稀土纳米晶的上转换发光调控研究进展EI北大核心CSCD

近年来,将近红外光转换为短波长的可见或近红外光的稀土纳米晶上转换发光研究吸引了生物成像、纳米温度传感、太阳能电池等领域研究者的广泛关注。面向多领域的应用需求,稀土纳米晶上转换发光需提高其发光强度、发光波长以及激发波长的选择性。本文综述了纳米尺度上,通过组成、结构以及核壳结构的设计,在理解上转换发光过程的能量传递路径和上转换发光过程的基础上,提高对上转换发光的颜色、各跃迁的比例以及发光强度、发光寿命等调控的研究进展。此外,还关注了纳米晶与贵金属表面电场、表面有机分子以及环境温度的耦合在提高辐射跃迁几率、减少无辐射能量损失等方面提高其上转换发光强度的研究发展趋势。     

利用核壳结构实现纳米颗粒的多色上转换发光

将多色荧光标记技术应用于生物信息检测可实现快速、实时、同步大规模检测目标生物分子的目的,利用上转换纳米粒子作为多色荧光探针可有效地避免生物组织自荧光对检测信号的影响。本文制备了具有核-壳结构的稀土氟化物纳米粒子,并通过在核与壳不同位置共掺杂不同浓度的敏化离子和发光离子来改变发光离子各发射峰之间的相对强度。利用不同颜色和强度的发射光谱实现了纳米粒子的多色上转换发光。利用透射电子显微镜成像、X射线衍射分析、发光光谱等测量手段对多色上转换发光纳米粒子进行了形貌、结构和上转换发光性质的表征。实验结果表明,具有核-壳结构的纳米粒子尺寸小于30 nm,呈球形。在980 nm红外光激发下,纳米粒子呈现从红色到蓝紫色的颜色可变的上转换发光。     

基于等离激元纳腔的单颗粒稀土掺杂纳米晶上转换发光光谱调控

等离激元纳腔可有效调控稀土掺杂纳米晶的上转换发光特性,其不仅能增强上转换发光强度,还可实现上转换发光光谱的调节.然而,目前利用纳腔进行上转化发光光谱调节的研究主要基于系综实验.相比系综实验,单颗粒实验由于可对同一颗上转换纳米晶进行对比研究,因而能够排除系综样品非均匀性对实验的影响.本文基于原子力显微镜原位纳米操纵技术将...     

3d~5金属离子共掺杂NaYF_4:Yb,Er纳米晶的上转换发光

采用水热法制备了Mn~(2+)/Fe~(3+)共掺杂的NaYF_4上转换纳米晶,通过改变掺杂浓度来调控晶相、晶粒尺寸以及上转换荧光发射强度。以Fe~(3+)共掺杂的上转换纳米晶为晶核,通过改变反应时间来调控SiO_2壳厚度,观察到上转换荧光发射强度在反应4 h的条件下出现最大值。Mn~(2+)/Fe~(3+)共掺杂的上转换纳米晶样品整体上转换荧光强度分别提高到3.7倍和4.5倍,同时Fe~(3+)共掺样品的红色上转换荧光增强近7倍。基于近红外980 nm激光激发下的稳态光谱研究,提出Yb~(3+)-过渡族离子和Er~(3+)之间的能量传递以及晶场对称性的改变引起了这种增强效应,随着过渡族离子掺杂浓度的增加,过渡族离子之间的交换相互作用导致上转换荧光的猝灭。     

利用共价键镶嵌上转换纳米晶制备发光NaYF_4-PMMA纳米复合聚合物

在NaYF_4纳米晶表面修饰不饱和基团,与甲基丙烯酸甲酯单体共聚,制备了NaYF_4-PMMA发光纳米复合聚合物。采用共价键将纳米晶镶嵌在聚合物基质中,可实现纳米粒子均匀、稳定、高浓度的掺杂。所使用的纳米发光材料为NaYF_4∶20%Yb,2%Er和NaYF_4∶20%Yb,1.5%Tm。NaYF_4∶20%Yb,2%Er纳米晶的尺寸为9~14 nm,NaYF_4∶20%Yb,1.5%Tm纳米晶的尺寸为11~15 nm。在980 nm红外光的激发下,NaYF_4∶20%Yb,2%Er-PMMA发出明亮的黄光,NaYF_4∶20%Yb,1.5%Tm-PMMA发出明亮的蓝光,分别与其对应的发光纳米晶的发射光谱完全一致。实验结果表明:NaYF_4-PMMA材料透明性良好,稳定性高,上转换发光强度大。这种上转换发光纳米复合聚合物在显示领域,特别是在真三维显示方面具有潜在的应用前景。     

