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稀土氧化物和氟化物纳米晶上转换荧光光谱的设计研究

陈冠英  
【摘要】:连续光频率上转换在医学探测和编码、人体内部疾病光动力治疗、开发连续短波长激光器、立体成像、显示等方面都有美好的应用前景。然而,目前在上转换荧光发射方面还存在着诸如光光转换效率不高、光谱人工设计严重不足、紫外上转换发射很少被设计等问题,从而影响了上转换在医学和光子学方面的应用。本文以稀土氧化物和氟化物为研究对象,在上转换荧光光谱设计、荧光增强方法、紫外上转换荧光的获得,以及在医学中应用等方面开展了系统的研究。 开展了氧化物单色和白光上转换发光的设计研究。通过调节Yb3+离子掺杂浓度,在980 nm激光激发下,获得了单红和单绿上转换荧光;通过激发光和荧光功率关系分析、荧光光谱分析,和速率方程理论分析,阐明了单色上转换发射机制;通过定义“抑制比”概念,提出了对单色上转换发射的评价标准;通过Er3+、Tm3+和Yb3+的合理配比,获得了在宽功率范围内的980 nm激光激发下纳米粒子的白光上转换发射;通过实验和理论分析,阐明了白光上转换发射机制。 对氧化物上转换发光增强方法进行了研究。通过在稀土上转换纳米材料中,进一步引入Li+离子掺杂,获得了二个数量级增强的上转换发光。通过大量的实验和理论分析,提出了其增强机制:Li+离子的引入,使其在晶格中占位,从而修饰了晶格场,使稀土离子相关能级的寿命增加,从而实现了上转换发光增强。实验结果表明这种增强方法不仅适用于不同的稀土离子的上转换发光增强,而且适用于不同基质中稀土离子的上转换发光增强。证明了这种增强方法是普适的。 对紫外上转换发光进行了研究。在Yb3+/Tm3+掺杂的氧化物中,在980 nm激光激发下观察到300 nm附近的紫外上转换发光,激发光和荧光功率关系表明其紫外辐射为五光子和六光子过程;提出了其上转换发光机制。提出并证实了Yb3+/Er3+掺杂的氧化物中蓝色和紫外上转换荧光的发光机制。观察到980 nm激光激发下240-490 nm波段的Yb3+/Ho3+掺杂的氟化物的上转换发射,提出并证实了其发光机制并解释了观察到的饱和现象。采用Ho3+离子敏化Gd3+离子设计获得NaGdF4:Yb3+/Ho3+纳米晶中Gd3+离子紫外上转换发光,并解释了其发光机制。观察到在氟化物中掺杂Er3+以及Er3+敏化Gd3+离子的近真空紫外上转换发光和超级饱和效应,提出并解释其发光机制。 对医用纳米粒子制备、上转换发光和医学应用进行了研究。采用湿化学方法,探索出不同尺寸氟化物纳米粒子及其包壳的制备工艺,制备出可控尺寸和形貌的氟化物纳米材料和核壳结构的氟化物纳米材料。通过Ce3+、Yb3+离子掺杂浓度的调节,获得了氟化物纳米粒子在红外光激发下的红光上转换辐射,并阐明了其光谱调节机制。设计了核壳结构氟化物纳米粒子,获得了增强的上转换发光,提出并解释了上转换增强机制。利用制备的氟化物纳米材料,证明了在组织液成像中上转换发光成像在空间分辨率方面大大优于传统荧光标记的荧光成像。通过动物实验,证明了我们制备的氟化物纳米粒子能够做到无背景、多色、活体成像。


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