反蛋白石光子晶体中稀土离子的发光调控与荧光传感应用探索

发布时间：2020-10-27 15:44

　　 光子晶体的概念第一次是出现在1987年Yablonovitch的一篇具有深远意义的论文中。光子晶体的概念被提出以后,就引起了科研工作者广泛的关注并对其进行了深入的研究。光子晶体长程有序的周期性结构对电磁波的周期性调制会产生一个光子禁带。光子晶体控制光子的方式与半导体控制电子的方式基本上是一致的,对处于带隙内的特定频率光子产生抑制作用。近年来光子晶体在半导体发光器件、光子晶体过滤器、微波天线的基底、传感和激光器等方面得到了广泛的应用。其中一个非常重要的应用就是调控嵌入光子晶体中的发光材料的自发辐射。由于三价稀土离子具有4f→4f的内壳层跃迁,所以其发射光谱具有高的发光效率,窄的发射线和长的衰减时间常数等特点。研究三维光子晶体对稀土发光材料自发辐射的调制不仅可以让我们更加深入了解光子晶体的光学特性,而且可以利用光子晶体的薄壁、大孔结构有效的抑制发光材料的浓度猝灭、温度猝灭和局域热效应,减少发光材料的非辐射弛豫过程,有效地提高发光材料的发光效率。另外稀土掺杂的上转换纳米发光材料在生物传感和生物成像应用方面比着传统的发光材料有着不可比拟的特点和优势,比如高的信噪比,在人体组织中比较深的光穿透深度,对人体组织和细胞的损害比较小,不会产生光漂白。稀土掺杂的上转换纳米发光材料已经成为光谱物理领域研究的热点之一。本论文以稀土掺杂的发光材料为研究对象,首先研究了光子晶体对Eu3+离子自发辐射的调制作用和对稀土离子之间能量传递的抑制作用;其次通过探索光子晶体的特殊结构对稀土掺杂的氧化物上转换发光过程的调制作用,揭示了光子晶体结构可以有效抑制局域热效应和非辐射过程,可以作为提高Na Y(Mo O4)2:Yb3+/Er3+的上转换发光效率的一种有效的方法。最后我们根据上转换纳米发光材料的发光特性,对上转换纳米发光材料在生物荧光检测方面的应用进行了探索,取得的成果如下:[1]通过溶胶‐凝胶方法使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)模板成功制备了Na Y(Mo O4)2:Eu3+和Na Y(Mo O4)2:Tb3+,Eu3+反蛋白石光子晶体。通过对Na Y(Mo O4)2:Eu3+反蛋白石光子晶体和参考样品的发射光谱和荧光动力学的对比研究,观察到了反蛋白石光子晶体对Eu3+离子的发射光谱以及荧光动力学有效的调制作用。当Eu3+离子的发射光谱处于反蛋白石光子晶体带隙内的时候,Eu3+的发射光谱强度会受到一定程度的抑制;在Eu3+离子的荧光动力学方面,我们发现Eu3+离子的电子跃迁速率不随光子带隙位置的变化而发生变化,而且Na Y(Mo O4)2:Eu3+反蛋白石光子晶体中Eu3+离子的5D0→7F2跃迁寿命比着参考样品延长了1.56倍,这种寿命的变化不是来源于局域态密度的改变,而是有效折射率的变化引起的。更重要的是,因为反蛋白石光子晶体的结构,在反蛋白石光子晶体中Eu3+离子的浓度猝灭和Tb3+向Eu3+的能量传递都受到了一定程度的抑制。该工作对于理解光子晶体对稀土离子的自发辐射的调制以及对新型显示和照明材料的研发具有重要的参考价值。[2]通过溶胶‐凝胶方法使用PMMA模板制备了Na Y(Mo O4)2:Yb3+/Er3+反蛋白石光子晶体,观察到了光子晶体对Er3+的发射光谱以及荧光动力学有效的调制作用。首先,我们在Na Y(Mo O4)2:Yb3+/Er3+反蛋白石光子晶体中观察到了Er3+离子的2H9/2→4I15/2三光子上转换发光过程,而这个过程没有出现在相应的参考样品中,表明反蛋白石光子晶体结构有助于实现高阶上转换发光。这个现象归因于反蛋白石光子晶体对Er3+离子的中间能态辐射与非辐射速率的抑制作用,我们通过对温度依赖的上转换荧光动力学测试验证了这个观点。另一方面,我们发现因为反蛋白石光子晶体的周期性多孔结构,由激光辐照导致的局域热效应也受到了一定程度的抑制。该工作表明光子晶体结构可以作为提高上转换发光效率的有效载体。[3]我们根据Na YF4:Yb3+,Er3+上转换纳米粒子向Cd Te量子点荧光共振能量传递的原理,设计了一个检测汞离子的上转换荧光传感器,由于这种传感器克服了血清在可见光激发下产生自发荧光的缺点,所以它在缓冲液和血清中都具有很好的检测效果。当将这种荧光传感器用在血清中汞离子的检测时,它具有一个很好的线性度(R=0.993),而且它具有一个比较低的检测下限(15n M),比较容易检测到血液中汞离子25n M这样的安全线。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2016
