物理化学稀土发光材料的制备及其应用及发展趋势—贾林艳
稀土上转换发光纳米材料的制备及其在生物医学成像中的应用
稀土上转换发光纳米材料的制备及其在生物医学成像中的应用一、本文概述随着科技的快速发展，稀土上转换发光纳米材料（Upconversion Luminescent Nanomaterials, UCNMs）因其在生物医学成像领域的独特优势，日益受到研究者们的关注。
本文旨在深入探讨稀土上转换发光纳米材料的制备方法，并系统阐述其在生物医学成像中的应用。
我们将从材料合成的角度出发，详细介绍不同制备方法的优缺点，以及如何通过优化制备过程来提高纳米材料的性能。
我们还将重点分析稀土上转换发光纳米材料在生物医学成像中的实际应用，包括其在细胞标记、活体成像以及疾病诊断等方面的最新研究进展。
通过本文的阐述，我们期望能够为读者提供一个全面、深入的视角，以理解稀土上转换发光纳米材料在生物医学成像领域的发展现状和未来趋势。
二、稀土上转换发光纳米材料的制备稀土上转换发光纳米材料，作为一种独特的纳米发光材料，其独特的发光性质使其在生物医学成像领域具有广阔的应用前景。
制备这种纳米材料的关键在于精确控制其组成、形貌和尺寸，以实现高效的上转换发光性能。
一般来说，稀土上转换发光纳米材料的制备主要包括以下几个步骤：选择合适的稀土离子作为发光中心，如Er³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺等，这些离子具有丰富的能级结构和独特的发光特性。
选择合适的基质材料，如NaYF₄、NaLuF₄等，这些基质材料具有良好的化学稳定性和较高的声子能量，有利于实现高效的上转换发光。
在制备过程中，通常采用溶液法、热分解法、溶胶-凝胶法等化学方法来合成稀土上转换发光纳米材料。
其中，热分解法是一种常用的制备方法，它通过高温热解稀土离子的有机盐，得到高质量的纳米晶体。
为了进一步提高上转换发光性能，研究者还常常采用表面修饰、核壳结构等方法对纳米材料进行改性。
在制备过程中，还需要注意控制实验条件，如反应温度、反应时间、溶剂种类等，以实现对纳米材料形貌、尺寸和发光性能的有效调控。
稀土发光纳米材料发光特性的研究进展
历经十多年的研 究, 国内 外专家已经 在稀土发光 纳米 材料中揭示出很多不同于体相 材料的特殊属性 [ 5]。特 别是 近两年, 对稀土发光纳米晶的发 光特性研 究掀起了一 个新 的 高潮, 本 文将 以掺杂 Eu3+ 离 子的 稀土发 光纳 米材料 为 例, 着重介绍近几年来取得 的研究进展, 同时对未来 的发 展趋势进行了展望。 1 稀土发光纳米材料的发光特性 1 1电荷迁移 带的移动 光谱峰 值向短 波长方 向移动 的现
1 3发光效率和发光强 度变化 通常纳 米晶中 稀土发 光强 度都低于体相材料, 这是因为纳 米晶表面 缺陷形成无 辐射 猝灭中心, 另外纳米微粒对紫外 激发光的 强散射也会 导致 激发效率的下降。近几 年, 人们通过包 覆、钝化、掺 杂等 修饰手段, 取 得了 很好 的效 果。王 静慧 等 [ 21] 发现 他们 用 纳米包覆法制备的 BaM gA l10O17! Eu2+ 荧光粉比相应体材料 发光强度大 1倍多。 陈宝玖 等 [ 22] 用 燃烧法 制备 纳米 Y2O3 ! Eu3+ 时引入少量 A g+ 离子, 发现量 子效率提高 12% , 荧 光强度可增大 50% , 并认为是大粒 径的 A g+ 离子可能与纳 米晶表面 O2- 结 合, 部分 消除了纳米晶 表面无 辐射猝 灭中 心, 使量子效率提高, 另外还使 激发光更 有效地到达 发光 中心, 提高了激发效 率。顾牡 等 [ 23] 在 G d2 O3 !Eu3+ 纳米荧 光粉中掺杂 L i+ , Zn2+ 离子, 发现 Eu3+ 的 611nm 处的发光 强度可达到未掺杂时 的 2 5倍, 原因 可归结为 使晶粒 由单 斜相向更利于 发光 的立方 相转 变、氧空 位的 敏化剂 作用、
稀土材料发光的设计与制备
稀土长余辉发光材料的应用 稀土长余辉发光材料是一种新型环保节能材 料 ,它能在吸收太阳光和灯光的能量之后 ,将 部分能量储存起来 ,然后缓慢地把储存的能量 以可见光的形式释放出来 ,在光源撤除后仍能 长时间地发出可见光。正是因为这一点 ,又称 之为“夜光粉 ”,广泛地应用于弱光照明、应 急指示、建筑装饰和工艺美术等领域 ,并且其 研究在不断地覆盖更多的领域。
