上转换纳米粒子制备和在生物医学与环境检测应用

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1、上转换纳米粒子制备和在生物医学与环境检测应用第1章绪论1.1引言进入21世纪以来，纳米科学技术取得了快速的发展并已经愈来愈普遍地出现在人们的日常生活中，因此引起了人们的广泛关注[1]。自纳米材料科学作为一个新的分支存在材料科学中以来，纳米材料在物理界和材料界引起了科学研究者的广泛兴趣，得到了迅猛的发展。与其它材料相比，纳米材料具有很多特殊效应，如表面效应、界面效应、宏观量子隧道效应和小尺寸效应等，使得它在众多领域具有巨大的发展潜力。上转换纳米材料作为一种新型的发光材料，由于其独特的光学性能，引起了人们的广泛关注。近年来，稀土离子上转换发光研究重心由最初的制备阶

2、段转向其应用发展阶段[2]，从最初在光学器件领域的应用已发展到生物医学和环境检测等领域。因此，研究上转换纳米材料的应用，尤其在生物医药和环境检测领域将有重要的社会价值。本章我们就上转换纳米材料的机理、制备方法及在生物医学和环境领域中的应用进行简单的介绍。1.2上转换纳米发光材料的介绍上转换发光（UCL）是一种非线性光学现象，它是由较低能量的光子激发，通过连续的多光子吸收和能量转移过程，从而发射高能量光子的过程[3]。基于这样特殊的发光原理，稀土上转换发光纳米材料（UPs）能够呈现一些特殊的发光性能，例如发射谱带窄，荧光寿命长，反斯托克斯位移大，光稳定性好等。此

3、外，上转换纳米材料的激发波长处于近红外波段，在此波段上生物组织几乎是透明的。另外，用于激发UPs的980nm连续激光器能耗低，造价低廉[4-7]。这些特征使UPs作为新一代的荧光探针，在生物成像和生物检测领域拥有巨大的应用前景。上转换纳米发光材料是由掺杂离子和基质组成，掺杂离子主要包括敏化剂和激活剂，其中敏化剂主要功能是吸收能量并传递给激活剂，使激活剂发光。基质则固定所掺杂的离子并为发光中心提供适宜的晶场。目前，应用比较广泛的基质主要是含有Y3+、Gd3+、La3+和Lu3+，由于这些离子与敏化剂离子和激活剂离子具有相似的离子半径，因此它们的晶格可以很好的匹配

4、。含有上述元素的氟化物、硫氧化物、氢氧化物及部分氧化物和含氧酸盐因具有较低的声子能而被广泛应用。其中，稀土氟化物上转换纳米晶由于具有高的折射率和低的声子能量而被认为最理想的发光基质材料。在大量的基质材料中，六方相的上转换纳米材料即β-NaYF4晶体发光效率是最高的且是最理想的发光材料[8-14]。.第2章上转换纳米粒子的可控制备及发光调控2.1引言稀土上转换纳米粒子（UPs）是一种吸收红外光发出可见光的发光材料，即通过一个多光子吸收过程把处于低能量的激发光子转变为高能量的发射光子。相对于传统的荧光标记，稀土上转换纳米粒子作为荧光探针具有很多特有的优势

5、。如近红外激发可减少生物组织内所产生的自发荧光和光损伤，并且红外光在生物组织内具有很高的穿透深度。另外，上转换纳米粒子本身具有大反斯托克斯位移、高化学稳定性、低毒和光稳定性。因此，上转换纳米粒子因其独特的化学和光学性质而成为材料和生物领域研究的热点。稀土氟化物上转换纳米晶由于具有高的折射率和低的声子能量而被认为最理想的发光基质材料。在大量的基质材料中，六方相的上转换纳米材料即NaYF4晶体是最有效的。通过对纳米粒子的形貌、结构和尺寸的控制，可用来调控纳米粒子的性质[33-38]。在过去几十年里，科学研究人员一直致力于探索新的上转换纳米材料即NaYF4纳米粒子的

6、制备方法[28-32]，并且已取得了令人瞩目的发展。已知的上转换合成方法有共沉淀法、水热法、热分解法、溶剂热法，然而上述所列举的方法都有其局限性，共沉淀法制备的NaYF4纳米粒子结晶度低且需要进行退火处理来提高其结晶度且制备的产物产率低、大小不均，水热法通常具有较长的反应时间且在反应釜中进行反应而其反应条件难以控制，热分解法在反应过程中其前驱体三氟乙酸盐分解产生含氟有毒物质，溶剂热法因其多重的升降温步骤使其制备繁琐且耗时。因此，在制备上转换纳米材料方面，我们仍需要坚持不懈地去探索新的方法，使其能够很好的避免上述缺陷。..2.2实验材料和仪器2.2.1试剂及材料

7、（1）六水硝酸钇，六水硝酸铒，六水硝酸铕，六水硝酸铈，六水硝酸铽，五水硝酸镱，五水硝酸钬，五水硝酸铥，纯度都为99.90%，均购置阿法爱莎公司，可直接使用；（2）十八烯，纯度为90.0%，油酸，纯度为99.0%，均购置阿法爱莎公司，可直接使用；（3）油酸钠，纯度为98.0%，购置阿拉丁试剂公司，可直接使用；（4）硝酸铵，纯度为99.999%，购置西格玛奥德里奇试剂公司，可直接使用；（5）氟化钠，氢氧化钠，乙醇，环己烷，均购置北京化工厂，且都为分析级的，可直接使用；（6）高纯氩气，纯度为99.999%，除氧和保持惰性气氛的必备气体，购置于普莱克斯公司；（7）液氮

8、，沸点-196℃，纯度99.999%，