Nano Letters: 染料向Er3+的直接能量传递用于增强10 nm以下NaErF4的上转换和下转换发光

内容提要

背景介绍

镧系元素掺杂的纳米粒子（Ln-NPs）因其独特的光学特性，包括窄的吸收和发射带、优异的光稳定性、长的发光寿命和大的反斯托克斯位移，成为一类引人注目的材料。通常，Ln-NPs使用Yb³⁺或Nd³⁺离子作为敏化剂来吸收近红外辐射，并将能量传递到激活剂离子Er³⁺、Ho³⁺和Tm³⁺以产生可见或近红外发射。然而，由于镧系元素离子中4f-4f跃迁禁阻，Ln-NPs的吸收截面较低，发光亮度较弱，这阻碍了它们的应用。为了应对这一挑战，研究人员将染料敏化作为增强其发光的策略。染料敏化通常涉及染料吸收光子并将能量传递到Ln-NPs，由于染料的吸收截面比镧系离子的吸收截面大1000-10000倍，具有优越的光子收集能力。因此，染料作为Ln-NPs的天线分子，可以显著放大其上转换和下转换发光。

为了构建有效的染料敏化系统，必须考虑两个关键因素：有机染料和镧系元素离子之间的距离以及两者的光谱重叠程度。在我们之前的研究中，引入了一种新型的染料敏化策略，旨在通过减少染料的荧光中心和镧系元素离子之间的距离来提高界面能量传递效率和上转换发光的亮度。光谱重叠在染料敏化中也起着关键作用。在传统的染料敏化系统中，Yb³⁺或Nd³⁺通常作为有机染料和发射体之间能量传递的桥梁（如方案1a所示）。然而，Yb³⁺和Nd³⁺与近红外能量有很强的相互作用。因此，由于光谱重叠的必要性，只有有限数量的NIR染料（如IR806）被用于敏化Ln-NPs。当试图构建多色激发染料敏化系统时，这种限制带来了巨大的挑战。    

在这种情况下，我们引入了一种新的策略，使用有机染料直接敏化Er³⁺发射，而不需要中间能量传递的桥梁。与Yb³⁺不同，Er³⁺拥有从紫外到近红外非常丰富的能级（方案1）。Er³⁺中丰富的能级表明了其作为有机染料供体能量受体的潜力，使得更广泛的染料可用于直接敏化，并构建多色激发系统（如方案1b，c所示）。为此，我们使用了一系列花菁染料作为天线分子，包括Cy3、Cy5、Cy5.5、Cy7和Cy7.5。这些染料与Er³⁺的吸收表现出不同程度的光谱重叠，表明它们可以具有对Er³⁺敏化的潜力。

方案1. 花菁染料的染料敏化机理和化学结构：（a，b）在（a）传统和（b）现有染料敏化体系中能量传递过程的图解说明；染料在激光照射下吸收光子，然后将能量传递到Ln³⁺。ET:能量传递，S₀：基态，S₁：单线态，T₁：三线态。（c）Cy3-SO₃、Cy5-SO₃、Cy5.5-SO₃、Cy7-SO₃和Cy7.5-SO₃染料的化学结构。    

结果与讨论

首先，我们使用溶剂热法制备了NaErF₄@NaLuF₄的核壳Er-NPs。对于核，我们采用了尺寸为10.0 ± 0.9nm的NaErF₄（图1a）。然后，使用NaLuF₄的惰性壳层，以有效抑制表面淬灭。图1b中的透射电子显微镜（TEM）图像显示，核壳Er-NPs具有良好的分散性，尺寸为11.8 ± 0.9 nm。高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）和X射线衍射（XRD）分析（图1b，c）表明合成纳米颗粒为六方相。

我们利用两种Cy5化合物作为天线分子：烷基链上具有羧酸根配位基团的Cy5-COO和在芳香族部分具有磺酸根配位基团的Cy5-SO₃，如图1d和方案1c所示。Cy5-COO和Cy5-SO₃具有非常相似的光物理性质，和Er³⁺的600-850 nm处的吸收具有很强的光谱重叠。TEM和动态光散射（DLS）表征证实了有机染料修饰的Er-NPs分散性良好。离心后Cy5-SO₃-Er-NPs上清液吸光度的降低表明Cy5-SO₃在纳米颗粒表面成功配位。我们证明了Cy5-SO₃比Cy5-COO表现出更有效的染料敏化发射。在980 nm激发下，与单独的Er-NPs^{12 nm}相比，Cy5-SO₃敏化的Er-NPs^{12 nm}显示出117倍的增强，而Cy5-COO仅产生29倍的UCL增强（图1e）。这可以通过以下事实来解释：通过修改花菁染料共轭结构上的配位结合位点增强了从有机染料到Er-NPs的能量传递，改善了染料敏化效应。图1f显示了滴定结果：随着染料浓度的增加，发射逐渐饱和，在达到饱和后下降，这是由于染料的聚集诱导淬灭（ACQ）现象。有趣的是，通过修改共轭结构上的配位基团位点的策略有效地抑制了ACQ。Cy5-SO₃的滴定饱和浓度是Cy5-COO的6倍。这可归因于配位基团使荧光中心更靠近纳米颗粒表面，从而提供更大的空间位阻从而抑制了荧光共轭部分的聚集。染料敏化的DCL显示出相同的趋势（图1e），Cy5-SO₃-Er-NPs（增强23倍）优于Cy5-COO-Er-NPs（增强14倍）。    