【中图分类】：O734
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 光子晶体的定义和应用
        1.1.1 光子晶体的基本原理
        1.1.2 光子晶体的基本特征
        1.1.3 光子晶体的的分类以及制备方法
        1.1.4 光子晶体的应用
    1.2 稀土掺杂的光致发光材料
        1.2.1 稀土元素简介
        1.2.2 稀土掺杂发光材料的发光机理
    1.3 光子晶体对稀土发光材料自发辐射的调制作用
    1.4 上转换发光材料在生物检测中的应用
    1.5 论文的研究内容及其研究意义
    参考文献
4）₂:Tb³⁺,Eu³⁺反蛋白石光子晶体及其自发辐射调控的研究'>第2章 自组装合成NaY（MoO₄）₂:Tb³⁺,Eu³⁺反蛋白石光子晶体及其自发辐射调控的研究
    2.1 前言
    2.2 实验部分
        2.2.1 实验材料
        2.2.2 蛋白石光子晶体模板的制备过程
        2.2.3 反蛋白石光子晶体和参考样品的制备
        2.2.4 测试仪器
    2.3 实验结果与讨论
        2.3.1 结构与形貌表征
4）₂:Eu³⁺ 发射光谱的调制'>        2.3.2 反蛋白石光子晶体对NaY（MoO₄）₂:Eu³⁺ 发射光谱的调制
4）₂浓度猝灭的调制作用'>        2.3.3 反蛋白石光子晶体对NaY（MoO₄）₂浓度猝灭的调制作用
3+ 向Eu³⁺的能量传递的抑制作用'>        2.3.4 反蛋白石光子晶体对Tb³⁺ 向Eu³⁺的能量传递的抑制作用
    2.4 总结
    参考文献
4）₂:Yb³⁺/Er³⁺上转换自发辐射的研究'>第3章 反蛋白石光子晶体有效调制NaY（MoO₄）₂:Yb³⁺/Er³⁺上转换自发辐射的研究
    3.1 前言
    3.2 实验部分
        3.2.1 样品制备
        3.2.2 测试设备
    3.3 测试结果和分析
        3.3.1 基本表征
3+离子浓度相关的NaY（MO₄）₂上转换发光'>        3.3.2 与Er³⁺离子浓度相关的NaY（MO₄）₂上转换发光
        3.3.3 上转换发光的荧光动力学过程
    3.4 上转换荧光发射光谱和荧光动力学与温度的依赖关系
    3.5 总结
    参考文献
第4章 基于上转换纳米材料和量子点之间荧光共振能量传递的高灵敏度汞离子传感器应用研究
    4.1 前言
    4.2 实验部分
4:Yb³⁺, Er³⁺纳米粒子的合成'>        4.2.1 PEI修饰的NaYF₄:Yb³⁺, Er³⁺纳米粒子的合成
        4.2.2 水溶性的CdTe量子点的制备
        4.2.3 上转换纳米发光材料向量子点的共振能量传递过程的检测
        4.2.4 汞离子在PBS缓冲液中灵敏度和选择性测试
        4.2.5 在血清中对汞离子的含量进行检测
    4.3 实验仪器
    4.4 实验结果和分析
4:Yb³⁺, Er³⁺上转换纳米粒子和量子点的形貌和结构测试'>        4.4.1 NaYF₄:Yb³⁺, Er³⁺上转换纳米粒子和量子点的形貌和结构测试
4上转换纳米粒子向CdTe量子点的共振能量传递过程'>        4.4.2 NaYF₄上转换纳米粒子向CdTe量子点的共振能量传递过程
4: Yb³⁺, Er³⁺上转换纳米粒子和CdTe量子点在汞离子传感器中的荧光特性'>        4.4.3 NaYF₄: Yb³⁺, Er³⁺上转换纳米粒子和CdTe量子点在汞离子传感器中的荧光特性
    4.5 总结
    参考文献
第5章 结论与展望
    5.1 结论
    5.2 展望
作者简介及在学期间取得的科研成果
致谢

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本文编号：2858717