发光二氧化硅纳米颗粒综述：分类、合成与实际应用

摘要

发光材料因其独特的光学特性而备受全球关注。二氧化硅对光透明，是发光材料的理想基质。发光二氧化硅纳米颗粒（LSNs）因其增强的化学和热稳定性而具有广泛的应用前景。不同尺寸的二氧化硅球可通过多种方法合成以满足特定需求。多种发光染料在不同应用中展现潜力，但受淬火剂等因素影响，其性能往往不尽如人意。本文综述了LSNs的发展历程，包括分类、合成及应用。重点探讨二氧化硅如何改善发光染料性能及其在体系中的作用，并阐述其在生物、显示及传感器领域的应用。

引言

发光材料因其特殊的光学性质而被广泛应用[1]。然而，其应用受多种限制，如低疏水性和生物相容性，或因高毒性、差生物相容性、低吸收率等劣势[2,3,4,5]。因此，有必要对发光材料进行修饰以满足实际应用需求。

具有改进性能的LSNs在生物学[6,7]、照明[8]和传感器[9]等领域引起了越来越多的关注。其特有的光学性质使其在光学材料中独树一帜[10]。二氧化硅对光透明，使其成为荧光材料的理想基质候选者。热力学和化学稳定性也是基质的重要因素，二氧化硅恰好符合这些基本要求[11]。此外，二氧化硅表面易于修饰，可进一步功能化各种官能团以适应多样化需求[12]。二氧化硅拥有上述诸多优势，自然成为改善发光材料性能的理想底物[13]。通过不同工艺将一种或多种不同纳米材料组装、封装或整合在二氧化硅纳米颗粒内部及表面，可构建多功能纳米系统[11]。作为发光材料的修饰，具有优异性能的LSNs在前沿研究中备受瞩目[14]。Montalti等人总结了有机染料掺杂二氧化硅在医学成像中的诸多优秀研究[6]。二氧化硅为荧光粉提供了稳定且多功能的平台，但长期毒性仍需研究。Michael Schäfrling展示了发光传感器的艺术[9]。选择性和灵敏度是传感器材料的核心。邹华等人详述了有机二氧化硅修饰手段。纳米复合材料优于单一组分[15]。虽有诸多综述聚焦生物学等特定领域[6,7,16]，但缺乏对LSNs及其在其他领域优异表现的系统性介绍。

本综述从LSNs分类入手，继而介绍合成方法。基于发光材料分类系统建立LSNs分类体系。从化学性质和发光机制看，有机分子染料、发光金属掺杂荧光粉及量子点（QDs）掺杂荧光粉是三类典型荧光粉，均具有独特的发光机制和优势，作为LSNs的代表[17,18,19]。重点在于二氧化硅如何增强荧光粉性能。针对发光材料应用的不足，探讨改善LSNs性能的可能策略，涵盖生物应用、显示及传感器等领域。

LSNs的分类

发光材料发射不同亮度在材料领域具有重要价值[20]。大量研究围绕如何提高信噪比、稳定性和环境适应性以拓展潜在应用而展开。引入天线配体增强镧系配合物发光性能便是典型修饰案例。二氧化硅是混合不同功能、不同化学性质材料的良好基质。将荧光粉掺杂入二氧化硅基质可修饰其天然缺陷并改善性质，得益于易修饰、无毒的二氧化硅表面及对发光染料的保护，有利于广泛应用。凭借多功能和可调适应性，LSNs备受关注。在所有发光荧光粉中，有机发光分子、发光金属掺杂荧光粉和QDs是三大最具代表性的类别，值得重点阐述。因此，将上述三类染料与二氧化硅结合作为典型LSNs展示。表1列出了代表性例子。

有机发光分子掺杂LSNs

有机发光分子具有π共轭环结构和微小尺寸，是重要的发光材料[16]。但非特异性标记和光漂白阻碍了其应用。有机染料掺杂二氧化硅纳米颗粒因其优异的稳定性、选择性和生物相容性而被广泛研究[52,53]。Van Blaaderen等人[21]初步尝试合成发光二氧化硅球。荧光素异硫氰酸酯（FITC）在APS（(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷）帮助下共价键合在二氧化硅表面，为染料与二氧化硅结合提供可行途径。受此启发，Andrew等人[22]合成了双发射荧光二氧化硅纳米颗粒，具有双层结构。两种染料四甲基罗丹明异硫氰酸酯（TRITC）和FITC在无水氮气环境下通过APS共价连接到二氧化硅上。图1a展示了纳米颗粒的结构示意图和SEM图像。首先合成掺TRITC的二氧化硅作为核心，再经四乙氧基硅烷（TEOS）将FITC共价连接在核心表面。合成的双发射荧光二氧化硅纳米颗粒成功在大鼠嗜碱性白血病肥大细胞（RBL-2H3）中检测细胞内pH值（图1b-d）。

a 双发射荧光二氧化硅纳米颗粒形成示意图及SEM图像（含参比染料TRITC和传感染料FITC）；大鼠嗜碱性白血病肥大细胞共聚焦荧光显微镜图像（红色为TRITC二氧化硅颗粒，绿色为AlexaFluor 488-霍乱毒素B）；作为pH传感器的共聚焦荧光显微镜图像。b 参比通道，c 传感通道，d 叠加图像，e 基于实验计算的pH值假彩色比率成像[22]

