技术文章

Technical articles
热门搜索：嵌段共聚物 PEG衍生物 上转换纳米颗粒 磷脂脂质体 纳米材料 荧光染料等

当前位置：首页技术文章激发功率可调白色发光的上转换纳米粒子介绍

激发功率可调白色发光的上转换纳米粒子介绍

更新时间：2026-05-19点击次数：21
    激发功率可调白色发光的上转换纳米粒子（Power-Tunable White Upconversion Nanoparticles, PTW-UCNPs）是一类特殊的稀土掺杂纳米材料，能够在单一近红外激光（通常为 980 nm）激发下，通过调控激发功率密度实现从单色到白色的连续发光颜色转变。这类材料凭借其独特的反斯托克斯发光特性、优异的光稳定性和灵活的颜色调控能力，在显示、防伪、生物成像和温度传感等领域展现出巨大应用潜力。

一、核心原理与机制

1. 上转换发光基本原理

上转换发光是一种反斯托克斯过程，指材料吸收两个或多个低能量近红外光子，通过能量传递或多光子吸收过程，发射出一个高能量可见光或紫外光光子。稀土离子（如 Yb³⁺、Er³⁺、Tm³⁺）的 4f 电子层具有丰富的能级结构，是实现上转换发光的理想激活剂和敏化剂。

2. 功率可调白光发射机制

PTW-UCNPs 的核心机制在于不同颜色发射对应不同阶数的多光子过程，其发光强度随激发功率密度呈非线性增长：

  • 绿光发射：通常来自 Er³⁺的 ²H₁₁/₂→⁴I₁₅/₂和⁴S₃/₂→⁴I₁₅/₂跃迁，属于双光子过程（强度∝功率 ²）

  • 红光发射：主要来自 Er³⁺的⁴F₉/₂→⁴I₁₅/₂跃迁，部分为双光子或三光子过程

  • 蓝光发射：来自 Tm³⁺的 ¹G₄→³H₆（~475 nm）和 ¹D₂→³F₄（~450 nm）跃迁，属于三光子或四光子过程（强度∝功率 ³ 或功率⁴）

随着激发功率密度增加，高阶多光子过程（蓝光）的贡献逐渐增大，导致发光颜色从绿色→黄色→白色→蓝色系统性转变。

二、典型结构设计

 核壳结构设计策略

PTW-UCNPs 通常采用多层核壳结构，以实现高效能量传递和颜色平衡，主要包括以下几种设计：
结构类型组成示例核心优势
核 @壳NaYbF₄:Er/Tm@NaYF₄减少表面猝灭，提高发光效率
核 @壳 @壳NaGdF₄:Er@NaGdF₄@NaGdF₄:Tm隔离 Er³⁺和 Tm³⁺，防止交叉弛豫
多层壳C-SSSS（核 - 壳 - 壳 - 壳 - 壳）精确控制能量转移，实现低功率白光
异质结构LiYbF₄:Er/Tm@LiYF₄利用锂氟化物基质增强上转换效率


三、性能调控与优化

1. 功率密度调控范围

典型的 PTW-UCNPs 在5-20 W/cm²的 980 nm 激光功率密度范围内实现从绿色到白色的转变，部分优化结构可在更低功率（<5 W/cm²）下实现白光发射。

2. 关键优化参数

  • 掺杂浓度：Er³⁺（0.1-1%）和 Tm³⁺（0.1-0.6%）浓度需精确平衡，避免浓度猝灭

  • 壳层厚度：惰性壳层（如 NaYF₄）厚度控制在 1-5 nm，有效隔离激活剂离子

  • 基质选择：NaYF₄和 NaGdF₄是常用的高效基质，LiYbF₄等新型基质可进一步提高发光效率

  • 表面修饰：使用油酸、PEG 等配体提高分散性，或引入功能基团实现生物偶联

四、代表性研究成果

研究团队材料结构性能亮点发表时间
西安交通大学NaGdF₄:Er@NaGdF₄@NaGdF₄:Tm单颗粒白光发射，5-19 W/cm² 功率可调2016
佛山大学 / 湖南大学C-SSSS 核壳结构白光强度是核结构的 37.1 倍，低功率激发2025
应用化学团队LiYbF₄:Er/Tm@LiYF₄结合 940 nm 芯片封装白光 LED2026
RSC Publishing核 / 壳 1 / 壳 2 结构功率密度增加实现绿→红→蓝全色转变2026

五、主要应用领域

1. 光学信息加密与防伪

PTW-UCNPs 的功率依赖性颜色转变使其成为理想的防伪材料，可实现动态信息显示，通过改变激发功率读取不同加密信息，显著提高防伪安全性。

2. 显示与照明

  • 制备上转换白光 LED，结合近红外芯片实现高效、无蓝光危害的照明

  • 用于柔性显示和微型显示器件，利用近红外激发减少光学串扰

3. 生物医学应用

  • 多模态成像：结合近红外激发的深层组织穿透能力和颜色可调特性，实现高对比度生物成像

  • 温度传感：利用不同颜色发射的温度敏感性差异，实现基于发光强度比的温度测量

  • 光动力治疗：通过调控激发功率实现治疗区域的精确控制

4. 传感器与检测

  • 构建功率响应型传感器，用于环境监测和生物分子检测

  • 实现对激发光源功率的精确测量和校准