解决方案 | NaYF4:Yb/Tm上转换发光性质研究

    NaYF4是目前公认的上转换效率较高的基质材料，通过掺杂铥(Tm3+)、铒(Er3+)或者其他稀土离子作为激活剂，镱(Yb3+)作敏化剂，在980nm红外光的激发下，利用上转换发光过程可实现可见光发射。通过控制纳米材料的尺寸，并利用各种表面修饰剂对纳米粒子的表面进行适当修饰，增强其生物兼容性，从而可以制备红外光激发的生物荧光探针，进而实现生物细胞、组织的荧光检测与标记。

一、上转换荧光光谱

    采用北京卓立汉光自主研发生产的OmniFluo“卓谱”荧光光谱测量系统测试NaYF4:Yb/Tm的上转换荧光光谱，激发光源选用980nm固体激光器，荧光光谱图如1所示；图2为Yb3+离子和Tm3+离子的能级跃迁图以及NaYF4:Yb/Tm的上转换发光机制。

图1  NaYF4:Yb/Tm的上转换荧光光谱

    图1 为NaYF4:Yb/Tm的上转换荧光光谱图，发射峰主要对应于Tm3+：289 nm左右对用于1I6→3H6，354 nm左右对应于1I6→3F4，361.5 nm左右对用于1D2→3H6，450 nm左右对用于1D2→3F4，475.5 nm左右对用于1G4→3H6，510.5 nm左右对用于1D2→3H5，646.5 nm左右对用于1G4→3F4，802.5 nm左右对用于3H4→3H6。

图2  Yb3+离子和Tm3+离子的能级跃迁图以及NaYF4:Yb/Tm的上转换发光机制

   图2 为Yb3+离子和Tm3+离子的能级跃迁图以及β-NaYF4:18%Yb,0.5%Tm的上转换发光机制，图中我们给出了样品各个上转换发射峰的电子布居过程。在980nm红外激光激发下，Yb3+离子首先被激发，然后通过三步能量传递过程来布居Tm3+蓝色上转换发光能级1G4。第一步：2F5/2→2F7/2(Yb3+):3H6→3H5(Tm3+)；第二步：Tm3+处于3H5能级上的电子快速无辐射弛豫到3F4能级，然后吸收一光子布居到3F2，3能级，2F5/2→2F7/2(Yb3+):3F4→3F2,3(Tm3+)；第三步：处于3F2,3能级上的电子快速无辐射弛豫到3H4能级，再吸收一光子能量布居到1G4能级，2F5/2→2F7/2(Yb3+):3H4→1G4(Tm3+)。布居1D2能级是通过能量传递3F2,3→3H6(Tm3+):3H4→1D2(Tm3+)完成的，为四光子过程。布居1I6能级是通过2F5/2→2F7/2(Yb3+):1D2→3P2(Tm3+)，3P2能级上的电子再无辐射弛豫到1I6能级，这一能量传递过程为五光子过程。

二、上转换荧光寿命

    采用北京卓立汉光自主研发生产的OmniFluo“卓谱”荧光寿命测量系统测试NaYF4:Yb/Tm的上转换荧光寿命，激发光源选用980nm固体激光器，激光器调制频率为50Hz，积分时间为1μs，测试发射波长分别为345nm、450nm、475nm，分别如图3、图4、图5所示。

图3 发射波长345nm

图4 发射波长451nm

图5 发射波长475nm