强上转换发光的LiLu_(1-x)Yb_xF_4∶Tm@LiGdF_4核壳纳米晶的制备

利用高温热分解法制备了LiLuF_4∶Yb,Tm@LiGdF_4核壳纳米晶。在980nm激光激发下,与未包覆的样品相比,LiLuF_4∶Yb,Tm@LiGdF_4核壳纳米晶的发光增强了15倍左右,这主要是因为通过惰性壳层的包覆可以有效抑制表面猝灭效应。另外,随着核中Yb~(3+)离子的摩尔分数从20%增加到100%,上转换发光强度逐渐增大,最大增加了12.4倍左右。这主要是由于增加Yb~(3+)离子的浓度可以增加纳米粒子对激发光的吸收和提高Yb~(3+)到Tm~(3+)的能量传递速率。所制备的LiYbF_4∶2%Tm@LiGdF_4核壳纳米晶的发光效率高达4%。     

氨基磷酸辅助的水热合成NaYF4:Yb3+,Er3+纳米晶及其上转换发光

以氨基磷酸为螯合剂,通过共沉淀与水热法相结合,成功地制备出NaYF4:Yb3+,Er3+纳米晶.研究结果表明:水热前后NaYF4:Yb3+,Er3+纳米晶均为立方相结构,其颗粒大小约为80nm.在980 nm近红外光激发下,实现了样品的上转换发光.样品的上转换绿红光发射带归因于Er3+的2H11/2,4S3/2→4 I15/2和4F9/2 →4I15/2能级的跃迁.水热处理后的样品的上转换发光强度与水热处理前相比有了很大的增强.水热处理后,样品表面的有机配体的减少和样品结晶度的提高是样品上转换发光显著增强的主要原因.     

氨基磷酸辅助的水热合成NaYF4:Yb3+,Er3+纳米晶及其上转换发光

以氨基磷酸为螯合剂,通过共沉淀与水热法相结合,成功地制备出NaYF4:Yb3+,Er3+纳米晶.研究结果表明:水热前后NaYF4:Yb3+,Er3+纳米晶均为立方相结构,其颗粒大小约为80nm.在980 nm近红外光激发下,实现了样品的上转换发光.样品的上转换绿红光发射带归因于Er3+的2H11/2,4S3/2→4 I...     

Encapsulation of Photosensitizers and Upconversion Nanocrystals in Lipid Micelles for Photodynamic Therapy

Photodynamic therapy (PDT) is a promising method for cancer therapy. However, it is constrained by limited penetration depth of visible light, hydrophobicity of photosensitizers, and lack of tumor targeting. In this work, the photosensitizer zinc phthalocyanine (ZnPc) and upconversion nanocrystals (UCNs) are encapsulated into OQPGA‐PEG/RGD/TAT lipid micelles. The UCNs acting as a nanotransducer convert deep‐penetrating near‐infrared (NIR) light to visible light for activating the photosensitizer. OQPGA‐PEG/RGD/TAT lipid micelles are used as a carrier for the photosensitizer, with improved biocompatibility and cancer‐targeting ability. The results show that the photosensitizer ZnPc‐ and UCNs‐loaded OQPGA‐PEG/RGD/TAT lipid micelles are nanoparticles with an average size of 25 nm. The lipid micelle nanoparticles are stable in water with low leakage of photosensitizer. The absorption peak of the photosensitizer overlaps with the emission peak of UCNs, so the visible fluorescence emitted from the UCNs upon excitation by the NIR laser at 980 nm can activate the photosensitizer to produce singlet oxygen for PDT. The targeting RGD peptide and cell‐penetrating TAT peptide on the surface help the nanoparticles getting into cancer cells. The OQPGA‐PEG/RGD/TAT lipid micelles encapsulated with both the photosensitizer ZnPc and UCNs could be used for targeted PDT by using deep‐penetrating NIR light as the light source.     

