离子协同发光上转换多同质壳/核纳米新结构及其物理问题研究

稀土发光离子高浓度掺杂是提高上转换发光材料上转换效率的重要途径之一。针对当前国际上公认的诸如Er3+离子等发光离子最佳掺杂浓度仅约为2%，难于再提高的难题，本项目仅以NaYF4:Er3+Yb3+基质体系为例, 构筑离子协同体系新结构,突破发光离子最佳掺杂浓度约为2%的局限性。研究协同离子分区控制掺杂的发光上转换多同质壳/核纳米新结构设计和可控构筑、协同离子分区掺杂的不同功能多同质壳/核纳米新结构及构筑条件与发光上转效率的关系、Er3+离子最佳掺杂浓度高于2%的纳米新结构与浓度猝灭和交叉弛豫效应的关系、不同功能多同质壳/核纳米新结构表面和界面结构及其对上转换发光效率的影响。认识和理解Er3+离子最佳掺杂浓度突破2%局限性的物理本质，为提高上转换发光纳米材料的上转换效率提供新途径和物理基础。针对该研究计划的实施，我们取得了如下研究进展：(1)采用发光中心分区域掺杂的“三明治”结构，结合核壳包覆以及活化壳层增强敏化剂能量传递的优点，设计和构筑稀土离子协同的不同功能多同质壳/核新结构，解决当前普遍采用的发光中心均匀掺杂时由于离子间距离太近而引起的交叉弛豫和浓度淬灭问题，利用掺杂有Yb3+离子的同质壳层作为阻隔层，通过发光中心分区域掺杂，使得NaYF4:Er3+Yb3+中Er3+的最佳掺杂浓度由2%提高到了5%。(2)在上述“三明治”结构的构建中，对敏化壳层增强发光的机理、动力学过程以及敏化壳层对于荧光量子产率的影响等的认识都不是很清楚。因此，我们构建了核/活性壳模型，分析壳层中掺杂的敏化粒子对光子吸收到发射能量迁移的每一步过程所产生的影响，深入探讨发光效率与吸收率和荧光量子效率之间的关系，明确了活性壳增强发光，实际上是增强了其对激发光的吸收，而其荧光量子产率并没有本质上的提高。(3)基于上述具有“三明治”结构的上转换纳米载体，我们在其表面搭载了一系列功能生物分子，并在体内、体外验证了该多功能纳米平台的功效。尤其是上转换-锌酞菁纳米光敏剂，在光照剂量为240J/cm2的情况下，即可获得对小鼠体内肿瘤高达98%的抑制率。(4)上述结果累计发表SCI论文22篇，其中影响因子大于5.0的15篇。