热点应用丨上转换纳米颗粒的光物理性质表征

来源：天美仪拓实验室设备（上海）有限公司分类：商机 2024-07-04 17:45:05 48阅读次数

要点

上转换纳米颗粒是由稀土元素组成的纳米颗粒。

上转换过程是吸收低能量光子，发射高能量光子的过程。

上转换纳米颗粒应用在太阳能、生物医学成像和药物递送等领域。

使用FS5荧光光谱仪对上转换纳米颗粒的上转换光谱、寿命和量子产率进行表征。

简介

上转换（UC）过程是将两个或多个较低能量的光子转换为较高能量的光子的过程。上转换纳米颗粒（UCNP），它是由嵌入基质中的铒和镱等稀土元素组成的纳米颗粒。UCNP可将近红外光转换为可见光或紫外区的高能光。

UCNP具有广泛的潜在应用。在太阳能应用中，它们可以通过将低能量的光子转换为更高能量的光子，来提高光伏设备的性能和太阳能电池的效率。而在生物医学中，UCNP可以用于非侵入性成像和诊断。作为成像造影剂，它们通过将红外光转换为可见光来实现高分辨率成像，从而实现更深的组织穿透和更低的背景信号。在药物递送中，它们独特的光学特性可以用于控制治疗剂的释放。

了解UCNP的上转换发光特性对于调整其特性和优化性能至关重要。在本文中，用爱丁堡FS5荧光光谱仪完全表征UCNP的上转换发光性质，包括上转换光谱、寿命和量子产率。

材料与方法

所研究的样品是聚乙烯亚胺（PEI）改性的NaYF₄:Yb,Er上转换纳米颗粒（UCNP），其分散在去离子水中，浓度为10 mg/mL。用FS5荧光光谱仪表征UCNP分散体。使用功率为2W波长为980 nm激光器和脉宽控制盒（PM-2）作为CW和脉冲激发光源。FS5配备有PMT-900和PMT-1010两个检测器以及多通道扫描（MCS）模式。光谱范围为200-900 nm的PMT 900用于测试光谱和寿命，而光谱范围扩展到1010 nm的PMT-1010用于测试量子产率。SC-05标准液体支架测试光谱和寿命，SC-30积分球附件测试量子产率。

图1 爱丁堡稳态瞬态荧光光谱仪FS5

上转换光谱

CW模式激发样品，选择PMT-900检测器，得到纳米颗粒的发射光谱（图2）。发射光谱表征了材料中的发射能量跃迁。发射源于多个Yb³⁺离子（敏化剂）对几个低能量980 nm光子的吸收，这些离子将其能量转移到单个Er³⁺离子（发射极）。能量传递通过非辐射多离子上转换过程进行。以660 nm为中心的发射峰是Er³⁺的⁴F_9/2 → ⁴I_15/2跃迁，而521 nm和545 nm处的发射峰分别源自⁴H_11/2 → ⁴I_15/2和⁴S_3/2 → ⁴I_15/2跃迁（图3）。^1,2

图2 UCNP的上转换发射光谱

图3 NaYF₄:Yb,Er纳米颗粒上转换过程的能级图

上转换寿命

然后测试了653 nm处⁴F_9/2 → ⁴I_15/2跃迁的上转换寿命，如图4所示。将980 nm激光光源设置为脉冲模式，重复频率设置为500 Hz，脉宽设置为10 μs，并使用MCS模式测试上转换寿命。然后使用双指数模型在Fluoracle中拟合衰减曲线，计算出强度平均寿命125 μs。

寿命比之前类似材料的文献中要短，这些文献中此类材料寿命超过440 μs。³寿命值差异可能是去离子水的存在会产生强烈的淬灭效应，导致寿命缩短。

图4 UCNP的荧光衰减曲线

量子产率

测试量子产率对于评估UCNP产生上转换光的效率至关重要。UCNP通常具有比其本体更低的量子产率。这归因于各种因素，如被禁止的4f–4f跃迁以及结晶度差和表面缺陷等固有问题。⁴开发具有更高量子产率的UCNPS是一项持续的研究挑战。

为了确定上转换量子产率，使用FS5 SC-30积分球附件。SC?30可即插即用，无需光纤。使用FS5的PMT-1010检测器，PMT-1010至1010 nm的扩展光谱范围能够精确测试980 nm激发散射。在SC-30中分别测试了UCNP样品和去离子水的激发散射和发射光谱。图5为UCNP和去离子水的激发散射和发射光谱。然后使用Fluoracle软件的量子产率分析模块计算量子产率，该分析基于以下公式：

E为发射强度积分，S为散射强度积分。量子产率为0.014%。这种量子产率是上转换材料的典型值，并且与先前的研究一致。⁴

图5 UCNPs样品和去离子水的散射和发射光谱

结论

本文使用爱丁堡仪器FS5荧光光谱仪对上转换纳米颗粒的上转换发光进行完全表征。FS5灵活可选的光源、检测器和样品支架附件，使上转换光谱、寿命和量子产率能够在单个紧凑型仪器中完成表征。

参考文献

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[3]Qin, et al. Tuning the upconversion photoluminescence lifetimes of NaYF4:Yb3+, Er3+ through lanthanide Gd3+ doping. Sci. Rep. 8, 12683 (2018).

[4]M. S. Jones, A. Gakamsky, & J. Marques-Hueso, The upconversion quantum yield (UCQY): a review to standardize the measurement methodology, improve comparability, and define efficiency standards. Sci. Technol. Adv. Mater. 22, 810–848 (2021).

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