为提高有机荧光团的光稳定性，二氧化硅封装是常用修饰方法。焦龙等人[23]选取四种氨基氰烷染料作为近红外（NIR）荧光探针，分别与常用硅烷偶联剂3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）偶联。在微乳液体系中，TEOS与处理过的NIR染料水解，经离心洗涤获得氰烷负载荧光二氧化硅纳米颗粒（FSNPs），全过程见图2a。图2b显示，四种封装入二氧化硅的FSNPs较游离染料具有更好的荧光强度pH稳定性。同时四种FSNPs亮度均提升（图2c）。通过共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）在活细胞中测试光稳定性，锚定位点较多的FSNP-3和FSNP-4光稳定性优于游离染料，而FSNP-1和FSNP-2无改善。更多锚定位点强化了染料分子结构。结构刚性的染料非辐射衰减少、分子内旋转难，故更亮。二氧化硅层保护封装材料，强化分子结构，在无光漂白情况下提升亮度。经甲基噻唑蓝（MTT）法测试，FSNP-3和4生物毒性低（图2d）。生物相容性是二氧化硅的另一优势。

a FSNP-1、FSNP-2、FSNP-3、FSNP-4的机制示意图。b 全样品不同pH值下的归一化强度。c FSNPs与游离染料的发射强度对比。d 与FSNPs孵育24h后RAW264.7巨噬细胞活力[23]

团聚是大多数发光染料淬火的主因。荧光粉可在二氧化硅中保持适宜浓度。聚集诱导发光发光体（AIEgens）与传统发光团不同，不受此困扰；相反，聚集导致强发光[54]。为提升AIEgens在生物领域性能，常用聚合物基质封装。此外，水和氧等因素也可致AIEgens淬火，不利应用。二氧化硅可阻隔这些淬火剂[55]。基于上述分析，将典型荧光原TPETPAFN（含两个四苯乙烯基团和分子内电荷转移核的荧光原）经F127（聚(乙二醇)-嵌段-聚(丙二醇)-嵌段-聚(乙二醇)）生物功能化形成核心胶束[24]。经改性溶胶-凝胶法水解TEOS在核心胶束上包覆二氧化硅壳。图3显示，合成的TPETPAFN-F127-SiO₂纳米颗粒得益于二氧化硅壳保护，表现出更好的光致发光性能。

a、d TPETPAFN-F127-SiO₂ NPs的荧光图像及光子直方图；b、e 对应TPETOAFN NPs；c、f 对应商业QD655[24]

发光金属掺杂LSNs

稀土金属[56]和过渡金属[57]是基于电荷转移跃迁的常见发光金属材料。与配体配合后发光是其显著特征。金属发光主要有两种机制：LMCT（配体到金属电荷转移）和MLCT（金属到配体电荷转移），镧系金属和过渡金属分别为典型代表。因拥有丰富的电子能级，多种发光金属在不同发射波段具有巨大应用潜力[58]。具有局域表面等离子体共振（LSPR）的贵金属广泛用于增强发光材料，也在本节涉及。然而，低致敏效率和淬火限制了发光金属应用[59]。为提高光稳定性和生物相容性，Francis等人在配体中引入取代硅基以便进一步修饰[30]。经反向微乳液法用二氧化硅包覆硅基修饰的Eu配合物得到Eu@Si-OH纳米颗粒，再经APTES胺基功能化得Eu@Si-NH₂纳米颗粒。二氧化硅层将配合物与淬火剂（OH和NH₂基团）隔离，二者光稳定性均提升（图4）。Eu@Si-NH₂纳米颗粒在生物成像中表现优异。

365 nm照射下荧光强度随曝光时间变化曲线：a CHCl₃中母体Eu配合物，b Eu@Si-NH₂，c 磷酸缓冲液（PBS）中Eu@Si-OH纳米颗粒[30]

Ezquerro等人通过溶胶-凝胶工艺将Ir配合物（MLCT发光配合物）掺入二氧化硅骨架，增强稳定性和光物理性质[60]。在二氧化硅保护下，这些荧光粉不仅在环境条件下，甚至在恶劣环境中均表现出优异稳定性，可进一步应用于白光发光二极管（WLED）。

Y. Li等人[31]合成油酸稳定的上转换纳米颗粒（UCNPs），再经微乳液法包覆二氧化硅层获得水溶性UCNPs。引入Eu(TTA)₃phen配合物，合成NaGdF₄:Yb,Er@SiO₂@Eu(TTA)₃Phen（UCNPs@SiO₂@EuTP）纳米球。二氧化硅包覆抑制了表面淬火，发射强度增强（图5）。在二氧化硅帮助下获得双发射水溶性纳米颗粒。

a UCNPs@SiO₂@EuTP形成过程及样品透射电镜（TEM）图像；b、c UCNPs，d、e UCNPs@SiO₂，f、g UCNPs@SiO₂@EuTP[31]

