可用于生物检测研究的单分散、球形、红色上转换发光纳米晶＊

庞 涛，陈晶晶

（湖州师范学院 理学院，浙江 湖州313000）

0 引言

利用“荧光标记”示踪或成像分析是生物工程、临床医学等研究工作中的一项重要技术，但基于光频下转换原理的荧光标记存在自发荧光、光漂白、光损伤等缺点.而上转换发光材料可天然克服传统标记物的诸多缺点，目前已成为国际研究热点［1～4］.

相比于蓝、绿色上转换发光，红色上转换发光由于发射波长位于生物组织的“透明窗”波段，结合980nm的红外激发，可双向提高组织探测深度，因此在深层生物组织的成像方面具有更大的应用潜力［5］.

Er3＋可实现红色上转换输出，但由于能级结构丰富，通常都伴随绿光［6］.幸运的是，Er3＋发射谱带可以通过基质晶格的优化进行调控.根据Er3＋的上转换发光原理，要获得高纯度的红光并抑制绿光，4I11/2→4I13/2和4S3/2→4F9/2的非辐射弛豫至关重要［7］.理论上，较大声子能的基质晶格有利于获得高纯度的红光，但声子能过大，会降低辐射跃迁的几率.因此，要获得高强度、高纯度的红色上转换发光，基质晶格应具有大小适中的声子能.

Y2O3声子能量略大于氟化物，是一种优秀的红色上转换发光用基质晶格［8］.更重要的是，Y2O3属于立方对称结构，具有很好的各向同性生长特点，易获得单分散、球形纳米颗粒［9］.这对于生物标记特别是活体成像的应用特别重要.

本文选用均相沉淀法成功获得单分散、球形Y2O3：Yb3＋，Er3＋上转换纳米晶.在单一980nm 红外激光辐射下，该纳米晶发射良好色纯度的红色上转换发光，调节Yb3＋的掺杂浓度可对其上转换发光进行调制.上转换过程的研究表明，Yb3＋浓度的变化可改变不同发射过程的主次关系，甚至引入Er3＋到Yb3＋的反能量传递过程.

1 实验

1.1 原材料

Y（NO3）3·6H2O、Yb（NO3）3·6H2O 和Er（NO3）3·6H2O 纯度均为99.99%；尿素为分析纯.

1.2 Y2O3：Yb3＋，Er3＋纳米晶的制备

首先，称取适量的Y（NO3）3·6H2O、Yb（NO3）3·6H2O、Er（NO3）3·6H2O，配制成0.02mol/L 的稀土溶液.96g尿素溶于去离子水后，注入上述稀土溶液，得到总体积1.6L的混合溶液.将该混合溶液置入水浴锅中加热至82 ℃，观察到淡蓝色混浊后，计时30min.随后，于冷水中降至室温.室温下放置48h后，经离心分离、40℃干燥12h，得到白色前驱体粉末.最后，在700℃焙烧1h，得到一系列白色粉末状产物Y2O3：1%Er3＋，x%Yb3＋（x＝4，6，8，10，12）.

1.3 表征

Shimadzu－6000型X 射线衍射仪用于样品的物相纯度与晶体结构检测（XRD），电压40kV，电流30 mA.Hitachi F－4500型分光光度计用来测量样品的上转换光谱（ULS），激发光源为功率1W 的980nm 红外激光器.Tecnai G220型透射电子显微镜（TEM）用于分析样品的粒子尺寸和形貌.Magna－IR 550红外光谱仪用于样品的红外吸收谱测量（FTIR）.

2 结果与讨论

2.1 XRD谱与TEM观察

为了检测700°C煅烧下液相反应制得的前驱体是否充分分解而得到单一的立方相Y2O3，测试了Y2O3：1%Er，6%Yb样品的XRD谱（见图1）.从图1可看出，所得产物的衍射峰位与标准卡片JCPDS 65－3178的数据匹配良好.由此表明，700°C可使前驱体充分分解，且Y2O3：1%Er，6%Yb形成了完全固溶体.

图1 Y2O3∶1%Er,6%Yb的XRD谱Fig.1 XRD pattern of Y2O3∶1%Er,6%Yb

基于谢乐公式D＝kλ/Bcosθ（D为粒子直径；k为Scherrer常数通常取1；B为衍射峰的半高宽；θ为衍射角；λ＝0.154 056是X 射线的波长），估算Y2O3：1%Er，6%Yb的粒子尺寸约为15nm.

为了验证上述估算结果，图2给出了Y2O3：1%Er，6%Yb的TEM观察结果.颗粒平均尺寸约为50～60nm.估算结果与实测结果的较大差异可归因于均相沉淀法的聚集式生长方式［10］，所得产物呈规则球形形貌，且分散性良好.这些特点对于生物检测特别是活体成像应用至关重要.

2.2 上转换发光调制

为了获得强度最大、色纯度最好的红色上转换发光，本文研究了Yb3＋浓度变化对Y2O3：Yb，Er上转换发射的影响.

如图3所示，固定Er3＋浓度为1%，Yb3＋浓度由4%增加到12%.我们观察到：

（1）红光先增强后减弱，5个样品中6%Yb3＋样品的强度最大.

（2）绿光逐渐降低，直至在有限的泵浦功率下消失，5个样品中4%Yb3＋样品的强度最大.

（3）红外光呈现与红光发射相同的变化规律.

图2 Y2O3∶1%Er,6%Yb的TEM照片Fig.2 TEM image of Y2O3∶1%Er,6%Yb

图3 Y2O3∶1%Er3+,x%Yb3+的x=4,6,8,10,12照片ULSFig.3 ULS of Y2O3∶1%Er3+,x%Yb3+（x=4，6，8，10，12）

上述变化充分表明，不同上转换发光的微观机制不同.

