Review on the application of upconversion nanomaterials in heavy metal detection

As a widespread element,heavy metals have a significant impact on human health and threaten human health.It is of great significance to develop analytical technologies that can detect heavy metal ions quickly and accurately.In comparison to conventional fluorescent materials such as organic dyes,quantum dot(QD)labels,and carbon quantum dots(CD),fluorescence detection technology utilizing lanthanide(Ln)ion-doped upconversion nanoparticles(UCNPs)stands out due to its distinctive attributes.These include a notably reduced autofluorescence background,enhanced tissue penetration capabilities,biocompatibility with cellular tissues,and minimal photodamage inflicted on biological samples.The utilization of this technology has garnered considerable attention across multiple fields.In the domain of heavy metal detection,traditional laboratory methods necessitate costly instrumentation and a fully equipped laboratory,involving intricate sample processing procedures and protracted detection periods,as well as a demand for skilled personnel.In contrast,the implementation of this material offers rapid and cost-effective detection,significantly mitigating the technical barriers for operators.Consequently,this represents an exceptional avenue to curtail expenses and broaden the scope of detection within the analytical process.This paper reviews the research progress of UCNPs in the detection of heavy metal ions,encompassing a brief elucidation of the luminescence principle of upconversion nanomaterials and commonly used detection principles.Additionally,it provides a detailed overview of the research status of several common non-metal ions and essential heavy metals.Furthermore,it summarizes the current focal points in UCNP detection and discusses the challenges and prospects associated with it.

Phonon-assisted upconversion photoluminescence of quantum emitters

Quantum emitters are widely used in quantum networks,quantum information processing,and quantum sensing due to their excellent optical properties.Compared with Stokes excitation,quantum emitters under anti-Stokes excitation exhibit better performance.In addition to laser cooling and nanoscale thermometry,anti-Stokes excitation can improve the coherence of single-photon sources for advanced quantum technologies.In this review,we follow the recent advances in phononassisted upconversion photoluminescence of quantum emitters and discuss the upconversion mechanisms,applications,and prospects for quantum emitters with anti-Stokes excitation.

钬离子掺杂氟氧钇亚微米晶的荧光量子化表征与温度传感特性研究

采用水热合成法和高温煅烧法相结合制备了Ho^(3+)/Yb^(3+)共掺杂三方晶系的YOF亚微米晶体,该晶体具有较强的量子产率和良好的灵敏度。在977 nm激光泵浦下对晶体颗粒的上转换发光性能进行表征,利用荧光光谱测试系统绘制出样品的光谱功率分布。计算了光量子数分布和量子产率等绝对荧光参量。展示了在303~433 K温度范围内的荧光上转换发光性能并计算了灵敏度。测试结果表明,在977 nm激光激发下泵浦功率密度为73 m W/mm~2时,总光通量达到3.35 mlm,Ho^(3+)的绿光和红光的量子产率分别为2.97×10^(-5)和1.40×10^(-5),较高的量子产率确保了足够的荧光强度来实现温度反馈。在303 K时有最大相对灵敏度为0.437%K^(-1),当温度升至433 K时相对灵敏度仍能保持在0.331%K^(-1)。因此Ho^(3+)/Yb^(3+)共掺杂YOF亚微米晶体作为一种高效发光和高温度灵敏度材料为温度传感领域提供了一种潜在的选择。

