NaYF4:Yb/Tm上转换发光性质研究

       上转换荧光材料是一类在长波长光激发下能产生短波长光的发光材料，基于这个特点，上转换发光材料在生物荧光标记、太阳能电池、红外光电探测、激光及显示等众多领域具有巨大的应用前景。稀土掺杂的上转换发光纳米材料的激发光为红外光，且生物组织的光透过窗口处于红外波段，这意味着能够有实现荧光探针体内发光。另外稀土掺杂的上转换发光纳米材料还具有发光灵敏性高，光稳定性好，化学性质稳定，生物毒性低等优点。因此，稀土掺杂的上转换发光纳米材料有望成为理想的具有应用前景的生物荧光探针。

       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

结论：
    多光子参与的上转换发光过程能够将低频率的激发光转换成高频率的发射光，在能源、YL、环保和通信等领域都有着重要的应用。北京卓立汉光自主研发生产的OmniFluo“卓谱”荧光寿命测量系统，配备可调频980nm固体激光器(可根据客户需求，配置其它波长激光器)。当测试样品的上转换荧光光谱时，激光器工作于稳态模式，便于调节光路；当测试样品的上转换荧光寿命时，可直接对激光器进行调频，无需重新调节光路和样品的摆放位置，即可得到测试结果。这样既节省了换用激光器的调试时间，又保证了测量的准确定，是您测试上转换荧光以及荧光寿命的选择。

OmniFluo“卓谱”荧光寿命测量系统

【本文作者：分析仪器事业部（AID）应用研发部石广立工程师】

（来源：北京卓立汉光仪器有限公司）