普通单模石英光纤中频率上转换过程的研究

介绍了在普通通讯用单模ＧｅＯ２／ＳｉＯ２石英光纤中从近红外到可见光的频率上转换过程。利用１．３１３μｍ的调Ｑ锁模Ｎｄ：ＹＬＦ激光脉冲泵浦单模石英光纤，产生了５８８ｎｍ的黄光，峰值功率达２０Ｗ，对应０．０９％的转换效率。     

兼具三线态-三线态湮灭上转换与单光子吸收上转换特性的氮杂蒽衍生物发光性能研究

弱光上转换是将低能量光子转换为高能量光子的过程,在三维荧光显微成像、太阳能电池、光催化等领域具有广泛的潜在应用,因而成为有机荧光材料领域的热点课题。目前基于三线态-三线态湮灭机制有机弱光上转换材料（TTA-UC）的研究已较为深入,有关发光机理及应用研究均有较多报道;然而针对另一种有机弱光上转换机理——基于单光子热带吸收的弱光上转换（OPA-UC）的研究目前还较为少见。氮杂蒽衍生物由于具有良好的结构刚性和平面性,高的荧光量子产率,是研究TTA-UC和OPA-UC两种有机上转换发光的理想模型分子结构。通过研究比较三种氮杂蒽衍生物：酚藏花红（PSF）、藏红T（SFT）、亚甲基紫（MTV）各自TTA-UC和OPA-UC的发光性能差异,分析探讨了分子结构对OPA-UC发光性能及TTA-UC敏化效率的构效关系。实验发现酚藏花红和藏红T由于具有较高的荧光量子产率,同时辐射衰减常数较大,其主要衰减过程为辐射衰减;而亚甲基紫具有较高的分子内电荷转移能力(ICT),因而非辐射衰减部分更多。研究三种分子的TTA-UC性能,发现亚甲基紫的三线态能级过低无法进行三线态-三线态能量转移过程,而藏红T由于拥有更高的三线态寿命而具有更高的上转换发光效率(9.69%),是酚藏花红体系(3.16%)的3倍。进一步研究酚藏花红和亚甲基紫的OPA-UC性能差异,发现相同浓度条件(10-3 mol·L-1)下亚甲基紫(0.12%)的OPA-UC发光效率相较于酚藏花红(0.059%)更高,且随着浓度的升高,亚甲基紫的OPA-UC发光增强效应更大。进一步研究表明,在TTA-UC发光过程中,敏化剂的敏化效率主要受分子三线态寿命以及系间窜跃能力影响,寿命越长,系间窜跃能力越强,敏化效率越高;而在OPA-UC发光过程中,湮灭剂分子的发光学率主要受ICT影响,ICT能力越大,分子发光效率越高。使用氮杂蒽分子廉价易得,对未来高性能TTA-UC和OPA-UC发光分子的设计具有一定的实际意义。     

