[发明专利]光热转换纳米材料及其制备及应用方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料和技术领域，涉及一种可同时实现纳米尺度加热、温度传感和上转换发光的光热转换纳米材料及其制备及应用方法。

背景技术

纳米材料因其独特的量子尺寸效应和表界面效应受到科技界的广泛重视。可精确实现微区选择加热的光热转换纳米颗粒(或称纳米加热器，nanoheater)在生物医学、微流控芯片、光学存储、激光直写等领域有着广泛应用。例如：光热转换带来的高热量可以破坏消除癌细胞，这种光热疗法相对传统的手术、放射或化学疗法，可以显著降低对体内正常组织的伤害以及其它副作用；利用光热效应还可实现基因的可控释放和药物传递；光热转换纳米材料产生的局域温升还可以驱动和操纵微流通道中的液体流动；或者实现3维甚至5维光学数据存储等。

光热转换纳米材料主要包括有机化合物、碳材料如碳纳米管、半导体纳米晶如CuS、金属纳米结构如Au壳等。特别是金属纳米结构，由于表面等离子体共振，对可见光或近红外光有强吸收特性，且光热转换效率高,吸收带易调控，成为理想的光热转换纳米材料。在生物医学领域，为了降低光热治疗对正常细胞组织的损伤和提高穿透深度，光源波长最好处于生物组织的高透射窗口(650-1350nm)。通过控制Au棒长径比或者Au壳内径和厚度可以获得近红外吸收带，但尺寸均较大(>50nm)，实际应用后不易清除出体外，在生物体内富集则带来较大危害。另外，将成像或温度监控等其它功能同时集成在光热转换纳米颗粒上，在光热转换的同时进行实时监控，无疑对实际应用有巨大帮助。虽然将荧光材料与金属纳米结构复合可实现微区加热和温度监控多功能集成，但结构较为复杂，制备工艺繁复，同时颗粒尺寸难以控制。

作为稀土发光材料的重要类型之一，上转换材料因其独特的光学性质(吸收近红外光而发射可见光)，在固态激光、立体显示、太阳能电池、生物医学等领域有着重要应用。特别是应用于生物检测或成像，上转换纳米颗粒相比有机染料分子或半导体量子点，具有毒性低、化学稳定性好、Stokes位移大、发射带窄、探测深度远、辐射损伤低、信噪比高等优点。基于其独特的光学特性，上转换纳米颗粒也成为构建多功能纳米系统的理想平台。当前常用的上转换材料约将吸收光能的1-5％转换为可见光发射，其它能量主要是以下转换发光或者发热释放，没有得到有效利用。如将将上转换材料所吸收的这部分光能高效转变成热能，同时利用其不同发射带强度比监测温度，再利用其独特的上转换发光特性实现成像，则可在单一化合物纳米颗粒平台上构建光学成像、温度传感和光热转换等多种功能集成的光学纳米加热器，其独特的优势在于：1)吸收带正好位于近红外区，可用价格低廉的商用半导体激光器作为光源，且实际应用时物质透过性好，背景荧光低；2)吸收带波长由稀土离子能级决定，不依赖颗粒尺寸，可获得小尺寸多功能纳米颗粒；3)上转换材料自身同时具有“发光”和“发热”功能，可在单一化合物纳米颗粒上实现多功能集成，结构和合成工艺相对简单，并可避免不同材料复合带来的负面效应。虽然也有文献报道将金属材料的光热转换性能和上转换材料的独特发光性能结合起来，构建上转换-金属核壳结构，但这类异质核壳结构同样存在制备工艺复杂和尺寸难控制等问题，且很难避免金属纳米结构对上转换发光的猝灭作用。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提出一种多功能集成光热转换纳米材料，其可在750-1100nm范围的近红外光激光激发下可发射520～660nm范围的可见光，同时可实现约5-300℃的温度上升，且所发射光中的525nm发射带与545nm发射带的比值与温度满足很好的指数关系，可实现温度检测功能。即该材料的显著特点是可吸收750-1100nm范围的近红外激光，并同时实现光热转换、上转换发光和温度检测的功能。

本发明的另一目的是提供一种多功能集成光热转换纳米材料的制备及应用方法，该制备方法简单、易于操作，无污染、成本低。

技术方案：为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种光热转换纳米材料，其化学表达式为：

AR_1-x-yF₄

所述AR_1-x-yF₄掺杂了Yb_x,Er_y，其中A为Li、Na或K中至少一种，R为Y、Gd、Lu或Nd中至少一种；其中0.01≤x≤0.6，0.001≤y≤0.1；

所述的光热转换纳米材料颗粒的粒度在5～40nm范围内。

一种上述光热转换纳米材料的制备方法，该方法包括下述步骤：