高掺杂上转换纳米材料中的能量迁移作用机制及其在辅助荧光共振能量转移方面的应用研究

Because of intrinsic large size of lanthanide-doped upconversion nanoparticles (typically larger than 20 nm), the energy transfer between the nanoparticles and external molecular acceptors is alway quite inefficient in conventional upconversion nanoparticle-based hybrid structures. This has hindered the usefulness of these nanomaterials in practical applications. To solve this problem, we propose to prepare heavily doped upconversion material systems in which energy transfer from upconversion nanoparticles to external energy acceptors can be enhanced by inter-particle energy migration. This study is based on our recent understanding of energy migration and hybrid nanostructures. Once refined, we envisage that this new type of upconversion nanomaterials will offer a more reliable platform for biological detection.

在现有的有机分子-稀土掺杂上转换纳米异质结构中，受纳米颗粒自身粒径较大（一般大于20 nm）的影响，从稀土上转换发光颗粒向分子能量受体共振能量转移的效率始终较低，无法满足实际应用的需求。为解决这一难题题，本项目拟利用选择性高浓度稀土离子掺杂导致的纳米晶颗粒内部能量迁移作用机制，提高上转换纳米颗粒向外部分子受体的能量转移效率，实现更高效可控的上转换光能利用。项目重点研究具备高效能量迁移特性的上转换纳米颗粒的可控合成方法；探索能量迁移作用对增强纳米异质结构内部的非辐射共振能量转移的作用新机理；并开展这一新型上转换异质结构体系在生物探针及靶向生物成像领域的应用研究。通过本项目将有望建立一套更接近实际应用的上转换生物检测平台。

无机稀土纳米材料作为新一代发光材料在绿色照明光源、纳米光电器件、生物成像、生物标记等领域都有广阔的应用前景。在稀土发光纳米材料研究中，通过对稀土掺杂离子种类和掺杂浓度的精确调节，理论上可以有效地调控稀土上转换发光材料形貌、粒径及其光学特性，但是高浓度稀土掺杂材料体系往往受到浓度猝灭现象影响，发光效率较低。本项目针对高浓度稀土掺杂体系这一关键技术难题，深入探讨了实现高掺杂稀土纳米发光材料体系高效能量转换及应用的多种途径。首先，项目通过利用高掺杂铽离子上转换纳米晶颗粒内部-表面能迁移作用原理，成功克服了高浓度掺杂导致的发光淬灭现象，实现了纳米晶颗粒对染料荧光小分子的高效敏化，并基于此原理开发了一种利用单个稀土纳米颗粒成像的单分子荧光检测技术。其次，项目通过对稀土镱、钕离子高掺杂稀土纳米晶表面态的改性及深入研究，开发了可通过稀土纳米晶有效实现有机分子三线态能量敏化和激发态调控的稀土-分子三线态能量敏化新策略，并将其初步应用于近红外光激发光动力肿瘤治疗应用。最后，项目还研究了如何通过镧系离子掺杂调控超薄二维CsPbBr3 纳米片生长动力学过程及激发态光谱特性。项目研究为开发高掺杂稀土光功能纳米材料提供了新的理论和材料基础。