Ho3+离子掺杂单颗粒氟化物微米核壳结构的上转换发光特性

构建核壳结构可有效降低材料的表面缺陷及实现掺杂离子的可控区域分布,已成为目前增强及调控材料发光特性的有效手段之一.为此,本文以外延生长技术,构建了一系列NaLnF₄(Ln=Y,Yb,Ho)@NaLnF₄(Ln=Y,Yb)核壳微米结构,并实现了Ho³⁺离子上转换发光的增强及可控调节.借助共聚焦显微光谱测试系统,在980 nm近红外激光激发下,研究Ho³⁺离子在不同单颗粒核壳结构中的上转换发光特性.结果表明,当包覆NaYF₄惰性壳时,NaYF₄:Yb³⁺/Ho³⁺及NaYbF₄:Ho³⁺微米棒的上转换发射强度均得到了明显增强,而NaHoF₄@NaYF₄微米核壳结构的发射强度却没有发生明显的变化.当在其NaYF₄惰性壳中引入Yb³⁺离子时,NaYF₄:Yb³⁺/Ho³⁺,NaYbF₄:Ho³⁺及NaHoF₄微米核壳结构的发射强度及红绿比均再次得到了明显增强.基于对其光谱特性及动力学过程的研究,其发射增强主要由于壳层中的Yb³⁺离子通过能量迁移及传递过程有效地提高Ho³⁺离子激发,进而在双向协同的作用下实现其发光有效增强及色彩调控.由此可见,对于微米晶体而言,构建其不同的核壳结构不仅可实现其发光有效增强,且可根据掺杂离子的不同及其区域分布实现光谱的精准调控,为拓展高效发光特性的微米晶体在防伪、微纳光电器件等领域的应用提供新途径.     

非稀土掺杂协同核壳包裹对氟化物纳米晶上转换发光性能的增强

为提高上转换纳米晶的发光效率,提出协同增强的策略,将核壳包裹和非稀土离子掺杂两种方式进行有效的结合,使上转换纳米晶的发光效率实现"1+12"的增强效果。以Na Gd F_4作为基质材料,Yb~(3+)和Er~(3+)分别作为敏化离子和发光离子,以Li~+离子和Na Gd F_4作为非稀土掺杂离子和包裹壳层来构建核/壳纳米结构,研究两种增强方式的协同作用对Na Gd F4∶Yb~(3+)/Er~(3+)纳米晶的上转换发光性能的影响。结果表明,Li+离子掺杂与包裹Na Gd F4壳层共同作用使得β-Na Gd F4∶Yb~(3+)/Er~(3+)纳米晶的上转换发光增强了39倍,明显优于单一方式的增强效果。通过一系列的优化实验结果发现,Li+离子的最佳掺杂摩尔分数为4%。基于以上实验结果,给出了非稀土离子掺杂核壳纳米晶协同增强上转换发光效率的机理。     

Highly Bright and Photostable Li(Gd,Y)F4:Yb,Er/LiGdF4 Core/Shell Upconversion Nanophosphors for Bioimaging Applications

Intense green‐emitting Li(Gd,Y)F₄:Yb,Er/LiGdF₄ core/shell (C/S) upconversion nanophosphors (UCNPs) with a tetragonal bipyramidal morphology are synthesized. The morphology and UC luminescence of the Li(Gd,Y)F₄:Yb,Er UCNPs are significantly affected by the Li precursors, and bright UC green‐emitting Li(Gd,Y)F₄:Yb,Er UCNPs with a tetragonal bipyramidal shape, i.e., UC tetragonal bipyramids (UCTBs), are synthesized using LiOH·H₂O as a Li precursor. A LiGdF₄ shell is grown on the Li(Gd,Y)F₄:Yb,Er UCTBs, and the C/S UCNPs exhibit 4.7 times higher luminescence intensity than core UCTBs. The C/S UCNPs show a high absolute UC quantum yield of 4.6% under excitation with 980 nm near infrared (NIR) light, and the UC luminescence from the C/S UCNPs is stable under continuous irradiation with the 980 nm NIR laser for 1 h. The hydrophobic surfaces of the as‐synthesized C/S UCNPs are modified to hydrophilic surfaces by using poly(acrylic acid) (PAA) for bioimaging applications. They are applied to human cervical adenocarcinoma (HeLa) cell imaging and SK‐MEL‐2 melanoma cell imaging and in vivo imaging, including subcutaneous and intramuscular imaging, and UC luminescence images with high signal‐to‐noise ratio are obtained. Furthermore, sentinel‐lymph‐node imaging is successfully conducted with the PAA‐capped Li(Gd,Y)F₄:Yb,Er/LiGdF₄ C/S UCNPs under illumination with NIR light.     

Er玻璃近红外区上转换发肖的研究

研究了Er,Yb共掺磷酸盐玻璃的上转换发光.对于在800nm附近的近红外发光进行了分析,认为该发光带是由于三种跃迁引起的,除了常见的4F9/2→4I15/2跃迁以外,还存在着