單紅光上轉換熒光納米材料的制備及其熒光增強研究.pdf

1、近年來，鑭系稀土離子摻雜的上轉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域顯現(xiàn)出了獨樹一幟的功能，受到了研究人員的青睞。對比其它相似的固體發(fā)光材料：半導體納米熒光材料、量子點熒光納米材料、以及有機染料熒光材料。上轉換納米熒光材料顯示出更高的化學穩(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制范圍。由于紅外光子在生物細胞以及生物組織中的穿透深度大，并不激發(fā)生物細胞自

2、體熒光，因而上轉換納米材料是一個理想的生物熒光標記以及生物成像的光學材料。
　　眾所周知，活體的生物細胞存在一個“光學窗口”，生物細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胞以及生物組織中的穿透深度大，并且不激發(fā)出生物細胞的自體熒光，因而上轉換納米材料是一

3、個理想的生物熒光標記以及生物成像的光學材料。
　　目前研究火熱的上轉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)定性的上轉換熒光，而這幾種組合所發(fā)出的上轉換分別集中在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胞吸收。為了改善上轉換熒光納米材料在生物應用中存在的缺陷，我們選用寬能帶的過渡金屬M

4、n2+對上轉換能量傳遞機制進行調制，從而在光學窗口范圍內獲得更優(yōu)的光學轉換。
　　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納米晶體中的上轉換能量傳遞機理，在這部分實驗中，基于瞬態(tài)光譜對Yb3+/Er3+/Mn2+之間的上轉換能量傳遞機理做出了恰當?shù)慕忉?；第二部分是對第一部分的熒光進一步增強的研究，設計合成了δ摻雜的核殼納米粒子結構，結合理論計算和理論結果，我們證明這種結構確實優(yōu)越于

5、傳統(tǒng)核殼結構的上轉換發(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，并進一步研究了其在上轉換過程中的作用；最后一部分主要對KMnF3:Yb3+/Er3+納米晶體的上轉換熒光增強方面做了進一步的設計和研究。
　　實驗結果表明，Mn2+離子確實對Yb3+/Er3+離子之間的上轉換起到了強烈的紅光調制以及紅光增強的效果。Yb3+/Er3+/Mn2+共摻在小聲子能量的氟化物中可以在“生物光學窗

6、口”的范圍內獲得強烈的上轉換熒光。另外，我們實驗也證明δ摻雜的核殼納米粒子結構可以起到進一步的熒光增強，并且這種結構要比傳統(tǒng)的直接包裹惰性殼的方法有更好的增強作用。
　　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。除了出色的熒光效果以外，本實驗中設計合成出來的具有優(yōu)異上轉換效果的納米材料，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、生物標記等眾多生物應用領域