稀土摻雜熒光溫度傳感材料設計與合成.pdf

1、稀土摻雜熒光溫度傳感納米材料，是一類通過稀土離子的特征熒光來探測溫度的功能材料。因其對溫度的探測快捷、信號準確，材料尺寸小而被廣泛應用，特別是在生物及醫(yī)藥領域。對于生物體，溫度的高低體現(xiàn)其生命活動的強弱，微觀上是細胞新陳代謝強弱的體現(xiàn)，如處于分裂的細胞溫度高于穩(wěn)定細胞，癌細胞溫度高于正常體細胞。因此，研究生物體內微觀區(qū)域溫度的分布及變化有著重要的意義，有助于研究細胞生命活動以及對疾病的研究、預防、診斷和治療。然而，目前熒光溫感材料的研究

2、存在材料尺寸大、有毒不穩(wěn)定、探測不準確、非自矯正性、信號差異小、靈敏度低、紫外激發(fā)、激發(fā)和發(fā)生光不處于生物窗口以及生物制熱效應等諸多缺點。因此為了避免上述缺點，本文通過三個創(chuàng)新性系列研究，逐步深入，獲得了較理想的生物用稀土摻雜熒光溫度傳感材料。研究內容、結果及創(chuàng)新性分述如下:
　　一、單光譜熒光強度型溫度傳感研究:激發(fā)和發(fā)射光譜均處于生物窗口
　　目前單光譜熒光強度型溫度傳感存在材料毒性、需紫外或者藍光激發(fā)、發(fā)射譜不處于生物

3、窗口等缺陷。因此，我們成功設計了Yb3+-Er3+離子共摻雜KMnF3納米材料體系，利用Yb3+離子吸收生物窗口980 nm激光以及Yb3+-Er3+組合有效的上轉換的特性，同時借助Mn2+離子1T4獨特能級有效吸收Er3+離子4F9/2(～660nm)能級以上能量(2H9/2，4S3/2)并將能量回傳給4F9/2，獲得了具有同生物窗口980nm激發(fā)660 nm單譜發(fā)射，粒徑～14.9 nm的KMnF3無毒納米材料;并在40～100℃展

4、示出6.2～6.7％K-1高于同類研究的靈敏度。本研究的創(chuàng)新點在于巧妙借助了Mn2+離子與Er3+離子之間的能量作用使得Er3+離子只發(fā)射出660 nm單譜熒光，實現(xiàn)同生物窗口激發(fā)和發(fā)射的單光譜溫度傳感。然而，其缺點是發(fā)光易受非溫度因素影響、不具有自矯正性。
　　二、雙光譜熒光溫度傳感研究:實現(xiàn)自矯正性能及激發(fā)光位于生物窗口
　　由于單光譜不具有自矯正、不能實現(xiàn)精準溫度測量;其他雙光譜研究存在信號差異細微，靈敏度低，材料尺寸

5、較大，需紫外激發(fā)等不足。因此，我們首次提出利用稀土摻雜核殼納米結構實現(xiàn)具有自矯正、信號差異大、靈敏度高、具有近紅外光激發(fā)性能的雙光譜溫度傳感研究。利用熱分解沉淀法獲得了～25 nm的N aGdF4∶Tm3+/Yb3+@NaGdF4∶Tb3+/Eu3+核殼納米顆粒。在980 nm的激發(fā)下，監(jiān)測Tb3+(～545 mm)與Eu+(～615 nm)的熒光強度比隨溫度的變化獲得了125～300 K溫度區(qū)間1.2％K-1高的溫度靈敏度。本研究的創(chuàng)

6、新點在于首次利用稀土摻雜核殼納米結構來實現(xiàn)雙光譜溫度傳感的研究，是一種新的研究思路。通過核殼結構，改變了離子空間的分布以及調控了稀土離子的能量傳遞方式，最終實現(xiàn)了近紅外激發(fā)下，基于雙譜探測的高靈敏度自矯正溫度傳感研究。該研究的不足在于發(fā)射光譜不處于生物窗口。
　　三、較理想雙光譜熒光溫度傳感研究:激發(fā)和發(fā)射光譜均處于生物窗口且無生物制熱效應
　　雙光譜彌補了單光譜不具有自矯正的缺陷，然而目前眾多雙光譜溫度傳感研究其激發(fā)和發(fā)射

7、光譜不處于生物窗口，同時具有嚴重的生物制熱效應(980 nm導致)。因此，本研究借助核殼結構設計思想，設計合成了粒徑為42～49 nm的NaYF4∶Tm3+/Yb3+@NaYF4∶Yb3+/Nd3+核殼納米顆粒。在808 nm的激發(fā)下，監(jiān)測Tm3+離子～696 nm與645 nm熒光強度比隨溫度的變化，實現(xiàn)了40～240℃溫度區(qū)域高靈敏度（最高1.54％K-1）的溫度探測。本研究的創(chuàng)新點在于利用Nd3+離子作為敏化劑離子，實現(xiàn)了無生物熱