荧光共振能量转移上转换适配体探针法检测牛奶中的痕量氯霉素

本研究合成了亲水性稀土掺杂的上转换荧光纳米颗粒(UCNPs)作为荧光能量的供体,金纳米颗粒(AuNPs)作为荧光能量的受体,基于荧光共振能量转移(FRET)体系,建立了检测痕量氯霉素(CAP)的适配体探针方法。UCNPs在波长980 nm激发下,在波长547 nm处有特征发射光。柠檬酸钠还原法制备的AuNPs在波长519 nm处有吸收峰。UCNPs通过链霉亲和素-生物素放大系统连接CAP适配体,形成荧光供体探针(UCNPs-apt),AuNPs与修饰巯基的CAP互补链连接,形成荧光受体探针(AuNPs-cDNA)。由于适配体和cDNA的碱基互补配对,发生FRET导致UCNPs荧光猝灭,加入CAP后部分荧光恢复。在最优的检测条件下,CAP浓度与荧光恢复值具有良好的线性关系,线性范围为0.01~10 ng/mL,检测限为5 pg/mL。采用本方法对牛奶样品进行加标回收实验,回收率在93.5%~99.4%之间,相对标准偏差为1.18%~2.84%。该方法具有简单、特异性强、灵敏度高、抗荧光背景干扰能力强等特点。

基于光充能的多重荧光安全防伪织物的研究

SrS∶Eu,Sm具有红外响应频带宽、效率高等特点,是一种理想的上转换荧光防伪材料。以高温固相法和共沉淀法规模化制备出SrS∶Eu,Sm和NaYF4∶Yb,Er上转换荧光粉(SrS-NaYF4UCPs),通过共混后丝网印刷得到具有多波段、宽频带响应的安全防伪织物,织物经过日光下充能后在980nm激发光下印刷图案会逐渐变色发光,在850nm红外摄像头及智能手机红外镜头下可响应发光。通过扫描电子显微镜、X射线衍射仪和荧光光谱仪等多种表征手法,对所制备荧光粉结构、形貌以及发光性能进行了表征,证明了该织物在防伪、防偷拍领域广阔的应用前景。

基于上转换纳米材料的免疫检测技术应用

免疫分析法具有简便、快速、准确等特点,广泛应用于医学、食品、环境等领域检测,将免疫分析方法与纳米材料相结合可以提高免疫分析的性能。与传统纳米材料相比,上转换纳米颗粒(upconversion nanoparticles,UCNPs)具有光稳定性好、发光寿命长和狭窄及可调整的发射带等优秀的光学性质,与免疫分析相结合可显著降低背景噪声,提高分析灵敏度。本文简要介绍了UCNPs的发光机制,对UCNPs的合成和表面修饰方法进行了总结,并详细论述荧光共振能量转移、内滤效应、磁分离技术、上转化连接免疫吸附技术和上转换免疫层析技术五种基于UCNPs的免疫检测技术,最后对该技术所面临的挑战和前景进行总结和展望,以期为UCNPs免疫检测技术的发展提供理论指导。

稀土激活的荧光热增强材料研究进展

自从尺寸依赖的上转换荧光热增强现象在稀土激活的纳米荧光材料中被发现以来,开发具有显著荧光热增强效应的稀土荧光材料俨然成为了一个研究热点。近期的探索发现荧光热增强效应在非纳米尺度稀土荧光材料体系以及非上转换发光过程中均可实现,这进一步拓展了这一有趣光学现象的应用场景。本文总结和归纳了稀土激活荧光热增强材料的最新研究进展,概述了所提出的几类机理以及稀土荧光热增强材料的潜在应用场景,并展望了该类材料的研究发展方向。

上转换发光纳米材料对钙钛矿太阳能电池迟滞效应和离子迁移动力学的影响

迟滞效应是影响钙钛矿太阳能电池性能和稳定性的重要问题,离子迁移和由此产生的界面离子积累是引起迟滞效应最重要的原因之一。本研究采用上转换发光纳米材料(Upconversion Luminescent Nanoparticles,UCNP)修饰电子传输层/钙钛矿活性层的界面及本征钙钛矿活性层,系统探究了UCNP对钙钛矿的形貌、结构、光谱/光电性能和离子迁移动力学的影响。结果表明:钙钛矿活性层经过UCNP修饰后器件的光电转换效率(Power Conversion Efficiency,PCE)最佳(16.27%),而且迟滞因子(Hysteresis Factor,HF)得到显著改善(0.05)。进一步采用回路切换瞬态光电技术系统探究了钙钛矿太阳能电池不受光生载流子干扰的离子迁移动力学过程,证明UCNP在光电转换过程中起到抑制离子累积和迁移的双重作用:一方面UCNP可以形成阻隔层,阻碍离子累积;另一方面,UCNP可以在退火过程中进入到钙钛矿体相晶界处,阻碍离子迁移,使恢复电压从0.43 V降低到0.28 V。极化诱导缺陷态模型解释了离子-载流子相互作用机制,阐释了UCNP抑制钙钛矿光伏器件迟滞效应的机理。本研究可以为调控钙钛矿太阳能电池迟滞提供一种有效的解决方案。