燃烧法 燃烧合成法是将相应的金属硝酸盐 (氧化剂 ) 和尿素或碳酰肼的混合物放入一定温度环境 中使之发生燃烧反应 ,制备氧化物或其它发光 材料。
2. 3
微波辐射法 微波辐射合成法是近十年迅速发展起来的一 种新的制备方法。微波辐射法合成的产品具 有相纯、粉末粒度较细、稀土掺杂浓度高、 发光强度大等优点 ,因而广泛地应用于稀土发 光材料的合成中。
4. 2
稀土发光材料在光转换农膜方面的应用 将发光材料作为太阳光的转光剂 ,加入到农用 塑料薄膜中制成农膜 ,可以改善光合作用的光 质 ,提高农作物光能利用率 ,从而可以促进农 作物的早熟和增产。
4. 3
稀土发光材料在医学领域的应用 许多核医学及临床化学工作者都希望研制反 射性同位素以外的标记物 ,于是酶标记、化学 发光、生物发光标记等新标记物不断地涌现 , 其中稀土离子荧光标记最为引人注目。这种 时间分辨测量新技术(时间分辨荧光免疫分析 )克服了一般荧光标记受环境干扰的缺点 ,使 非特异性信号降低到可以忽略的程度 ,达到了 极高的信噪比 ,从而大大地超过了放射性同位 素所能达到的测定灵敏度 ,目前已步入应用阶 段 ,成为继放射免疫分析后 ,标记物发展的一 个新里程碑
因此， Y2O2S:Eu3+采取较高的Eu3+掺杂浓度，产生交叉弛豫，使得
推荐一个综合化学实验_ZnO_Eu_3_荧光粉的制备及表征
第41卷第2期2013年1月广州化工Guangzhou Chemical Industry Vol.41No.2January.2013推荐一个综合化学实验－ZnO ：Eu 3+荧光粉的制备及表征*贾林艳，韩俊凤，马天慧，庄志萍，邵长斌(牡丹江师范学院化学化工学院，黑龙江牡丹江157011)摘要：推荐一个适于化学化工等专业开设的综合化学实验，用化学沉淀法制备ZnO ：Eu 3+红色荧光粉，对样品进行TG －DTA ，XRD ，SEM 表征和发射光谱分析。
通过该实验可以使学生对沉淀法制备粉体材料的过程有全面的了解，掌握发光材料的各种表征手段，培养学生的综合实验能力。
关键词：综合化学实验；荧光粉；氧化锌中图分类号：G642.0文献标识码：A文章编号：1001－9677（2013）02－0126－03*基金项目：黑龙江省教学改革项目（No ：JG2012010639），牡丹江师范学院教学改革项目（No ：12－XJ14026；12－XJ14028），牡丹江师范学院大学生实践创新项目（2011xscx023）。
作者简介：贾林艳（1971－），女，副教授，主要从事物理化学教学及材料化学研究。
An New Integrated Experiment Introduction －Preparationand Characterization of ZnO ：Eu 3+PhosphorJIA Lin －yan ，HAN Jun －feng ，MA Tian －hui ，ZHUANG Zhi －ping ，SHAO Chang －bin（College of Chemistry and Chemical Engineering ，Mudanjiang Normal University ，Heilongjiang Mudangjiang 157011，China ）Abstract ：Preparation by precipitation method and luminescence of red emitting phosphor ZnO ：Eu 3+as an new inte-grated experiment was introduced.The phosphors were characterized by thermal gravimetric and differential thermal analy-zer （TG －DTA ），X －ray diffraction （XRD ），scanning electron microscopy （SEM ）and photoluminescence spectra （PL ）.Students can learn preparing progress of powder materials by precipitation method ，and master each characteriza-tion method.It can develop students＇comprehensive ability.Key words ：integrated experiment ；phosphor ；ZnO近年来，在化学课程教学改革的基础上，化学实验教学也在加大改革力度。
