialing Hu, Yanxin Zhang, Fei Zhao, Yunxiang Zhang, and Qian Liu*. Small, 2024, 2309035.
https://doi.org/10.1002/smll.202309035