Chen等人[42]成功利用碳点（CDs）和稀土离子实现WLED。他们通过一锅法有机热解合成CDs，蓝光发射峰在470 nm，激发峰分别在251和364 nm。为获得白光发光复合材料，以CDs为蓝光发射核心，Sr₂Si₅N₈:Eu²⁺荧光粉为橙光发射组分。将CDs置于Stöber体系中，TEOS水解时CDs被二氧化硅层包覆并与红色荧光粉复合。经离心、干燥、研磨得碳点-二氧化硅-荧光粉复合材料（CDSP）。CDSP在紫外至黄光区（200-600 nm）具有宽吸收带，尤以紫外区最强。测试不同激发波长发现，400 nm激发下CDSP的CIE坐标(0.32, 0.32)最接近纯白光(0.33, 0.33)（图6）。通过调节CD与荧光粉质量比可调控CDSP发射。400 nm激发下，质量比3.9%(0.32, 0.32)和5.1%(0.34, 0.32)最接近白光发射。LED封装中CDSP白光发射(0.30, 0.31)优于直接混合CD&P(0.28, 0.29)。二氧化硅使两组分均匀分散，降低团聚和相分离概率。最终在紫外芯片(375 nm)上涂覆CDSP粉末制得WLED，获得白光(0.30, 0.33)，显色指数（CRI）约94，高于YAG:Ce基商用WLED（CRI < 75）。

基于CDSP的WLED性能：发射光谱及照片[42]

二氧化硅常作为发光材料保护层，使其与贵金属保持适当距离以增强荧光。这是由于光激发自由电子驻波振荡所致。增强发光需使染料与贵金属颗粒保持适当距离。贵金属增强材料中，金属纳米颗粒本身会导致发色团淬火（<5 nm），但可使荧光增强百倍（~10 nm）。早期研究中，Tuo Li等人[61]在微乳液基质中合成包覆二氧化硅壳的Ag纳米颗粒（Ag/SiO₂纳米颗粒）。银还原后将合成二氧化硅所需试剂（TEOS和环己烷）注入微乳液。他们详细研究了不同条件（水/表面活性剂比R和水/TEOS比H）对Ag/SiO₂纳米颗粒的影响，结果见图7。在微乳液体系中包覆均匀厚二氧化硅层不仅适用于Ag，也适用于其他核心纳米颗粒。Zhenhua Bai等人[25]的工作即为佳例。8-羟基芘-1,3,6-三磺酸（HPTS）是一种荧光pH敏感染料，因其独特优势适合作细胞内pH传感器。但极端pH条件下其不敏感；酸性溶液中荧光效率显著下降。基于贵金属增强荧光效应制备HPTS吸附Ag@SiO₂纳米颗粒（图8a）。图8b显示，Ag@SiO₂-8 nm@HPTS在极端pH条件下荧光强度更强。

a H函数下的尺寸变化（R=4，X=1）；b R可变时Ag簇尺寸变化[61]

a HPTS吸附Ag@SiO₂纳米颗粒合成流程。b Ag@SiO₂-8 nm@HPTS（绿）与对照样品（红）荧光强度比[25]

QDs掺杂LSNs

量子限域效应使QDs（无论半导体QDs、碳QDs或其他类型）展现优异发光性能。近年众多研究聚焦QDs在光学器件中的应用。有时其性能不足以适应复杂应用，必须修饰，二氧化硅是合适基质[1]。

为实现生物标记与磁共振成像结合，CdSe QDs通过带NH₂基的二氧化硅层包覆在磁性Fe₂O₃核上。图9展示了相关图片和表征。NH₂基团与生物锚定膜（BAM）结合，4T1小鼠乳腺癌细胞膜经BAM-SiO₂-CdSe MQDs特异性标记[44]。凭借生物相容性和磁性，多功能发光纳米颗粒在医学领域应用前景广阔。

正常光下照片验证磁性修饰（a、b）。c 紫外光下照片验证磁性和发光性能。d 绿色和橙色磁性量子点（MQDs）紫外照片。e、f PBS溶液中SiO₂-MQDs发光光谱（e吸收，f发射）[44]

为拓展QDs应用，需修饰其水溶性和无毒性。二氧化硅在QDs修饰中展现巨大潜力。Yunfei Ma等人[43]在Stöber体系中引入自制相转移试剂（腺苷5'-单磷酸，AMP）和硅烷偶联剂（3-巯基丙基三甲氧基硅烷，MPS）。初始油溶性（CdSe/CdS/ZnS QDs）、醇溶性（AMP-QDs）、水溶性（TEOS在QDs周围水解）实现溶解性转变。QD@SiO₂光致发光效率（50-65%）与初始相当。优势包括：更宽pH范围（pH 4-8扩展至2-13）、电解质中稳定性提升、热稳定性改善、Hela细胞中生物相容性增强。

为保证QDs在光学器件中稳定，需减弱闪烁效应。闪烁是随机间歇性发光现象，影响QDs光学器件稳定性[62]。为减弱闪烁，Botao Ji等人[45]制备CdSe/CdS QDs为核心材料，经反向微乳液法以置换初始疏水配体方式将QDs封装入二氧化硅壳。进一步用聚(1-乙烯基咪唑-共-乙烯基三甲氧基硅烷)（PVIS）作硅烷偶联剂，在二氧化硅表面修饰Au层。纳米金壳作为等离子体共振器赋予QDs增强的光学态密度。因混合层存在，QDs性能不受局部环境剧烈变化影响。结果QDs光稳定性提升。金包覆后QDs荧光寿命从123 ns降至20 ns。金QDs展现高效多激子发射，中性光致发光强度高于QDs。稳定性测试结果见图10。更值得注意的是，光致发光强度可稳定数小时（甚至24 h）。裸QDs发光仅1 h后剧烈下降。二氧化硅层虽略微改善QDs性能，但为后续Au层展现等离子体增强效应提供了合适间距。

a 量子点/SiO₂/Au杂化结构（金QDs）示意图及各阶段TEM图像（CdSe/CdS QDs、QD/SiO₂、QD/SiO₂/Au_seed、金QDs）。b 光致发光强度随时间变化：红色CdSe/CdS，灰色QD/SiO₂/Au_seed，橙色金QDs。c (b)中三种纳米颗粒光致发光衰减曲线[45]

