Angew：新型上转换纳米颗粒设计！

具有光学活性的有机荧光染料、量子点荧光材料作为生物荧光标记已经成为研究热点，然而这些纳米探针不同程度的存在着化学稳定性和荧光稳定性差、背景荧光干扰严重以及生物毒性高等缺陷。镧系掺杂的上转换纳米颗粒中，稀土离子可以产生具有截然不同的能量激子，从而得到理想设计的激发光谱，极有可能替代有机染料和量子点等发光材料。

而核壳结构上转换纳米颗粒的出现，使得纳米颗粒的功能化和调控稀土物质之间的相互作用成为可能，更加容易得到具有均匀尺寸、一致表面结构，尤其是精准发光性能的上转换纳米颗粒，从而可以用于生物成像和检测，不需要传统检测方法所依赖的标记物。

有鉴于此，复旦大学张凡教授等人报道了一种一核多壳的镧系掺杂上转换纳米颗粒：NaGdF4:Yb, Er@NaYF4:Yb@NaGdF4:Yb, Nd@NaYF4@NaGdF4:Yb, Tm@NaYF4。

图1. 发光原理以及表征

如果把这种材料结构表示为C-S1-S2-S3-S4-S5（C-核，S-壳），那么，C-S1-S2部分（NaGdF4:Yb,Er @NaYF4:Yb@NaGdF4:Yb,Nd）用于796 nm激发条件下Er³⁺主导的绿/红上转换发光；S3部分（NaYF4）作为绿光和蓝光之间能量传递层的阻碍；S4部分（NaGdF4:Yb,Tm）用于980 nm激发条件下Tm³⁺主导的紫外/蓝上转换发光，同时也作为一种吸收过滤层，通过其厚度控制调节内核中Er³⁺主导的上转换发光；最外层的S5部分（NaYF4）用于最大程度地减少缺陷和外部失活因素。之所以这样设计内外结构，还有一部分原因是796 nm激发的上转换发光比980 nm激发的更敏感，所以作为内核。

这种全新设计的具有过滤壳层的core-multishell结构的镧系掺杂上转换纳米颗粒，通过调节吸收过滤层（NaGdF4:Yb,Tm）的厚度，成功实现了两组相对独立的正交激发-发射上转换发光：796 nm激发条件下Er³⁺主导的绿/红上转换发光，980 nm激发条件下Tm³⁺主导的紫外/蓝上转换发光，而且不受能量密度的影响，避免了局部过热等问题。通过多维度防伪、生物成像治疗等应用，验证了这种材料的实用性和独特性！

图2. 发光性能

图3. 防伪应用

图4. 生物应用

 

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Xiaomin Li, Zhenzhen Guo, Dongyuan Zhao, Fan Zhang et al. Filtration Shell Mediated Power Density Independent Orthogonal Excitations–Emissions Upconversion Luminescence. Angew. Chem. Int. Ed.2016, 55, 1–7.