單紅光上轉(zhuǎn)換熒光納米材料的制備及其熒光增強(qiáng)研究.pdf

1、近年來，鑭系稀土離子摻雜的上轉(zhuǎn)換熒光納米材料在太陽能電池、三維立體成像、生活照明、熒光防偽、生物成像、以及生物光動力治療等眾多領(lǐng)域顯現(xiàn)出了獨(dú)樹一幟的功能，受到了研究人員的青睞。對比其它相似的固體發(fā)光材料：半導(dǎo)體納米熒光材料、量子點(diǎn)熒光納米材料、以及有機(jī)染料熒光材料。上轉(zhuǎn)換納米熒光材料顯示出更高的化學(xué)穩(wěn)定性、更窄的發(fā)射帶、更高的熒光效率、以及更大的反斯托克斯光譜調(diào)制范圍。由于紅外光子在生物細(xì)胞以及生物組織中的穿透深度大，并不激發(fā)生物細(xì)胞自

2、體熒光，因而上轉(zhuǎn)換納米材料是一個理想的生物熒光標(biāo)記以及生物成像的光學(xué)材料。
　　眾所周知，活體的生物細(xì)胞存在一個“光學(xué)窗口”，生物細(xì)胞對光波波段在可見光區(qū)（600-700 nm）以及紅外波段（700-1100 nm）的光的吸收很少。但是波長小于600 nm的光子極易激發(fā)出生物自體熒光，這個自體熒光在生物成像中是背底噪聲的主要部分。而紅外光子在生物細(xì)胞以及生物組織中的穿透深度大，并且不激發(fā)出生物細(xì)胞的自體熒光，因而上轉(zhuǎn)換納米材料是一

3、個理想的生物熒光標(biāo)記以及生物成像的光學(xué)材料。
　　目前研究火熱的上轉(zhuǎn)換納米熒光材料主要是通過Yb3+分別與Er3+、Ho3+、和Tm3+共同摻雜從而產(chǎn)生高效率高穩(wěn)定性的上轉(zhuǎn)換熒光，而這幾種組合所發(fā)出的上轉(zhuǎn)換分別集中在550 nm、545 nm、以及475 nm，顯然，這些熒光在生物成像以及生物標(biāo)記中都會引起自體熒光的出現(xiàn)，并且會有大部分的光被生物細(xì)胞吸收。為了改善上轉(zhuǎn)換熒光納米材料在生物應(yīng)用中存在的缺陷，我們選用寬能帶的過渡金屬M(fèi)

4、n2+對上轉(zhuǎn)換能量傳遞機(jī)制進(jìn)行調(diào)制，從而在光學(xué)窗口范圍內(nèi)獲得更優(yōu)的光學(xué)轉(zhuǎn)換。
　　本文主要開展四部分工作研究，第一部分研究Yb3+/Er3+/Mn2+共摻在立方相NaYF4納米晶體中的上轉(zhuǎn)換能量傳遞機(jī)理，在這部分實(shí)驗(yàn)中，基于瞬態(tài)光譜對Yb3+/Er3+/Mn2+之間的上轉(zhuǎn)換能量傳遞機(jī)理做出了恰當(dāng)?shù)慕忉?；第二部分是對第一部分的熒光進(jìn)一步增強(qiáng)的研究，設(shè)計合成了δ摻雜的核殼納米粒子結(jié)構(gòu)，結(jié)合理論計算和理論結(jié)果，我們證明這種結(jié)構(gòu)確實(shí)優(yōu)越于

5、傳統(tǒng)核殼結(jié)構(gòu)的上轉(zhuǎn)換發(fā)光效率；第三部分研究Mn2+離子的摻雜對KZnF3:Yb3+/Er3+納米晶體的生長的影響，并進(jìn)一步研究了其在上轉(zhuǎn)換過程中的作用；最后一部分主要對KMnF3:Yb3+/Er3+納米晶體的上轉(zhuǎn)換熒光增強(qiáng)方面做了進(jìn)一步的設(shè)計和研究。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Mn2+離子確實(shí)對Yb3+/Er3+離子之間的上轉(zhuǎn)換起到了強(qiáng)烈的紅光調(diào)制以及紅光增強(qiáng)的效果。Yb3+/Er3+/Mn2+共摻在小聲子能量的氟化物中可以在“生物光學(xué)窗

6、口”的范圍內(nèi)獲得強(qiáng)烈的上轉(zhuǎn)換熒光。另外，我們實(shí)驗(yàn)也證明δ摻雜的核殼納米粒子結(jié)構(gòu)可以起到進(jìn)一步的熒光增強(qiáng)，并且這種結(jié)構(gòu)要比傳統(tǒng)的直接包裹惰性殼的方法有更好的增強(qiáng)作用。
　　最后，在KMnF3:Yb3+/Er3+納米晶體中摻雜Mg2+離子，可以獲得20倍以上的單紅光熒光增強(qiáng)。除了出色的熒光效果以外，本實(shí)驗(yàn)中設(shè)計合成出來的具有優(yōu)異上轉(zhuǎn)換效果的納米材料，在尺度和均勻性上都顯示同樣優(yōu)異的效果。這些特性對于生物成像、生物標(biāo)記等眾多生物應(yīng)用領(lǐng)域