LSNs的合成方法

LSNs制备的核心在于荧光粉选择和合成路线设计。荧光粉决定LSNs发射范围，合成路线确立其结构和功能。所有LSNs合成路线均基于二氧化硅。溶胶-凝胶法、反向微乳液法、直接胶束辅助法是制备均匀规则二氧化硅球的三大主要途径，均用于LSNs制备。图11为上述方法示意图。

不同方法制备LSNs的示意图。a Stöber法。b 反向微乳液法。c 直接胶束辅助法

溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法（即Stöber法）是制备单分散二氧化硅纳米球的便捷可行方法。Stöber[63]详细研究了在氨催化下烷氧基硅烷水解制备50 nm-2 μm特定尺寸二氧化硅球，使其成为合成二氧化硅纳米球的理想方法。通过控制乙醇-水比、氨用量、温度等合成条件，溶胶-凝胶法易于制得10 nm至数百纳米不同尺寸的均匀二氧化硅球。Van Blaaderen和A. Vrij Langmuir利用Stöber法，在反应体系加入APS成功合成染料（FITC）掺杂二氧化硅[21]。APS提供的氨基使二氧化硅球易于捕获FITC（图11a）。迄今，除染料外，许多其他材料也通过Stöber法与二氧化硅连接。Luis M. Liz-Marzan等人改进Stöber法，以(3-氨基丙基)三甲氧基硅烷（APTS）为表面活性剂合成金-二氧化硅核壳颗粒[64]。结合金核，APTES为二氧化硅包覆提供化学键桥接。碱性条件生成均匀二氧化硅球是流行的Stöber体系，烷氧基硅烷酸催化水解也是将发光染料封装入二氧化硅的可行方法[65]。

基于Stöber法合成新型LSNs。Lingang Yang等人[50]基于乙烯基π-π堆积，通过Stöber法成功合成晶体二氧化硅。以乙烯基三乙氧基硅烷（VTES）为前驱体，盐酸中和，真空蒸馏除溶剂，四氢呋喃萃取，完成有机二氧化硅纳米晶体（OSNCs）制备。合成三种晶体结构相同但尺寸不同的OSNCs（图12d-f）。随VTES增加，OSNCs尺寸逐渐增大，展现不同发光性能（图12g,h：紫外光下呈蓝、绿、红）。OSNCs具良好光稳定性和pH稳定性。金刚石立方晶体结构中乙烯基外延生长因π-π堆积有序排列，最终形成大π共轭体系，随量子限域效应产生荧光。这些OSNCs因具备二氧化硅特性，在光学领域潜力巨大，为获得自发光二氧化硅材料提供新途径。

OSNCs表征：a-c TEM图像，d-f 高分辨透射电镜（HRTEM）图像。g OSNC样品紫外光照射照片。h CIE色度图分布[50]

反向微乳液法

Stöber法虽简便，但反应条件和初始颗粒不可控限制了发光染料应用。为克服此限制，Bagwe和Khilar[66]在合成二氧化硅包覆银纳米复合材料时引入水包油微乳液体系[67]（图11b）。含TEOS的碱性银纳米颗粒水溶液被表面活性剂包裹在水滴中。TEOS水解过程同Stöber法，但整个过程限制在表面活性剂包裹的水滴内，实现可控体系和单分散二氧化硅纳米颗粒。通过选择不同表面活性剂、溶剂、改变表面活性剂与水比例可精确控制二氧化硅尺寸。当荧光团水溶时，易在水滴内分子作用下形成均匀二氧化硅层。Nianfang Wang等人[46]经反向微乳液法合成发光二氧化硅包覆CdS/CdSe/CdS纳米颗粒。图13展示合成QDs和QDs@SiO₂的TEM图像。受保护的QDs表现出优异耐酸和热稳定性，为满足特殊应用需求的进一步修饰提供可能。

CdSe/CdS核壳QDs薄壳（a）及包覆二氧化硅后CdSe/CdS@SiO₂（d）；CdSe/CdS核壳QDs厚壳（b）及包覆二氧化硅后CdSe/CdS@SiO₂（e）；CdS/CdSe/CdS核壳QDs（c）及包覆二氧化硅后CdS/CdSe/CdS@SiO₂（f）[46]

直接胶束辅助法

反向微乳液法要求发光染料水溶。反之，脂溶性初始胶束是直接胶束法主要特征，水解反应发生在胶束周围（图11c）。二氧化硅聚集需要前驱体。常规工艺中，发光染料经硅烷偶联剂（如APS）修饰形成辅助胶束。初始修饰胶束确保TEOS缩合在其周围发生。Kumar等人[26]以偶联APTES的罗丹明B为初始胶束，在油包水体系成功合成罗丹明共价有机修饰二氧化硅纳米颗粒，并进一步修饰不同官能团（巯基、氨基、羰基等）作为细胞荧光探针。

