中國粉體網(wǎng)訊  上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料是一種新型材料，可將近紅外光轉(zhuǎn)換為短波可見光，具有優(yōu)異的光學(xué)性能和穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，在生物醫(yī)藥、太陽能電池及照明領(lǐng)域等被廣泛應(yīng)用。稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料(UCNPs)不僅具有稀土離子的獨(dú)特能級結(jié)構(gòu)，更以其它熒光材料無法比擬的高靈敏度、強(qiáng)組織穿透力、無自發(fā)熒光和不損傷生物組織等特性，被人們爭相廣泛開發(fā)研究，并取得了一系列顯著的成就。

上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料通常由基質(zhì)材料、稀土激活劑和敏化劑組成。

稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料基質(zhì)的選擇

基質(zhì)材料、敏化劑和激活劑是影響稀土發(fā)光材料發(fā)光性能的主要因素。發(fā)光材料對于基質(zhì)材料的要求是一般不能受到激發(fā)而發(fā)光，但能為激活離子提供合適的晶體場，降低無輻射躍遷幾率，使其產(chǎn)生光譜發(fā)射。一直以來，上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料研究的重點(diǎn)是尋找既能獲得高上轉(zhuǎn)換發(fā)光效率，又具有較高穩(wěn)定性的基質(zhì)材料。從目前的研究來看，基質(zhì)材料主要可分為鹵化物體系、氧化物體系、氟氧化物體系和硫化物體系4類。

稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料稀土離子的選擇

稀土離子作為摻雜離子在制備上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料中扮演著極為重要的角色，當(dāng)前摻雜研究主要集中在Er³⁺、Tm³⁺和Ho³⁺。稀土Yb³⁺的激發(fā)光波長是980nm，吸收截面大，是最為常用且有效的上轉(zhuǎn)換敏化劑。當(dāng)Yb³⁺和其他稀土離子共摻雜到基質(zhì)中，激發(fā)Yb³⁺離子，能量傳遞引起光子疊加效應(yīng)使得上轉(zhuǎn)換發(fā)光效率大大提高。

制備方法

1、燃燒合成法

燃燒合成是利用化學(xué)反應(yīng)自身的放熱來制備材料的方法。原料為稀土硝酸鹽(如Y(NO₃)₃)和有機(jī)燃料(如氨基酸、甘胺酸等)。在一個(gè)燃燒合成反應(yīng)中，反應(yīng)物達(dá)到放熱反應(yīng)的點(diǎn)火溫度時(shí)，點(diǎn)燃后，反應(yīng)由放出的熱量維持，燃燒產(chǎn)物即為所需材料。燃燒合成法具有反應(yīng)時(shí)間短、產(chǎn)物純度高、設(shè)備簡單、成本低廉、可以用來制備亞穩(wěn)相物質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)。用燃燒法合成的納米上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料主要有：Y₂O₃：Er³⁺；Y₂O₃：Er³⁺，Yb³⁺；Gd₃Ga₅O₁₂：Tm³⁺，Yb³⁺；Gd₃Ga₅O₁₂：Er³⁺等氧化物和復(fù)合氧化物材料。

2、溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法是以金屬醇鹽或其他金屬無機(jī)鹽作為前驅(qū)體，溶于溶劑中形成均勻的溶液，再加入各種添加劑如絡(luò)合劑、催化劑等，在適合的溫度和pH值條件下，溶液中的溶質(zhì)發(fā)生水解、聚合等化學(xué)反應(yīng)，首先生成溶膠，進(jìn)而生成具有一定空間結(jié)構(gòu)的凝膠，然后經(jīng)過熱處理，在較低溫度下制備出各種無機(jī)材料或復(fù)合材料的方法。溶膠-凝膠法具有：容易達(dá)到分子水平均勻，便于控制摻雜量，熱處理溫度低、設(shè)備簡單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。用溶膠-凝膠法合成的納米上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料有：Gd₂O₃：Er³⁺；Gd₂O₃：Er³⁺，Yb³⁺；Gd₂O₃：Tm³⁺，Yb³⁺；TiO₂：Er³⁺；BaTiO₃：Er³⁺等材料。

3、共沉淀法

共沉淀法在含有2種或2種以上金屬離子的多元體系溶液中加入沉淀劑，得到各種成分均一沉淀的方法。得到的沉淀物經(jīng)分離沉降，然后經(jīng)過干燥，再在不同的溫度下灼燒便得到納米發(fā)光材料。共沉淀法具有反應(yīng)溫度低、樣品純度高、粒徑小、分散性很好、操作簡便、無須復(fù)雜設(shè)備、成本低廉、并可以大批量制備等優(yōu)點(diǎn)。用共沉淀法合成的納米上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料主要有：Y₂O₃：Er³⁺，Yb³⁺；Y₂O₃：Er³⁺；YAG：Er³⁺；Lu₂O₃：Ho³⁺，Yb³⁺等材料。

4、水熱法

水熱法是在特制的密閉容器內(nèi)完成的。一般是在100～350℃和高壓環(huán)境下使無機(jī)或有機(jī)化合物與水化合，通過對加速滲析反應(yīng)和物理過程的控制得到改進(jìn)的無機(jī)物，再過濾、洗滌、干燥，從而得到高純度的納米粒子。水熱法具有能耗低、實(shí)用性廣、環(huán)境污染少、可有效控制反應(yīng)和晶體的生長特性等優(yōu)點(diǎn)，用水熱法合成的納米上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料主要有：NaYF₄：Er³⁺；LaF₃：Er³⁺；Y₂O₃：Er³⁺；YVO₄：Er³⁺等材料。

應(yīng)用

1、在生物領(lǐng)域的應(yīng)用

UCNPs基于稀土離子的亞穩(wěn)態(tài)能級特性可將近紅外激發(fā)光轉(zhuǎn)化為可見光或近紅外光，具有光穿透深度大、無自發(fā)熒光干擾、對生物組織幾乎無損傷等顯著優(yōu)勢。作為新興的熒光探針，UCNPs受到了研究者們的極大青睞，其在以下領(lǐng)域極具研究與應(yīng)用價(jià)值。

1）免疫分析及生物傳感；

2）生物成像；

3）光動(dòng)力、光熱致理療和載藥。

UCNPs所具有的光穩(wěn)定性好、化學(xué)穩(wěn)定性高、信噪比高和潛在生物毒性小等優(yōu)點(diǎn)，使其超越有機(jī)染料和量子點(diǎn)成為更加理想的生物成像標(biāo)記物，生物成像也成為UCNPs最重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。

2、在非生物領(lǐng)域的應(yīng)用

UCNPs除了在上述生物領(lǐng)域的應(yīng)用廣受關(guān)注之外，在非生物領(lǐng)域(如光信息存儲、3D顯示、安全防偽及太陽能電池等)也有著很好的應(yīng)用前景。

參考來源：

[1]郭春芳.稀土摻雜上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料的研究進(jìn)展

[2]田婧等.稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料研究進(jìn)展

[3]劉濤等.稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料的應(yīng)用

[4]陳志鋼等.稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料的研究進(jìn)展

[5]郭海等.稀土納米上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料研究進(jìn)展

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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