808nm激发的单谱带上转换红光纳米材料的可控制备与性能增强的研究

Upconversion nanomaterials, which could exhibit multi-band emissions under 980nm laser excitation, are recently widely applied in bio-imaging field. However, these materials exhibit several defects for this application, such as low sensitivity, aberration and thermal damage. This project intends to use Na3MF7 (M= Ti, Zr, Hf) as matrix and their corresponding core/shell nanocrystals to actualize single-band red upconversion emission of Er3+ under 808nm laser excitation, and then improve bio-imaging quality. The controlled synthesis condition and mechanism of those matrixes and core/shell nanocrystals will be explored; the effect of activators distribution, inner/outer layer thickness and species/concentration of doping ions on the optical properties will be investigated, and the micro-mechanism will be clarified; the materials with excellent optical properties will be used in bio-imaging to explore their advantages. In a word, it is hoped that novel upconversion nanomaterials with high quantum efficiency will be developed, and the synthetic chemistry and optical spectroscopy of nanomaterials will be reinforced after the accomplishment of this project.

上转换发光纳米材料近年来被广泛应用于生物成像领域的研究，主要利用的是稀土离子在980nm激发条件下产生多波段发光的特性，在应用于成像时存在低灵敏度、色差与热损伤等缺陷。本项目拟以基质Na3MF7(M= Ti, Zr, Hf)及其核壳纳米晶为研究对象，以实现Er3+在808nm激发条件下的单谱带上转换红光并提高生物成像质量为研究目标。研究基质及其核壳纳米晶的液相可控制备条件与机理，揭示稀土离子的分布、中间层与表面层包覆厚度以及不同壳层中同价离子掺杂的种类与浓度对材料光学性能的影响规律，阐明微观机理并探索这类材料在生物成像领域的优势。项目的实施，在进一步丰富纳米材料合成化学与光谱学的同时，还有望开发出面向生物应用的高性能上转换纳米材料。

上转换发光纳米材料近年来被广泛应用于生物成像领域的研究，主要利用的是稀土离子在980nm激发条件下产生多波段发光的特性，在生物成像时存在诸多缺陷，如发射光难以透过深层的生物组织，激光功率和生物组织深度的变化对不同发射波段具有不同的影响，易产生色差，生物组织中的水分子大量吸收980nm的光子能量会产生局部热能，导致生物组织受损等。为了解决这些难题，本项目主要以稀土氟化物及其核壳纳米晶为研究对象，系统研究了基质及其核壳纳米晶的液相可控制备条件与机理，揭示了稀土离子的分布、中间层与表面层包覆厚度以及不同壳层中同价离子掺杂的种类与浓度对材料光学性能的影响规律。.通过本项目的顺利实施，我们证实了采用异价离子掺杂法，在Na3ZrF7基质中掺杂三价稀土离子，能够调控纳米晶的尺寸、形貌和缺陷态等微观结构。稀土激活离子在基质晶格中形成团簇，增大了激活离子之间的无辐射交叉弛豫几率，使得Er3+离子绿光能级上的电子弛豫到红光能级，从而获得单谱带上转换红光。进一步通过构建核壳结构，钝化纳米晶表明，减弱纳米晶表面激活离子的无辐射弛豫几率，大幅提高了纳米晶的发光效率，获得了高效单谱带上转换红光，毒理性研究证实了该体系对生物组织细胞具有很低的毒性。本项目的相关研究结果主要包含高质量SCI论文8篇，授权国家发明专利4项，培养硕士研究生5名，为开发高性能上转换生物荧光探针材料奠定了重要的实验技术基础。