表面活性剂作用不仅体现在二氧化硅合成，也体现在介孔二氧化硅合成。合成介孔二氧化硅常用煅烧法。大比表面积和可修饰表面使介孔二氧化硅纳米颗粒成为完美载体。除医药载药应用价值外，在荧光粉载载领域也有重要前景。Li Wang等人[68]将CDs与光化学稳定性好的空心介孔二氧化硅微球混合，可用于全范围氧检测。介孔结构赋予其独特性。Bin Xie等人[69]通过溶胀蒸发法将CdSe/ZnS核壳QDs掺入介孔二氧化硅微球。Ali Aldalbahi等人[70]经改性Stöber法在Gd₂O₃:Eu荧光粉表面包覆介孔二氧化硅层。因二氧化硅封装，修饰后Gd₂O₃:Eu纳米颗粒展现优异溶解性和生物相容性。

其他方法

合成LSNs的其他方法包括化学气相沉积（CVD）[71]、水热法[51]、氨基酸催化种子再生长技术[72,73]。

Lianzhen Cao等人[71]通过CVD和热退火合成SiC/SiO₂。热CVD法在SiC核上沉积Si，氧化后得SiO₂壳。退火SiC/SiO₂纳米颗粒在蓝绿区显示窄发光。该合成法为核壳纳米材料制备提供新途径。

Chandra等人[51]利用四溴化硅（SiBr₄）和APTS合成更小的荧光二氧化硅纳米颗粒（1-2 nm）。在高压釜中加热至200℃是核心步骤。经透析、离心等进一步纯化得最终产物。二氧化硅纳米颗粒发射亮蓝光，光致发光量子产率约34%，同时无光漂白、生物相容性好。

表面修饰使LSNs更适应复杂应用[74]。硅烷偶联剂是最常用化学修饰法（如前所述）。丰富羟基提供进一步修饰反应位点。水解缩合后，不同官能团的硅烷偶联剂键合在二氧化硅表面。VTES（-CH=CH₂）缩合合成超疏水二氧化硅[76]。Ming Ma等人基于APTS的-NH₂通过RAFT聚合在表面接枝PEGMA和DMEAA[77]。表面修饰增强其在复杂环境中适应性，配合适当材料可获改善的发光性能。

这些方法中，制备LSNs有两大核心思路：一是发光染料在二氧化硅源开始水解时直接加入反应体系；二是发光染料通过硅烷偶联剂等试剂在二氧化硅网络建立前或后与二氧化硅建立化学键。针对特定结构LSNs，需选择设计合适的合成路线。

发光二氧化硅纳米颗粒的应用

光是人类认识世界最直观工具。具有特殊发射的发光材料可直接用于照明、显示等。同时，荧光强度变化可反映重要信息。与单独发光染料相比，LSNs应用性能更优，因二氧化硅为发光染料提供稳定基质，同时实现多功能[6]。具多功能和可调表面的LSNs在生物、照明、传感器领域具有巨大应用前景和发展潜力。

生物标记与医药

LSNs在生物学应用价值巨大。无毒性是医学领域基本要求，尤其是体内应用[78]。常见发光染料常有毒性，限制临床应用[79]。二氧化硅作为无毒修饰材料，是消除毒性的良策。In-Yong Kim等人[80]详细研究了二氧化硅纳米颗粒（20-200 nm）毒性。尺寸、剂量、细胞类型依赖性细胞毒性是研究重点。虽然高剂量导致细胞活力不成比例下降，但60 nm二氧化硅纳米球在10 μg/ml浓度下显示良好生物相容性。不同细胞对二氧化硅纳米颗粒耐受性不同，表明临床试验前需充分测试。虽吸入二氧化硅颗粒可致矽肺等急慢性疾病[81]，但纳米尺度二氧化硅仍有生物应用潜力。Yuhui Jin等人[38]从DNA层面到细胞层面详细测试了RuBpy掺杂LSNs毒性。在特定浓度下，染料掺杂发光二氧化硅纳米颗粒对靶DNA和细胞无毒，表明LSNs是无毒修饰的良策。Xiqi Zhang等人[27]经一锅法改性Stöber法将AIE染料（An18，源自9,10-二苯基蒽衍生物，含烷氧基末端）封装入二氧化硅纳米颗粒。二氧化硅包覆带来发光强度增强、良好水溶性、对活细胞无毒性，使An18-SiO₂ NPs具生物医学应用潜力。