1 稀土微米(纳米)晶体的 柔性化学合成方法、发光性能及其生物医 学应用方面的最新进展
稀土微米（纳米）晶体的柔性化学合成方法、发光性能及其生物医学应用方面的最新进展应化111冯丽媛（111195）翻译:recent progress in rare earth micro/nanocrystal soft chemical synthesis luminescent properties and biomedicalapplications(chemical reviews)目录1简介2稀土掺杂材料的发光性能2.1稀土下转换材料2.2稀土上转换材料2.3彩色发光的调整方法2.3.1下转换彩色发光2.3.2下转换白光2.3.3上转换彩色发光2.3.4上转换白光2.4增加发光强度的方法2.4.1常见的增加发光强度方法2.4.2通过设计核-壳结构来增加发光强度的方法3柔性化学法合成稀土微米（纳米）晶体简介3.1热分解法3.1.1以三氟醋酸盐作为前驱物的热分解法3.1.2以油酸、乙酰丙酮、醋酸作为前驱物的热分解法3.1.3以甲醇作为辅助的有机相的热分解法3.2水热（溶剂热）法3.2.1无有机添加剂的溶剂热法3.2.2亲水性配体辅助的溶剂热法3.2.3疏水性配体辅助的溶剂热法3.3共沉淀法3.4Pechini-性溶胶-凝胶法3.4.1镧系掺杂磷光剂薄膜成像3.4.2电纺丝法合成镧系掺杂磷光剂纤维3.5其他方法3.5.1微乳液法3.5.2微波辅助法3.5.3离子液体法4亲水性修饰和生物偶联4.1亲水性修饰4.2生物偶联5毒性6生物成像上的应用6.1UCL成像6.2肿瘤目标成像6.3多峰成像6.3.1UCL/MRI成像6.3.2UCL/MRI/CT成像6.3.3UCL/MRI/PET成像6.3.4其他成像方法7治疗应用7.1光动力疗法7.2光热疗法7.3药物和siRNA运输8总结和展望参考文献1引言发光材料，又称荧光粉，是能够吸收某些特定类型的能量，并以光的形式发射出来的材料1。
综合比较所有的发光材料，稀土以其独特的优点而备受人们的关注。
稀土元素在发光材料中的应用及其发光性能研究
稀土元素在发光材料中的应用及其发光性能研究1.引言发光材料是一类在外界激发下能够发出可见光的材料，其在照明、显示、激光、生物医学等领域具有广泛的应用。
稀土元素作为一类特殊的元素，在发光材料中扮演着重要的角色。
本文将探讨稀土元素在发光材料中的应用及其发光性能研究。
2.稀土元素在发光材料中的应用稀土元素具有较高的原子序数和复杂的能级结构，使其在发光材料中具有独特的发光性能。
稀土元素常被用于制备荧光粉、磷光体、荧光玻璃等发光材料。
以镝、钬、铒、钆等为代表的稀土元素在不同的发光材料中展现出不同的发光行为，例如镝离子表现出红色荧光、钬离子表现出蓝色荧光等。
通过调控稀土元素的掺杂浓度、晶体结构等因素，可以实现针对性地调节发光颜色和发光强度，满足不同应用领域的需求。
3.稀土元素发光性能研究稀土元素发光性能的研究是深入了解其在发光材料中的作用机制和性能表现的关键。
研究表明，稀土元素的发光性能受多种因素影响，包括晶体结构、掺杂浓度、激发光源等。
例如，通过增加稀土元素的掺杂浓度，可以提高发光材料的发光效率和色纯度；通过选择合适的晶体结构，可以改善发光材料的光学性能；通过设计合适的激发光源，可以实现更高强度的发光效果。
此外，稀土元素的能级结构和跃迁规律也对发光性能起着决定性的作用，深入研究这些规律对于提升发光材料性能具有重要意义。
4.稀土元素的应用案例稀土元素在发光材料中的应用案例丰富多样，涉及照明、显示、激光等多个领域。
以镝为例，其在LED照明中的应用已经成为主流。
镝离子作为红色荧光发射剂，可以实现LED的白光变色效果，提高照明品质；钆和铒等稀土元素在激光器件中的应用也取得了显著的效果，为激光技术的发展提供了关键支持。
