光子上转换 (UC) 是指两个或多个低能光子转换为高能光子。上转换纳米粒子 (UCNP) 是一种重要的上转换材料。

UCNP 是嵌入在基质中的由稀土元素（包括铒和镱）组成的纳米粒子。它们可用于将近红外光转化为可见光和紫外光谱区中的高能光。

UCNP 具有广泛的潜在用途。在太阳能收集方面，它们可以通过将未利用的太阳光谱段转化为高能光子来提高光伏设备性能和太阳能电池效率。同时，UCNP 还可用于生物医学中的非侵入性成像和诊断。

作为成像造影剂，它们通过将红外光转化为可见光来实现高分辨率成像，从而有助于更深的组织穿透并减少背景信号。在药物输送中，它们独特的光学特性可用于控制治疗剂的释放^。1

正确理解 UCNP 的上转换发光特性对于根据特定用例定制其特性并最大程度地提高其性能至关重要。在本报告中，使用 Edinburgh Instruments FS5 荧光分光光度计对 UCNP 进行了完整的上转换发光表征，包括光谱、时间分辨和量子产率评估。

材料和方法

用于研究的样品是 NaYF ₄ :Yb,Er UCNPs，该样品配有聚乙烯亚胺 (PEI) 聚合物涂层，分散在去离子水中，浓度为 10 mg/mL。UCNP 分散体保存在 10 mm × 10 mm 石英比色皿中，并通过 FS5 荧光分光光度计进行表征。

为了激发，FS5 配备了 2W 980 nm 激光二极管和脉冲调制盒 (PM-2)，便于连续波和脉冲操作。为了检测，FS5 配备了两个光电探测器：PMT-900 和 PMT-1010（FS5-NIR 升级）和多通道缩放 (MCS) 寿命电子设备。

PMT-900 的光谱范围为 200-900 nm，用于光谱和寿命评估。同时，PMT-1010 的光谱范围扩大到 1010 nm，用于确定量子产率。样品比色皿放在 SC-05 标准比色皿模块中用于光谱和寿命评估，而 SC-30 积分球模块用于量子产率评估。

上转换光谱

通过 CW 模式下的 980 nm 激光二极管进行激发，再通过 PMT-900 进行检测，获取纳米粒子的发射光谱（图 2）。

图 2. 使用 2 W 980 nm 激光二极管（CW 模式）和 PMT-900 获得的 UCNP 上转换发射光谱。图片来源：爱丁堡仪器

^{发射光谱可用于区分材料中的发射能量跃迁。发射是由许多 Yb 3+}离子（敏化剂）吸收多个低能量 980 nm 光子而产生的，这些光子将其能量导向单个发射 Er ³⁺离子（发射极）。

能量转移是通过非辐射多离子上转换过程进行的。以 660 nm 为中心的发射峰是Er ^3+的4 F _9/2  → ⁴ I _15/2跃迁，而 521 nm 和 545 nm 处的额外发射峰则源自⁴ H _11/2  → ⁴ I _15/2和⁴ S _3/2  → ⁴ I _15/2跃迁（图 3）^。1,2

图 3. 能级图显示 NaYF ₄ :Yb,Er 纳米粒子内的上转换过程。图片来源：爱丁堡仪器

上转换寿命

^{然后评估4} F ^9/2 → 4I _15/2跃迁在 653 nm 处的上转换衰减，如图 4 所示。980 nm 激光二极管处于脉冲模式，重复率为 500 Hz，脉冲宽度为 10 µs。同时，通过 MCS 单光子计数获取上转换衰减。接下来通过双指数模型将衰减放入 Fluoracle ^{®中，强度平均寿命为 125 µs。}

该寿命比过去对类似材料的研究结果要短，后者报告的寿命超过 440 µs。3寿命值差异的^一个潜在原因可能是用于稀释的去离子水，其存在可能引入了显著的猝灭效应，从而导致寿命更短。

图 4. 使用 2 W 980 nm 激光二极管以 500 Hz 脉冲模式和 PMT-900 获得的 653 nm UCNPs 上转换衰减。图片来源：爱丁堡仪器

上转换量子产率

评估量子产率对于检验 UCNP 产生上转换光的效率至关重要。UCNP 的量子产率通常低于其本体替代品。

这背后可能有多种原因，包括禁止的 4f – 4f 跃迁，以及不可避免的挑战，例如晶体质量差和表面缺陷。4^开发具有高量子产率的 UCNPS 是一项正在进行的研究任务。

为了测定上转换量子产率，我们采用了 FS5 SC-30 积分球模块。SC-30 直接插入 FS5，无需对准或光纤。FS5 的辅助 PMT-1010 检测器用于检测光。

PMT-1010 扩展的光谱范围至 1010 nm 有助于对 980 nm 激发光进行精确评估，并且是 980 nm 激发上转换量子产率评估所需要的。

UCNP 样品比色皿和含有去离子水的参考比色皿的发射和激发散射（仅在 SC-30 中测量）用于量化量子产率。

图 5 展示了 UCNPs 和去离子水参比物的发射和散射峰。接下来通过 Fluoracle 软件的量子产率向导对量子产率进行量化，该向导基于以下公式：

（1）

图 5. 使用 2 W 980 nm 激光二极管（CW 模式）和 PMT-1010 获取 UCNPs 样品和去离子水参考的散射和发射光谱。图片来源：爱丁堡仪器

结论

本报告展示了利用爱丁堡仪器 FS5 荧光分光光度计对上转换纳米粒子进行完整的上转换发光表征。

FS5 灵活的源、探测器和样品模块升级选项使得能够在单个紧凑工具中进行上转换光谱、寿命和量子产率评估。