双模激发稀土荧光探针的制备与发光性质研究

【摘要】近年来，纳米科学技术作为新兴学科迅速地发展起来。将纳米发光材料作为荧光探针来获取海量生物组织信息的相关研究已经广泛开展。这些研究集中了多个学科交叉综合的热点问题，研究内容涉及生物化学、信息科学、材料科学和生物医学等学科。其中，纳米发光材料的优化设计制备和发光性质研究是我们关注的焦点问题。镧系离子掺杂的稀土发光纳米材料因其具有十分独特的光学性质，在获取生物信息的荧光标记工作中展示了很大的应用潜力。掺杂镧系发光离子的稀土发光纳米材料，其发光光谱谱线窄，特异性强，材料本身具有稳定的化学性质，光稳定性好，而且毒性低等特点。特别是镧系离子的锐谱线光发射主要是因为它们所具有丰富的4f电子能级跃迁，从紫外到红外波段都为稀土光谱范围所覆盖。十余种镧系离子都具有自己的特征光谱，并且镧系离子4f-4f电子能级间跃迁得到的特征发射峰谱半高全宽为1020nm，并且一般不随基质的变化发生移动。这种鲜明的光谱特异性使掺杂镧系发光离子的稀土纳米材料可以胜任作为荧光编码的材料。发光通常可划分为斯托克斯型和反斯托克斯型两种，即人们常说的下转换发光和上转换发光。稀土配合物是一种优异的下转换发光材料，通过几种不同稀土配合物的共掺杂能够实现多色发光，可以用作光谱编码材料。但是在可见光范围内，能够高效下转换发光的稀土离子种类较少，一般为Eu3+、Tb3+、Dy3+和Sm3+。因而仅利用稀土配合物发光进行荧光编码的编码的数量有限。而稀土上转换发光材料能够将小能量的光子转化为高能光子，因而可以在近红外光的激发下实现可见光发射。将具有发光性能的稀土材料用于作为获取生物信息作为萤光标记材料。可以有效的避免被标记生物组织的自发荧光干扰，从而可以提高获取生物组织的信息的荧光探测的灵敏指标以及准确度。但是在上转换发光材料中由于存在浓度猝灭效应，难以通过改变稀土离子浓度实现的有效的强度等级分级，仅利用稀土上转换发光进行荧光编码，同样存在着编码数量不足的问题。将具有不同光谱信息的稀土掺杂上转换纳米晶和稀土配合物下转换发光材料在核壳纳米结构中进行组合可有效地增加稀土纳米探针的编码数量。因此本文将进行双模激发稀土荧光探针的制备与研究工作。具体研究工作内容如下：（1）多色上转换发光稀土纳米材料的制备及光学性质研究。利用溶剂热法制备了具有核-壳结构的纳米颗粒，并通过在核与壳不同位置进行浓度变化的敏化离子和发光离子共掺杂，实现了纳米粒子的多色上转换发光。实验中采用聚乙烯吡咯烷酮做表面活性剂，乙二醇作溶剂，利用包覆的方法合成核-壳型纳米颗粒。通过透射电子显微镜（TEM）成像、X射线衍射（XRD）分析、发光光谱测量等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表征。实验结果表明，纳米粒子的尺寸均匀分布在20-30nm左右，水溶性良好。通过980nm红外光激发，纳米粒子的水溶液能够观察到从红色到蓝紫色颜色可变的上转换发光。（2）双模激发发光稀土纳米材料的制备及光学性质研究。通过构建核-壳结构，制备了在两种激发光激发下可实现可见光发射的纳米颗粒。首先，利用溶剂热法制备了Er，Yb共掺的NaLuF4的稀土纳米颗粒，此种纳米粒子在红外光的激发下可以发射出明亮的绿色上转换发光。然后，将其作为核，通过正硅酸乙酯的水解，将具有下转换发光性质的稀土配合物Eu(TTA)3Phen包埋在SiO2壳层中，制备出具有核-壳结构的双模激发发光纳米颗粒。通过透射电子显微镜（TEM）成像、X射线衍射（XRD）分析、发光光谱测量等手段对双模激发发光纳米颗粒进行了形貌、结构和发光性质表征。实验结果表明，纳米粒子的尺寸均匀分布在30nm左右，水溶性较好。双模激发发光纳米颗粒水溶液在980nm的红外光激发下发出明亮的绿光，在365nm的紫外光激发下发出红光，从而在一种纳米材料中实现了双模激发发光。
【作者】于放达；
【导师】秦冠仕；
【作者基本信息】吉林大学，微电子与固体电子学，2014，硕士
【关键词】稀土纳米材料；核-壳结构；多色发光；双模激发；溶剂热法；

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