随着稀土元素在发光材料中的研究不断深入，其应用领域将进一步拓展，为科技发展和产业升级注入新动力。
5.结论稀土元素在发光材料中的应用及其发光性能研究具有重要意义，对于推动发光材料技术的发展具有深远影响。
稀土发光材料的研究现状与应用
稀土发光材料的研究现状与应用稀土元素泛指周期表中镧系元素和铀系元素。
由于其特殊的电子结构和能级分布，稀土元素具有丰富的电子激发态和能级跃迁，这就为稀土发光材料提供了丰富的能量转换机制。
稀土离子的特殊能级结构使其在吸收光子能量后能够产生特定波长的发光。
根据不同的发射能级，稀土发光材料可以发出可见光、近红外光、红外光等不同波长的光。
此外，稀土发光材料还具有高发光效率、良好的光稳定性和长寿命等特点，对于实现高效照明、高亮度显示和高效能量转换等应用具有重要意义。
稀土发光材料的研究主要集中在以下几个方面。
首先，研究人员致力于寻找更高效的稀土发光材料。
例如，通过掺杂其他元素或设计新的晶体结构，可以调节稀土发光体系的能级结构，提高发光效率和发光强度。
其次，研究人员还在尝试制备具有宽带谱发光特性的稀土发光材料，以满足不同应用领域对光谱范围的需求。
例如，近红外光发射材料在生物医学成像、激光雷达等领域有着广阔的应用前景。
此外，稀土离子的发光性能还受到晶体结构、掺杂浓度、官能团的影响，对于这些因素的研究也是当前的热点。
稀土发光材料在实际应用中有着广泛的应用。
首先，稀土发光材料可以应用于照明领域。
以氧化物为基底的稀土发光粉体能够转换蓝光到黄、橙和红光，从而实现白光发射，被广泛应用于LED照明中。
其次，稀土发光材料可以在显示技术中发挥重要作用。
使用稀土发光材料作为背光源，可以实现彩色液晶显示器中的亮度和颜色的调节。
此外，稀土发光材料还可以应用于激光器、太阳能电池、荧光生物探针等领域。
值得注意的是，在稀土发光材料的研究和应用中，有一些挑战需要克服。
首先，稀土元素的资源稀缺，价格较高，因此如何提高稀土利用率，降低生产成本是一个重大问题。
其次，稀土发光材料在发光效率和发光强度等方面仍然有一定的改进空间，需要进一步深入研究和优化设计。
此外，稀土发光材料在光稳定性和长寿命方面也需要进一步提升，以满足实际应用的需求。
综上所述，稀土发光材料在光电子器件、照明、显示、激光器和生物医学等领域具有广泛的应用前景。
稀土发光材料的应用
稀土发光材料的应用
稀土发光材料是指通过稀土元素掺杂后引入的缺陷能级，使材料在光激发下发生能级跃迁而发光的材料。
下面是稀土发光材料的应用：
一、发光材料
稀土发光材料可以应用于照明、显示、信息传输等领域。
比如，氧化铈中的氧空位能被Eu3+、Tb3+、Sm3+等元素作为宿主掺入，形成的材料可发出蓝、绿、红光，可以用于制备白光发光材料。
二、激光材料
稀土发光材料可以用于制备激光器。
比如，利用掺铒光纤和掺铒光纺织品，可以制备出具有985nm高能量激光输出的掺铒光纤激光器和几乎纯绿光输出的掺铒光纺织品激光器。
三、太阳能电池材料
稀土发光材料还可以用于制备太阳能电池。
比如，利用掺钕低聚物复合电解质，在太阳光的作用下，钕离子能够吸收能量，从而提高太阳能电池的转化效率。
四、光催化材料
稀土发光材料可以用于制备光催化材料。
比如，添加掺铈或掺钕的TiO2材料，在紫外光作用下能够吸收氧气，形成氧化亚氮和羟基自由基，从而具有良好的光催化性能。
五、生物传感材料
稀土发光材料还可以用于生物传感。
比如，利用荧光探针的特性，可以在细胞分子层面上进行生物分析和检测，稀土发光体系中的长发射寿命和独特的能量级分布也使其在分子分析中具有广泛的应用前景。
综上所述，稀土发光材料的应用领域十分广泛，具有重要的科学研究价值和应用前景。
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2形貌分析（扫描电镜，SEM）
3发光性能分析（荧光光谱仪，PL）
激发光谱是指发光材料在不同波长光的激发 下，该材料的某一谱带或谱线的发光强度随 激发光波长的改变而变化的关系曲线
发射光谱是指发光材料在某一波长光的激发 下，发射的荧光强度随发射光波长的改变而 变化的关系曲线
4. 稀土发光材料发展趋势
600
620
640
Wavelength/nm
1.5.2发光强度
通常把光源在某方向单位立体角内发出的光 通量定义为光源在该方向上的发光强度，用 符号I表示。
