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上转换纳米材料发光机理和光学性能在生物应用方面的简述

更新时间:2022-09-13点击次数:1131

上转换纳米发光材料(UCNPs)是一种能在长波长光激发下发出短波长光的发光材料.UCNPs在980 nm红外光激发下,能发出不同颜色的可见光,可以提高信噪比,所以UCNPs在三维立体显示、上转换激光器、红外探测、生物成像及生物检测等方面有普遍的应用前景。
上转换纳米材料的发光机理:

上转换发光过程主要来自于稀土离子内4f-4f轨道电子跃迁。在外层的5s和5p电子屏蔽下,稀土离子的4f电子能够发出尖锐的线状发射峰,从而能很好地抗光漂白和光降解。此外,虽然稀土离子内层4f电子跃迁基于量子选择力学是禁止的,但是局部晶体场诱导混合更高电子构型的f组态后,4f电子间可以发生弛豫。由于4f-4f电子间跃迁禁止,三价稀土离子通常具有长寿命发光(达毫秒级别),因此其激发态能够连续吸收几个光子,并且允许激发态离子间发生相互作用,从而发生稀土离子间的能量转移过程。掺杂稀土离子的这些特点决定了基本的上转换发光机制,包括激发态吸收、能量转移上转换、光子雪崩、协同能量转移、能量迁移上转换。

上转换纳米材料的合成及其光学性能:

稀土掺杂的NaYF4上转换荧光粉由于优良的化学以及发光性能,包括低声子能量、窄发射峰,长荧光寿命,较强的光稳定性和低毒性,制备上转化发光效率比较高、形貌可控、粒径又相对比较小的纳米粒子,以便用于生物检测应用:  
1、通过水热法,成功合成了大小为100-200nm,晶相单一的球形NaYF4:Yb/Er上转换纳米材料。并通过改变氟源的用量来调整产物的晶相,形貌以及尺寸大小。而通过添加EDTA,使之与稀土金属离子络合,可以限制晶体的形貌生长的各项异性,使之生成漂亮的球形产物。  
2、用微乳液(水/乙醇/油酸钠/油酸/正己烷)的界面控制反应来合成NaYF4:Yb/Er,通过实验制得该体系的相图并找出适合的水包油微乳液,来合成目标上转换纳米材料,TEM和XRD测量表明,所制备的纳米粒子呈球形,单分散,大小均匀,尺寸约为20nm,并具有良好的结晶立方相。这些粒子在非极性有机溶剂中有良好的分散性,并在980nm的激光照射下发出橙色的上转换发光。  
3、通过镧系掺杂,在NaYF4基质中掺杂一定量的稀土金属Gd,综合利用微乳法和水热法来合成上转换纳米材料,且通过改变反应条件,成功合成了小尺寸的六方相晶型的NaYF4,即合成单分散,高产率,小尺寸,纯六方相的上转换发光材料,并用热力学(包括有机表面活性剂影响和“渗透-控制生长"机理影响)及动力学两种方式对小尺寸六方体形貌控制机理。