Advanced Materials:单一稀土离子的正交上转换发光用于指纹鉴定和爆炸物残留同步分析

光由于具有较高的时空分辨,波长、强度等参数易于精确调节的优势,从而广泛应用于能源与环境、显示与成像、化学与生物传感等领域。镧系离子掺杂的上转换发光纳米颗粒(UCNPs)可以将低能量的近红外激发光转换成高能量的可见光,有效地克服了下转换材料高能激发光所带来的强背景信号干扰等问题;同时由于镧系离子具有丰富的能级结构,使其发射波长、发光寿命等光学参数易于调控,因此UCNPs在纳米光学传感分析领域倍受青睐。

传统UCNPs中激活剂稀土离子不同发光能级上光子跃迁概率是固定的,因此无论在什么激发条件下颗粒都只能发射出特定颜色的光。然而复杂体系中多组分待测物的同步分析,或者生理/病理过程的多通道、可逆调节信号过程需要发展具有可调、多重发光信号输出的纳米发光材料。因此,如何利用稀土离子丰富的能级结构来设计、构建单颗粒、多重发光的上转换发光纳米探针,成为该研究方向的重大需求和挑战。

新加坡国立大学生物医学工程系张勇教授课题组发现不同敏化剂离子掺杂的空间位置不同将引起980nm(对应于Yb离子)和808nm(对应于Nd离子)激发光能量传递距离不一样,使得不同激发条件下发光离子(Er)的能量传递途径发生改变,并利用此策略构建了一种新的哑铃状正交上转换发光纳米颗粒,NaYF4:Yb/Er/Mn@NaYF4:Yb@NaNdF4:Yb。由于在包覆两层壳层过程中,核纳米晶表面掺杂的Mn离子逐步被Y离子置换,而保留在晶格内部的Mn离子在980nm激发下将会调控Er离子的能量传递途径,使颗粒发光以红光为主;在808nm激发时,由于能量要从外层逐步传递到核层,使得晶格内部的Er-Mn离子对大部分都没有被激活,颗粒表现出发绿光的性质。利用这种单颗粒在不同激发条件下的正交发光特性,研究者发展了一种新的正交检测策略,很好地解决了现有指纹成像检测方法存在的缺陷,在保留指纹清晰成像的同时,实现了指纹内残留物(例如爆炸物TNT)的快速分析。

研究者相信,此项研究将会为上转换发光纳米材料中稀土离子能级跃迁的调控研究提供新的思路,并为上转换发光纳米探针的构建提供新的策略。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201906225)上,并入选当期Advance Materials杂志的插页介绍。