基于高温HF/H_(2)法的YF_(3)∶Yb^(3+),Er^(3+)上转换发光性能增强研究

近年来,稀土材料因其独特的上转换光致发光特性备受关注。采用共沉淀法制备了掺杂Yb^(3+)和Er^(3+)的YF_(3)上转换发光材料。为了提高晶体结晶度和消除氧杂质的影响,采用500℃高温和HF/H_(2)气氛进行脱水除氧处理。通过X射线衍射(XRD)、氧分析仪、红外吸收光谱和荧光光谱等手段进行全面表征。结果表明:经过HF/H_(2)气氛高温脱氧处理的样品具有更高的结晶度和更优异的发光性能,表现出更高的量子产率。揭示了氧杂质对YF_(3)∶Yb^(3+),Er^(3+)上转换发光材料性能的负面影响,而采用高温HF/H_(2)气氛处理是提高发光性能的有效途径,为类似发光材料的研究提供了新思路。

稀土掺杂上转换纳米材料在金属离子检测领域中的应用

重点综述了基于稀土掺杂上转换纳米材料(REEs-UCNPs)构建荧光共振能量转移(FRET)体系或发光共振能量转移(LRET)体系来实现对金属离子定量分析检测的研究进展,并对REEs-UCNPs在生物医学、卫生分析和环境检测等领域应用的未来发展趋势进行了展望。

上转换纳米材料在食品安全检测中的研究进展

近年来,上转换纳米材料在食品安全检测领域得到了快速的发展。上转换纳米粒子(Upconversion nanoparticles,UCNPs)可将近红外光转换为可见光,具有荧光背景低、化学稳定性好等特点,能够提高检测的灵敏度和准确性。本综述总结了当前常用的UCNPs表面功能化策略,概述了近年来UCNPs在食品安全检测中的研究进展,探讨了UCNPs在实际应用中所面临的一些问题和挑战,展望了UCNPs在食品安全检测领域未来的发展前景。

基于上转换信标探针构建信号放大近红外激发荧光生物传感器用于microRNA检测

基于Na YF_(4):Yb^(3+),Tm^(3+)@Na YF_4上转换纳米颗粒(Upconversion nanoparticles,UCNPs)和DNA催化发夹组装(Catalytic hairpin reaction,CHA)技术构建近红外激发(Near-infrared,NIR)荧光生物传感器,用于micro RNA的高灵敏分析。靶标micro RNA-21(mi RNA-21)可与磁珠(Magnetic beads,MBs)表面修饰的发夹H1发生toehold区域介导的链取代反应,发夹H1暴露新的toehold区域与UCNPs表面修饰的发夹H2发生反应,形成H1/H2复合物,同时mi RNA-21被取代并与新的发夹H1反应,此过程将UCNPs固定于MBs表面,而且实现了信号的循环放大。接下来通过磁分离技术,将固定于MBs表面的UCNPs分离出来,在808 nm NIR的激发下产生上转换发光(Upconversion luminescence,UCL),对mi RNA-21的检测范围为0.1~100 nmol/L,检出限为11.3 pmol/L。此外,该荧光生物传感器成功应用于血清样本中mi RNA-21的分析,表明其具有良好的实用性。