LSNs在诊断和生物标记中应用价值大。针对混合成像对比剂，Dong Kee Yi等人[48]将磁性颗粒（MPs）Fe₂O₃与QDs（CdSe）结合，经反向微乳液法包覆二氧化硅壳。图14清晰展示MPs与QDs纳米结构。磁共振成像（MRI）是疾病检测有效手段，尤其是癌症。其使用便捷、低成本、诊断准确等优势使其作为诊断工具更普及[7]。纳米复合材料可同时作为光学和MRI对比剂。值得注意的是，CdSe存在增加了含γ-Fe₂O₃颗粒的有效磁各向异性。这是良好尝试，但低量子产率（SiO₂/MP-QD 1.1% 对 CdSe 11.4%）限制实际效果。Willam J. Rieter等人[39]也合成相同多功能纳米复合材料。不同之处在于选用[Ru(bpy)₃]Cl₂为发光核心，顺磁性Gd配合物经水包油反向微乳液法包覆在发光核心上，最后同样嵌入二氧化硅。图15结果证明混合二氧化硅纳米颗粒在生物成像中具有良好光学和MRI性能。Mengchao Shi等人[32]制得掺铕介孔二氧化硅纳米球（Eu-MSNs）。纳米尺寸（280-300 nm）和荧光性质是理想生物标记材料基础。他们发现Eu-MSNs对成骨和血管生成诱导有积极影响。通过促进巨噬细胞适当反应和相关基因表达，Eu-MSNs可加速骨缺损修复和皮肤伤口愈合。除生物标记功能外，LSNs展现组织修复潜力。LSNs可通过修饰特异基团实现靶向结合。Duarte等人[33]选用有机硅烷Bpy-Si作为Eu配合物配体进一步与二氧化硅反应。获得尺寸均一（28±2 nm）的SiO₂-[Eu(TTA)₃(Bpy-Si)]纳米颗粒。进一步修饰氨基酸间隔基和锚定基（抗大肠杆菌，IgG1），功能化二氧化硅与大肠杆菌特异性结合，易通过发光获取大肠杆菌分布。Laranjeira等人[82]深入研究LSNs生物多功能。钆（Gd）复合物具独特磁性，在MRI对比剂有潜力，但Gd³⁺离子对人体肾脏和胰腺有毒。选用GdOHCO₃纳米颗粒为MRI对比核心，经Stöber法包覆二氧化硅层。二氧化硅包覆后Gd复合物（SiGdOHCO₃）在设计pH值（5.5、6.0、7.4）下MRI对比图像亮度不变且无降解。细胞增殖实验显示SiGdOHCO₃对人成纤维细胞影响小，表明优异生物相容性。二氧化硅为GdOHCO₃提供更稳定环境和进一步修饰可能，不影响MRI性能。Atabaev等人[83]通过多种胶束法合成Gd₂O₃:Tb³⁺,Eu³⁺@SiO₂纳米颗粒，可同时作为体内MRI对比剂和荧光剂。上述两例完美体现LSNs在二氧化硅平台上实现多功能的作用。

a SiO₂/MP-QD纳米颗粒TEM图像，b HRTEM图像[48]

单核细胞成像结果：a 光学显微镜，b 激光扫描共聚焦荧光，c、d MRI图像：左侧未标记单核细胞，右侧混合二氧化硅纳米颗粒标记单核细胞，e 空白及混合二氧化硅纳米颗粒标记单核细胞流式细胞术结果，f 不同量混合二氧化硅纳米颗粒细胞活力[39]

LSNs在药物递送中应用价值大。Hongmin Chen合成经靶向基序生物功能化的发光介孔二氧化硅纳米颗粒，使其适用于药物递送[47]。他们先制备含APS的介孔二氧化硅颗粒，400℃煅烧2 h。借助十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）合成介孔二氧化硅。煅烧后二氧化硅基质中仍有发光碳点。380 nm激发时荧光强度最大。在APS帮助下以RGD肽表面修饰实现FL-SiO₂靶向选择性。他们还研究RGD-FL-SiO₂对多柔比星（Dox）的负载与释放。煅烧后荧光介孔二氧化硅（FL-SiO₂）仍能有效负载Dox，多孔结构未受煅烧影响。体内成像研究发现RGD-FL-SiO₂在肿瘤血管周围荧光效果好，整合素αᵥβ₃是相互作用关键。虽有许多将LSNs应用于医学的优秀尝试，但人体临床成功案例较少，意味着真正医学应用仍有漫漫长路。

发光器件

凭借特殊发射特性，LSNs在发光领域也扮演关键角色，包括场发射和液晶显示技术[84]。WLED因在通用照明和显示等广泛应用而备受关注。可调色彩、高色纯度、高发光效率符合发光二极管（LED）要求[85]。量子点基发光二极管（QD-LEDs）近年展示，与传统LED和有机发光二极管（OLEDs）技术相比，在色纯度、稳定性、生产成本方面可能具优势，同时达到相似效率。为提升聚合物点（Pdots）作为WLED荧光粉性能，Kaiwen Chang等人[49]将不同发射波长Pdots引入Stöber体系封装。二氧化硅封装Pdots保持相同发光性能但光稳定性显著增强。

为降低全彩显示制造复杂性，更希望用通用器件结构实现三基色（蓝、绿、红）高效发光。QDs因高发光强度、窄发射谱、可调发射等独特发光性质广泛用于显示领域。Chun Sun等人[34]合成钙钛矿QDs CsPbBr₃作为WLED发光核心。仅钙钛矿QDs不足以构成LED器件，光学器件长时间工作和高温下需光稳定性和稳定性。不同卤化物QDs纳米颗粒间阴离子交换反应会拓宽窄发射谱。为避免氧化分解，在APS中制备QD/二氧化硅复合材料。他们用APTES作QDs封端剂，改进二氧化硅包覆工艺避免QDs分解。合成绿、红QD/二氧化硅复合材料，结合蓝光LED芯片得WLED。该WLED性能优异，空气稳定性好（图16）。

