[发明专利]增强稀土掺杂颗粒中的上转换发光

说明书

技术领域

本发明一般地涉及用于增强上转换发光的方法、系统和/或颗粒，优选地用于增强掺杂有稀土金属的颗粒中的上转换发光。

背景技术

例如，将红外辐射转换成更高能量可见发光的上转换纳米晶体有很大的希望应用于生物检测、生物成像、太阳能电池以及3-D显示技术中。镧系元素掺杂的上转换纳米晶体通常掺杂有吸收红外辐射的镱Yb³⁺敏化剂离子，并且将顺序激发非辐射地传输给激活剂离子，例如，铒(Er³⁺)、铥(Tm³⁺)、或钬(Ho³⁺)。传统上，已经深入研究了与Yb³⁺离子共振并且具有～0.3％量子产率用于上转换发光的Er³⁺离子，将其用于生物标记和背景自由成像。在低辐照度激发Tm³⁺之下，激活剂不如Er³⁺亮，然而，在大约802nm处的Tm³⁺红外发射位于“生物组织透明窗”内。

在一个示例上转换系统中，发光镧系离子用作激活剂(也称为发射器)，但是具有较小的吸收截面来直接吸收入射的红外辐射。同样，在红外线处具有大得多的吸收截面的敏化剂离子(例如，Yb)用作一种天线，该天线用于不辐射地将能量传输给激活剂。

虽然在合成过程中的新进展已使得能精确地控制上转换纳米晶体形态、结晶相以及发射颜色，但是依然难以实现强烈的上转换发光。克服这个问题的尝试包括使用贵金属纳米结构来通过表面等离子体增强能量传输率。基本的限制是敏化剂和激活剂的浓度不能增大为超过较低的阈值，这是因为这引起发光大幅下降，称为“浓度猝灭”。确定在NaYF₄主晶格内的优化的掺杂浓度为在0.2～0.5mol％的Tm³⁺和20～40mol％的Yb³⁺范围内。这些值建立在100W/cm²的低辐照度之下。

发明人培养了对在稀土掺杂颗粒中有助于浓度猝灭的因素的理解，并且开发了能够尽可能减少或避免浓度猝灭的方法、系统和/或颗粒，以便(例如)成千上万的发射器(以及敏化剂)可以嵌入上转换纳米晶体内，这产生了扩增的和出色的亮度。

发明内容

在各种形式中，本发明提供了用于增强上转换发光的方法、系统和/或颗粒，例如，纳米晶体和微晶体(被视为块状材料(bulk material))，其优选地使用掺杂有稀土元素或金属的颗粒。

在第一方面，本发明提供了一种用于增强包括基质材料、敏化剂和/或激活剂的稀土掺杂的颗粒的上转换发光的方法，所述方法包括使颗粒经受增加的辐照度或最低水平的辐照度。在一个特定的实例中，激活剂以高浓度存在，并且敏化剂以与激活剂浓度匹配的充足浓度而存在。

增加的辐照度或最低水平的辐照度比目前使用的低于100W/cm²的低辐照度水平更高。

优选地，增强上转换发光包括增强发光强度和/或亮度和/或上转换效率。

所述方法可以包括使所述颗粒经受足以克服或逆转上转换发光的浓度猝灭的辐照度。

所述方法可以包括使所述颗粒经受足以引起激活剂的上转换能态的布居(population)的辐照度。

优选地，所述激活剂具有从敏化剂的激发态能级(sensitiser excited state level)接收共振能量的中间元稳定能级(intermediate meta stable energy level)。

中间元稳定能级可以低于敏化剂的激发态能级。或者，中间元稳定能级可以高于敏化剂的激发态能级。

所述颗粒可以被配置为从敏化剂与激活剂之间减少、最小化或者排除猝灭剂。

所述颗粒可以是芯壳颗粒，其中，芯包括基质材料、高度掺杂的敏化剂以及激活剂，并且外壳至少部分包括防止、延迟或者抑制表面猝灭的一种或多种材料或者由其构成。