核壳结构上转换发光纳米粒子的合成及用于细胞色素C的检测

本工作合成了三层核壳结构的上转换发光纳米粒子,其中第一层是惰性核,第二层为发光层,为了增强上转换发光强度,又在表面包覆了第三层惰性壳层。该材料粒径均一、分散性良好,其发光层厚度约为2.4nm,惰性壳层厚度约为2.9nm。在其表面修饰了细胞色素C的适配体链及互补链,在适配体的3’端修饰了BHQ3基团,能够猝灭上转换纳米粒子在655nm波长处的发光。当细胞色素C存在时,适配体与细胞色素C结合从而离开其表面,使655nm处的发光恢复。在检测过程中,540nm处的发光强度不会发生变化,可以用作细胞色素C的比率荧光检测。结果表明,当细胞色素C浓度在5~80μmol/L范围时,发光信号恢复程度与细胞色素C浓度呈线性相关,相关系数为0.998,检出限为1μmol/L。所建立方法可为细胞色素C的荧光检测提供一种新的技术思路。

基于稀土掺杂上转换纳米材料NaYF_(4):Yb,Er@TGA直接对金属离子进行定量分析的方法探究

目的:基于荧光猝灭或增强机制,构建稀土掺杂上转换纳米材料NaYF_(4):Yb,Er@TGA直接对金属离子进行定量分析的方法,实现对金属离子快速、准确、灵敏检测。方法:通过溶剂热法制备出性能优良的稀土掺杂上转换纳米材料NaYF_(4):Yb,Er@TGA,并对其进行表征;通过测量14种常见的金属离子对NaYF_(4):Yb,Er@TGA荧光强度的影响,筛选能够引起NaYF_(4):Yb,Er@TGA荧光强度增强或下降,且与金属离子浓度呈线性关系的金属离子类型,进而建立检测新方法。结果:金属离子Mg^(2+)、Fe^(3+)分别在浓度范围为0~7.00μg/mL、0~6.00μg/mL与NaYF_(4):Yb,Er@TGA的荧光强度呈现良好的线性关系,其标准曲线方程的线性系数分别为0.9924、0.9982,检出限分别为1.79μg/mL、1.30μg/mL,加标回收率分别为95.5%~98.8%、92.5%~97.8%,方法相对标准偏差分别为4.05%、8.18%。结论:该方法检测限低、准确度较高、精密度较好,有望用于实际样品中Mg^(2+)、Fe^(3+)定量分析。

Lu^(3+)对Er_(2)Mo_(4)O_(15):Tm^(3+)功率响应上转换发光色度的影响

在前期报道的Er_(2)Mo_(4)O_(15):4%Tm^(3+)体系中,通过引入惰性的Lu^(3+)对Er^(3+)进行格位替换,使得功率响应的色度调控能力实现31.5%的提升.机理研究表明,当Lu^(3+)掺杂时,晶胞收缩使得Er^(3+)-Tm^(3+)耦合加强,处于^(4)I_(11/2)能级的电子被更多地以Er^(3+)→Tm^(3+)→Er^(3+)的方式选择性布居红光发射能级,从而使得低功率时的I_(R)/I_(G)增大.由于增强的Er^(3+)-Tm^(3+)耦合使得功率项系数增大,所以IR/IG表现出更好的功率响应特性.该研究报道了一种精细调控Er^(3+)-Tm^(3+)耦合的策略,可为功率响应变色上转换发光的设计提供参考.

基于高分辨率镧系掺杂氧化物玻璃的空间三维投影

本文介绍了一种新型高效发光、高分辨率镧系掺杂氧化物玻璃的空间三维投影显示。利用镧系元素掺杂的氧化物玻璃作为空间三维投影的承载介质,测量氧化物玻璃的分辨率以及受红外光激发时的荧光光谱,并分析该材料的上转换发光机制,通过搭建实验系统,实现了三维空间悬浮显示。