为了评估红光强度最大样品Y2O3：1%Er3＋，6%Yb3＋的色纯度，本文计算了对应光谱的三刺激值，所得结果分别是：

X＝11 292，Y＝5 842，Z＝2 280.

代入公式：

求得色坐标为（0.581 6、0.300 9），对应图4中的B点.反向延长B与等能白点A 的连线交于光谱色轨迹线上的C点，即主波长的色点.基于饱和度的计算公式，求得饱和度为：

由此表明微弱绿光的存在对红光的色纯度有一定影响.虽然增加Yb3＋的掺杂浓度可改善红光的色纯度，但发光强度明显减弱（见图3）.综合比较，Y2O3：1%Er3＋，6%Yb3＋为最佳样品.

2.3 上转换发光机理

对于Yb3＋，Er3＋共掺系统，人们通常认为（见图5a）：

图4 CIE 1931色度图Fig.4 CIE 1931 chromaticity diagram

（1）绿光经ET1＋ET2＋NR1＋RT1→green过程产生.

其中：ET1指Er3＋吸收Yb3＋传递的能量由基态跃迁的4I11/2能级；ET2指4I11/2能级的部分Er3＋再次吸收Yb3＋传递的能量从4I11/2能级跃迁至4F7/2能级；NR1指Er3＋由4F7/2能级非辐射跃迁到2H11/2与4S3/2能级；RT1指Er3＋经辐射跃迁分别由2H11/2与4S3/2能级跃迁至基态.

（2）红光的产生有两个过程，分别是：

ET1＋ET2＋NR1＋NR2＋RT2→red；

ET1＋NR3＋ET3＋RT2→red.

其中：NR2指4S3/2能级上的部分Er3＋经多声子弛豫衰减至4F9/2能级；NR3指跃迁到4I11/2能级的Er3＋经历多声子弛豫衰减至4I13/2能级；ET3指4I13/2能级上的Er3＋吸收来自Yb3＋的能量跃迁到4F9/2能级；RT2指Er3＋由4F9/2能级辐射跃迁返回基态.

（3）近红外的产生也包括两个过程，分别是：

ET1＋ET2＋NR1＋NR2＋NR4＋RT3→infraed；

ET1＋NR3＋ET3＋NR2＋NR4＋RT3→infraed.

NR4指4F9/2能级上的Er3＋经历非辐射跃迁过程，布居4I9/2能级；RT3指4I9/2→4I15/2辐射产生近红外光.

图5 Y2O3∶1%Er,6%Yb色度转%过程（a）与FTIR谱（b）Fig.5 Upconversion processes (a) and FTIR spectrum (b) of Y2O3∶1%Er,6%Yb

图3中Yb3＋浓度引起的光谱变化表明上述过程必定有主次之分，甚至有新的过程发生.由于Y2O3：4%Yb，1%Er主要发射红光，仅伴随较弱的近红外和微弱的绿光，可以推知绿光发射能级的布居过程ET2必定被某种过程所抑制.根据Miyakawa－Dexter理论，多声子弛豫速率：

其中：α、ω0为与基质有关的常数；ΔE为能隙；ħω为基质声子能［11］.结合图5（a）可知，基质的声子能ħω越大，越有利于NR2和NR3的发生.图5（b）中的FTIR 谱表明，Y－O 键的振动能大约是570cm－1，因此NR2和NR3过程的发生需要5～6个声子同时参与，显然正常情况下两个过程发生的几率非常低，即样品应以绿光为主.然而，该假设与图3中的实验结果完全不符.考虑到纳米晶表面存在大量断键，必定吸附某些基团以降低表面能，图5（b）中观察到的OH－和验证了这一点.高能振动基团OH－和的存在，加大了NR2和NR3的发生几率，从而导致红光甚至近红外光强于绿光［12］.与4%Yb3＋样品相比，6%Yb3＋样品的绿光减弱，红光和近红外加强，说明ET2被进一步抑制.因为抑制ET2的两个非辐射弛豫过程NR2和NR3与敏化剂Yb3＋浓度无关，且Yb3＋浓度变化并不会改变纳米晶表面基团的吸附情况，所以Yb3＋浓度由4%增加到6%必定引起一个新的过程.从能量匹配的角度考虑，我们认为随着Yb3＋浓度的增加，Er3＋到Yb3＋的反能量传递（ET2 逆过程）开始发挥作用，即2F5/2（Yb3＋）＋4F7/2（Er3＋）→2F7/2（Yb3＋）＋4I11/2（Er3＋）［13］.该过程的发生进一步减少4S3/2（Er3＋）的粒子数布居，从而抑制绿光.但此时ET2逆过程并不是主导过程，因此虽然ET2有一定程度减弱，导致红光发射能级布居过程NR2的贡献减小，但由于ET3过程得到一定加强，结果红光反而变得更强.同时，NR4也得到一定加强，表现为近红外发射增强.继续增加Yb3＋浓度，ET2逆过程的作用逐渐占主导地位，导致绿光消失，红光和近红外光也随之减弱.

3 结论

本文研究了Y2O3：Yb3＋，Er3＋纳米晶的合成、光谱调制及发光机理，所得结果如下：

（1）均相沉淀法制备Y2O3：Yb3＋，Er3＋纳米晶，可获得良好分散性的球形纳米晶，对于生物探测应用非常有利；

（2）Y2O3：Yb3＋，Er3＋具有很好的红色上转换发光特性，且红光的强度和色纯度可通过Yb3＋浓度的变化进行有效调控；

（3）Yb3＋到Er3＋的能量传递过程负责上转换发射的产生，但Yb3＋浓度的变化会改变不同过程的主次关系，甚至引起Er3＋到Yb3＋的反能量传递过程.

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