1.5.3长余辉衰减
通常，人们把激发停止后的发光称为余辉， 余辉时间小于10-8 s的发光称为荧光，大于 10-8 s的发光称为磷光。
1.6稀土发光材料的优点
稀土发光材料的 制备、应用及发展趋势
主讲教师：贾林艳
1.发光材料理论概述
2.稀土发光材料的几种常用制备方法 3.发光粉体的性能表征手段
4. 稀土发光材料发展趋势
钪和钇的电子层构型分别为 Sc : [Ar]3d14s2 Y : [kr]4d145s2。 镧系元素原子的电子层构型为:
[Xe]4f0-145d0-16s2。
（1） 发射出光子，即发光，这个过程叫做发光跃迁或 辐射跃迁；
（2） 不发射光子，将自身的能量传递给别的离子（能量 传递）；
（3） 不发射光子，而是将激发能以热的形式散发（晶格 振动），这个过程称为无辐射跃迁或猝灭。
1.3发光材料的分类及应用
光致发光材料：光致发光是指用紫外光、可 见光或红外光激发发光材料而产生的发光现 象。
稀土化合物具有多种荧光粉特性。 发光的色纯度高 荧光寿命跨越从纳秒到毫秒6个数量级 吸收激发能量的能力强，转换效率高 物理化学性质稳定
1.7影响材料发光性能的主要因素
1激活剂浓度 2基质的化学组成 3晶体配位场对稀土发光离子的作用
2.稀土发光材料的几种常用制备方法
2.稀土发光材料的几种常用制备方法
2. 1高温固相反应法 (High Temperature Solid State Reaction)
2.2溶胶—凝胶法 (Sol-Gel Method)
2.3化学沉淀法 (Chemical Precipitation Synthesis)
2.4燃烧合成法 (Combustion synthesis)
2.5水热合成法 (Hydrothermal Synthesis)
2.6微波辐射法 (Microwave Radiation Method)
3.发光粉体的性能表征手段
1结构分析（X射线衍射，XRD）
Eu O 23
Eu WO
2
6
CaWO 4
Intensity
20
30
40
50
60
70
80
2/(°)
（3） 处于激发态的激活剂A返回基态而发出荧 光，同时伴随有部分非发光跃迁，能量以 热的形式散发。
发光材料一般由基质（作为材料主体的化合物） 和激活剂（少量的作为发光中心的掺杂离子）组成
激发S
S发射 激发A
A发射
能量传递
S
A
热
热
M
1.2 能量传递过程中的浓度猝灭现象
激发态的离子是不稳定的，随时都有可能返回到基态。 在返回到基态的过程中，有三种方式释放出能量：
1.发光材料理论概述
光是物体不经过热阶段而将其内部以某种方式吸收的 能量直接转换为非平衡辐射的现象。
发光材料又称发光体，是一种能够把从外界吸收的各 种形式的能量转换为非平衡光辐射的功能材料.
1.1光致发光过程及其基本原理
（1） 基质晶格M或激活剂A（也称发光中心） 吸收激发能；
（2） 基质晶格M将吸收的激发能传递给激活剂 A，使其跃迁到激发态；
465nm
1000
O2-→Eu3+
276nm
0
200
300
400
500
Wavelength/nm
4000
Excitated by 394 nm
3000
2000
950℃ (41nm)
1050℃ (42nm) 1100℃ (43nm) 800℃ (39nm)
Intensity
1000 0 580
700℃ (31nm)
1.4发光材料的基本组成及其各组分的作用
基质 激活剂 共激活剂和敏化剂
1.5发光材料基本性能指标
1.5.1激发和发射光谱 激发光谱是指在不同波长光的激发下，发光材料的 某一发光谱带或谱线的强度或发光效率随激发光波 长的改变而变化的关系曲线
4000
394nm
3000
Intensity
2000
电致发光材料：电致发光是指由电场直接作 用在物质上而产生的发光现象，即电能转变 为光能，且无热辐射产生，所以电致发光材 料是一种主动发光型冷光源
阴极射线发光材料：通过阴极射线管产生的 高能电子束激发产生发光的物质被称为阴极 射线发光材料。
X射线发光材料：当发光材料受到X射线激发 时，基质晶格中会产生大量的二次电子，通 过电子空穴复合或激子的迁移，它们直接或 间接地激发发光中心（相当于发光中心吸收 了X射线），而后发光中心再将所吸收的能 量有效地转化为紫外线或可见光辐射。