WLED光学性能：a 发射光谱，b CIE色坐标及WLED色域三角形（红虚线）与NTSC电视标准（黑虚线），c 功率效率，d 工作一段时间后发射光谱[34]

LSNs可保持QDs良好分散性、亮度和光稳定性。Hung-Chia Wang等人[35]提供QDs与二氧化硅新复合方法（图17）。将QDs与孔径大于QDs的介孔二氧化硅粉末在非极性溶液中混合，洗涤干燥得介孔二氧化硅绿色PQD纳米复合材料。量子点复合二氧化硅后热稳定性和光稳定性提升。另一方面，QDs是典型聚集致淬火（ACQ）纳米颗粒，需保持良好分散以获良好亮度和光稳定性。Kai Jiang等人[86]以对苯二胺为前驱体合成红、绿、蓝发光碳点增强发光性能（溶液态和聚乙烯醇(PVA)膜态）。但固态CDs存在淬火效应，因团聚导致的Förster共振能量转移（FRET）对LED器件致命。为避免分散导致的FRET现象，Junli Wang等人[36]将碳点嵌入二氧化硅基质（图18）：将碳点分散在N-(3-(三甲氧基硅基)丙基)乙二胺（KH-792）中加热形成均匀CD/二氧化硅膜。将CD/二氧化硅溶液干燥在内壁制造白光LED。二氧化硅助力CDs以适当距离良好分散无淬火，提升粉末性能。图18展示发射光谱及WLED性能。CIE坐标(0.44, 0.42)和相关色温（CCT）（2951 K）表明适合室内照明。

a MP-CsPbBr₃PQDs形成过程。b 发光强度及WLED色域三角形[35]

WLED性能：a 发射光谱，b CIE色度及CCT[36]

传感器

发光二氧化硅在静态发光材料如生物标记、WLED荧光粉上表现优异，基于其独特稳定的光学性质。在动态发光材料方面，LSNs同样表现出色[9]。以下以pH[28]、离子[87]、温度[40]传感器为代表。

pH值对发光强度影响大，激发了发光pH传感器研究。同ref.[22]原理，Atabaev等人合成同类比率pH传感器[28]。选FITC为pH依赖发光染料，Y₂O₃:Eu³⁺为pH稳定染料。经Stöber法二氧化硅包覆，成功合成Y₂O₃:Eu³⁺@SiO₂与FITC复合NPs。pH变化通过荧光强度比(I_FITC/I_Y₂O₃:Eu³⁺)反映。标准染料减小浓度影响，提高准确性。

LSNs也可作离子传感器。基于发光强度随测量物理量变化，LSNs利用发光环境依赖效应应用于多种传感器领域。淬火效应是检测离子、pH值等淬火因子变化的有效手段，外部淬火机制包括FRET和光诱导电子转移（PET）[9]。金属离子传感器在细胞内或开放系统均重要。Won Cho等人[37]合成铕(III)配位聚合物（EuCP），发现Cu²⁺特异性淬火效应（图19）。基于此合成二氧化硅@EuCP微球，以更少铕含量保持对Cu²⁺相同灵敏度。作为辅助材料，二氧化硅可有效减少传感材料用量。两者各有独特适用场景。除淬火效应外，其他效应也可用于传感器领域。2,2-二吡啶甲胺（DPA）及其衍生物对重离子亲和力好，螯合重离子后产生增强发光效应。Yu Ding等人[29]用N,N'-双(吡啶-2-基甲基)乙烷-1,2-二胺修饰二氧化硅球（图20）。通过荧光强度变化测定样品中重离子（Cd²⁺、Hg²⁺、Pb²⁺）浓度。真实水样和模拟生物样本测试确认重金属离子结合能力和检测性能，在水质监测等领域有应用前景。

a 二氧化硅@EuCP微球共聚焦显微镜及OM（插图）图像。b 不同Cu(NO₃)₂浓度MeCN溶液发光光谱；发光强度变化（c）及照片（d），不同金属离子溶液（5 mM）[37]

灵敏荧光传感器（FSCHP）形成与传感过程示意图[29]

温度传感器也是LSNs重要应用。温度是大多数科学领域基础变量。辐射和非辐射跃迁速率的温度依赖性是温度传感核心，使发光温度传感成为可能，具有非接触和大面积优势[9]。但为实际应用，稳定性至关重要，因应用环境比实验条件更复杂。二氧化硅是改善其应用性能的理想基质。Mirenda等人[40]合成二氧化硅核，再水解TEOS与Ru(bpy)₃Cl₂形成Ru(bpy)₃@SiO₂ NPs。Ru(bpy)₃@SiO₂ NPs发射光谱（图21）显示，随温度升高强度线性下降，因活化非辐射³d-d态（20-60℃，λ_exc=463 nm）。聚乙烯亚胺（PEI）修饰玻璃负载Ru(bpy)₃@SiO₂ NPs显示相同趋势，证明其温度传感潜力。20-60℃循环至第七圈相对斜率下降，表明需预处理获稳定传感材料。温度对探针影响复杂，需研究探针温度依赖发光以应用于温度传感器。温度是支配生物细胞生命周期中多种细胞内化学物理相互作用的基础变量。温度变化反映细胞代谢水平。掺Er³⁺（1 mol%）和Yb³⁺（1 mol%）的GdVO₄有潜力作温度传感器。为提升温度传感性能，Savchuk等人[41]经Stöber法在纳米颗粒表面包覆二氧化硅壳。Er,Yb:GdVO₄荧光强度比（FIR）I₅₂₀/I₅₅₀在297-343 K范围内与温度呈线性关系（980 nm激发）。探针获增强热灵敏度、高热分辨率及不同溶剂中良好稳定性。图22展示的体外实验监测温度演变结果证明Er,Yb:GdVO₄@SiO₂核壳纳米颗粒在生物医学应用中作为温度传感器具有良好热分辨率。

