激发脉冲调控的上转换发光纳米材料的构建及传感应用研究

Manipulating emission colors of upconversion luminescent materials is a focal point and study frontier for applications in many fields such as bio-imaging, labeling, detection, sensing, optical anti-counterfeiting, multiplex encoding, full-color display, etc. Conventional strategies such as varying the chemical composition and crystal structure are restricted in the materials. Shifting the excitation wavelength provides a useful tool for producing a wide range of emissions but brings in complexity and high cost of the setup. However, controlling the emission of materials with fixed composition and single excitation source wavelength is still very challenging. In this work, we demonstrate a versatile and convenient approach to manipulate the upconversion emission in single- and multi-component nanoparticles by virtue of non-steady state upconversion process. More importantly, this type of material is able to be used in velocity sensing upon continuous-wave excitation. We hope this technique will play an important role in the detection and therapy of thrombus and tumor. These findings provide new thoughts and opportunities to achieve precise control of color emission for various applications.

稀土上转换纳米材料由于具有独特的反斯托克斯发光性质，近年来在生物成像、标记、检测、传感、光学防伪、荧光编码、多彩显示等领域显示出了巨大的应用潜力，如何对其发射光谱进行精细调控成为了研究热点之一。传统的控制发光的方法多局限在依靠改变发光材料自身的组分、结构、尺寸等，近年来发展出的通过更换激发光源波长来实现对发射光的调控方法，增加了材料和仪器的复杂性和成本。因此我们希望有一种手段能够方便地在单一的激发波长下改变材料的上转换发光，这成为了一项具有挑战性的工作。在该项工作中，我们基于对非稳态的上转换发光过程的研究，将开发一种简便、快速的方法构建发光颜色随着调节激发光脉冲而改变的材料体系，并基于该种材料的特殊光学性质，实现在连续光激发下对物体运动速度进行测量。我们期待该技术不仅能够应用于机械运动传感，而且可以用于高精度的血液流速测定，对血栓、肿瘤的检测和治疗起到重要的作用。

稀土掺杂上转换发光纳米材料由于具有将长波长的近红外激发光转换为短波长的可见光的这一独特发光性质，近年来在生物成像、靶向治疗、多彩显示、神经调控、光学防伪、超分辨光学成像等领域展现了巨大的应用潜力。如何精准调控纳米材料的发光决定了材料的应用价值能否有效实现。因此，在该项目中，研究人员对稀土离子的非稳态上转换发光过程进行了深入的研究，开发了一种简便的可以通过脉冲进行调节发光光谱的材料体系。此外，通过深入研究Ce3+、Mn2+等掺杂离子对材料内稀土离子发光的影响，实现了对发光光谱的精细调节并获得了超长发光寿命的上转换发光，进而可以利用Mn2+与稀土发光离子发光持续时长的差异获得高强度的光学防伪技术。在该项目中，研究人员进一步利用稀土上转换发光纳米材料与聚多巴胺及光敏分子材料相结合，得到的纳米复合物能够靶向定位肿瘤细胞，并实现光动力治疗和光热治疗的结合，进而激发细胞的免疫反应，实现光学治疗和免疫治疗的联合治疗。该项目执行期内共计发表SCI论文10篇，申请国家发明专利8项。该研究拓展了稀土上转换发光材料的调控手段，并拓展了该材料在光学防伪、肿瘤治疗等方面的应用。