荧光纳米材料在食源性致病菌检测方面的应用进展

食源性致病菌是威胁人类健康的重要因素,严重威胁人类健康和社会经济。食源性致病菌的高效快速检测是其有效防治的基础。荧光纳米材料具有尺寸小、荧光性强、光稳定性好和生物相容性高等特性,可与各种检测方法结合,近年来在食源性致病菌检测方面的应用越来越广泛。该文对量子点、上转换纳米颗粒、金属纳米簇和碳点4种纳米材料在食源性致病菌检测方面的研究和应用进行综述,以期为食源性致病菌的快速检测提供参考。

棒状结构NaGdF_(4):Yb^(3+),Er^(3+)上转换发光性能的研究

以乙二胺四乙酸二钠(EDTD-2Na)为螯合剂,采用水热法合成了棒状结构的NaGdF_(4):Yb^(3+),Er^(3+)纳米粉末。分别借助X射线衍射(XRD)、荧光光谱仪(PL)和扫描显微镜(SEM)对其晶体结构、发光强度和表面形貌进行分析和表征。探究了稀土前驱体、水热温度和水热时间的实验条件对NaGdF_(4):Yb^(3+),Er^(3+)纳米粉末上转换发光强度的影响;研究了氟源和钠源对NaGdF_(4):Yb^(3+),Er^(3+)晶体形貌和上转换发光强度的改善;同时,采用煅烧处理的方法,进一步探究样品的形貌和发光强度收到的影响。实验结果表明NH4F与NaOH作为氟源和钠源及200℃煅烧1 h得到的棒状结构NaGdF_(4):Yb^(3+),Er^(3+)的发光强度最好,色坐标(CIE)绿色发光强度从84%提升到94.88%。

高热稳定CaGdAlO_(4)∶Er^(3+)/Yb^(3+)荧光粉的上转换发光及其温度传感性能

获得具有良好热稳定性和发光性能的非接触式光学温度传感材料是目前的研究热点之一,本工作通过高温固相法制备了Er^(3+)/Yb^(3+)共掺CaGdAlO_(4)∶Er_(x),Yb_(0.10)(x=0.006、0.008、0.010、0.012、0.014)荧光粉,尺寸大小分布在0.6~4.2μm。在980 nm激光激发下,该荧光粉在500~700 nm发射谱由两个发射带组成,528和550 nm处两个较强的绿光发射带,归属于Er^(3+)的^(2)H_(11/2)→^(4)I_(15/2)、^(4)S_(3/2)→^(4)I_(15/2)能级跃迁,663 nm处较弱的红光发射带,归属于Er^(3+)的^(4)F_(9/2)→^(4)I_(15/2)能级跃迁。上转换发光强度最大组分为CaGdAlO_(4)∶Er_(0.010),Yb_(0.10)。300~573 K变温发射谱表明,基于荧光强度比FIR_(528/550)参数,温度传感绝对灵敏度S_(A)从44.4×10^(-4) K^(-1)(@300 K)先增大到52.0×10^(-4) K^(-1)(@445 K)随后减小到49.0×10^(-4) K^(-1)(@573 K)。相对灵敏度S_(R)则从0.95×10^(-2) K^(-1)(@300 K)单调减小到0.27×10^(-2) K^(-1)(@573 K)。冷热循环实验表明该材料的热重复性优于98%。结果表明,CaGdAlO_(4)∶Er_(0.010),Yb_(0.10)荧光粉在光学温度传感领域具有潜在的应用前景。

复合上转换纳米材料的制备及其性能研究的综合实验设计

基于水热法制备高分散纳米粒子NaYF_(4)∶Yb,Er纳米粒子,在其外层包覆介孔二氧化硅(MSN),并进一步修饰了聚多巴胺(PDA)和透明质酸(HA),制备出复合纳米微球UCNPs@MSN@PDA-HA,通过透射电镜(TEM)观测其结构和形貌。通过红外分析仪(FITR)和荧光光谱仪检测其组成和发光性能。结果表明,复合纳米微球具有良好的分散性和介孔结构,通过修饰不同材料后,仍具有良好的上转换发光效果。