a 不同温度下Ru(bpy)₃@SiO₂ PL光谱。b 峰强度随温度变化[40]

a Er,Yb:GdVO₄和Er,Yb:GdVO₄@SiO₂不同温度下I₅₂₀/I₅₅₀。b 体外温度测定实验示意图。c Er,Yb:GdVO₄@SiO₂与热敏电阻Pt-100时间演变温度结果[41]

结论

本文具有多种功能的LSNs表明二氧化硅是发光染料的理想宿主材料。相关参数可视化是发光染料最特殊特征。各类发光材料各有优势，但仍有缺陷限制应用。在二氧化硅保护下，LSNs具备亮度提升、光稳定性增强、热稳定性改善等优势。同时为荧光粉提供多功能平台，使其具备多功能性和特异性修饰可能。优异性能、可调适应性、潜在多功能性拓宽了荧光材料应用。LSNs在太阳能电池、光催化剂等未提及领域潜力巨大。但将LSNs应用于实际物种仍有漫漫长路。复杂条件下选择性差、信噪比低是制约LSNs实际应用的因素，需进一步研究。荧光粉与LSPR金属间明确距离值得更多研究以获正向效应。许多具有优异发光性能的新发光材料已开发，意味着需改进传统合成方法获取LSNs。二氧化硅是传统修饰材料，但LSNs仍具巨大发展潜力。

缩略语

ACQ:

聚集致淬火

AIEgen:

聚集诱导发光发光体

AMP:

腺苷5'-单磷酸

An18:

源自9,10-二苯基蒽含烷氧基末端的聚集诱导发光有机荧光原

APS:

(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷

APTES:

3-氨基丙基三乙氧基硅烷

APTS:

(3-氨基丙基)三甲氧基硅烷

B:

蓝

BAM:

生物锚定膜

CCT:

相关色温

CDs:

碳点

CDSP:

碳点-二氧化硅-荧光粉复合材料

CIE:

国际照明委员会

CLSM:

共聚焦激光扫描显微镜

CRI:

显色指数

CTAB:

十六烷基三甲基溴化铵

CVD:

化学气相沉积

DDT:

1-十二烷基硫醇

Dox:

多柔比星

DPA:

2,2-二吡啶甲胺

F127:

聚(乙二醇)-嵌段-聚(丙二醇)-嵌段-聚(乙二醇)

FIR:

荧光强度比

FITC:

荧光素异硫氰酸酯

FL-SiO₂:

荧光介孔二氧化硅

FRET:

福斯特共振能量转移

FSCHP:

灵敏荧光传感器

FSNP:

荧光二氧化硅纳米颗粒

G:

绿

H:

水/TEOS比

HPTS:

8-羟基芘-1,3,6-三磺酸

HRTEM:

高分辨透射电镜

IgG1:

抗大肠杆菌

KH-792:

N-(3-(三甲氧基硅基)丙基)乙二胺

LEDs:

发光二极管

LSN:

发光二氧化硅纳米颗粒

LSPR:

局域表面等离子体共振

MPS:

3-巯基丙基三甲氧基硅烷

MPs:

磁性颗粒

MQDs:

磁性量子点

MRI:

磁共振成像

MTT:

甲基噻唑蓝

NIR:

近红外

NTSC:

美国国家电视系统委员会

OLEDs:

有机发光二极管

OSNC:

有机二氧化硅纳米晶体

OTES:

正辛基三乙氧基硅烷

PBS:

磷酸缓冲液

Pdots:

聚合物点

PEI:

聚乙烯亚胺

PET:

光诱导电子转移

PVA:

聚乙烯醇

PVIS:

聚(1-乙烯基咪唑-共-乙烯基三甲氧基硅烷)

QD655:

一种商业量子点

QD-LEDs:

量子点基发光二极管

QDs:

量子点

R:

红

R:

水/表面活性剂比

RBL-2H3:

大鼠嗜碱性白血病肥大细胞

SEM:

扫描电镜

TEM:

透射电镜

TEOS:

四乙氧基硅烷

TPETPAFN:

含两个四苯乙烯基团和分子内电荷转移核的典型荧光原

TRITC:

四甲基罗丹明异硫氰酸酯

UC:

上转换

UCNP:

上转换纳米颗粒

UCNPs@SiO₂@EuTP:

NaGdF₄:Yb,Er@SiO₂@Eu(TTA)₃Phen

UV:

紫外

VTES:

乙烯基三乙氧基硅烷

WLED:

白光发光二极管