为了理解Cy5-SO₃-Er-NPs中的能量传递的过程，我们研究了染料敏化发射的功率依赖性。获得的线性拟合斜率意味着发光过程中涉及的光子数量。如图1g所示，结果显示408、504、525和541 nm的发射具有相似的斜率值，表明是双光子上转换过程。相比之下，在635 nm激发下，Cy5-SO₃-Er-NPs中1525 nm发射的斜率为1.2，表明是单光子过程。此外，我们研究了三线态淬灭剂环辛四烯（COT）对染料敏化的影响，以确认三线态能量传递的作用。COT的引入导致Cy5-SO₃-Er-NPs的发光显著降低，观察到95%的UCL和DCL淬灭。这种显著的淬灭强烈表明三线态能量传递在直接敏化Er³⁺系统中起主导作用。基于这些结果，我们提出以下能量传递过程（图1h）。在635 nm激发下，染料分子吸收光子并通过单线态或三线态能量传递将能量传递到Er³⁺，触发到Er³⁺激发态²P_3/2和⁴G_11/2的多光子上转换过程，导致408和504 nm的发射。这些过程，包括交叉弛豫（CR）：⁴F_9/2+⁴I_15/2→⁴I_13/2+⁴I_13/2，促进了Er³⁺在⁴I_13/2中间能级的布居。此时，如果吸收了额外的能量，则被激发到更高的能级，导致525和541 nm的UCL发射，否则可以直接产生1525 nm的DCL发射。    

图1. NaErF₄@NaLuF₄（Er-NPs^{12 nm}）的结构和Cy5敏化下的光学表征。（a，b）分别是β-NaErF₄核和NaErF₄@NaLuF₄核壳纳米颗粒的TEM图像和相应的尺寸分布。比例尺：50 nm。插图：相应的HRTEM图像。（c）核NaErF₄和对应的核壳NaErF₄@NaLuF₄纳米颗粒的XRD数据和六方相β-NaErF₄和β-NaLuF₄的标准卡片。（d）Er³⁺、Cy5-SO₃和Cy5-COO的吸收光谱，以及染料的发射光谱。插图：Cy5-COO的化学结构。（e）分别在Cy5-SO₃和Cy5-COO的最佳浓度下，980 nm激发时未敏化的Er-NPs和在635 nm激发时Cy5敏化的Er-NPs的UCL和DCL光谱。Cy5-SO₃敏化的Er-NP在541和1525 nm的发射用于归一化。（f）染料敏化Er-NPs的UCL和DCL光谱积分强度随染料浓度的变化。最佳Cy5-SO₃敏化浓度为32 μM，在此浓度下，溶液中染料分子与粒子的比例为88：1。（g）Cy5-SO₃敏化的Er-NPs^{12 nm}在408、504、525、541和1525 nm处的功率依赖。（h）Cy5-SO₃敏化的Er-NPs的能量传递机制。由于Er³⁺在980 nm激发下的发光比在635 nm激发下的发光更强，我们使用Er-NPs在980 nm照射下的发光光谱作为对照来计算染料敏化增强。980和635 nm的辐照度都是37.5 W/cm²。    

此外，我们研究了Er-NPs大小对染料敏化的影响。合成了尺寸为8.0 ± 0.9 nm（Er-NPs^{8 nm}）和15.7 ± 1.0 nm（Er-NPs^{16 nm}）的核壳纳米颗粒。TEM和XRD分析证实了合成的纳米颗粒Er-NPs^{8 nm}和Er-NPs^{16 nm}的六方相（图2a、b）。为了进行公平的比较，所有样品的惰性壳层厚度保持在约1 nm，并且在光谱测量中Er³⁺离子的总浓度保持在2.6 mM。有趣的是，在Cy5-SO₃的最佳浓度下，较小的Er-NPs^{8 nm}表现出最亮的发光和最好的敏化效果，UCL和DCL分别增加了1942倍和70倍（图2c、d）。在Er-NPs^{8 nm}中从Cy5-SO₃到Er³⁺的能量传递效率是46.7%。Cy5-COO敏化系统显示了类似的大小依赖性趋势。这可以通过更小的纳米粒子具有更大的比表面积来解释，这允许相对更多的Er³⁺离子位于更靠近表面的位置，充当能量受体。这将导致更强的表面淬灭和能量传递。在染料敏化Er-NPs系统中，能量传递的积极作用远远超过表面淬灭的消极作用。这些发现表明，Er³⁺和染料之间的平均距离在直接敏化Er³⁺的发射中是至关重要的。

我们还将直接敏化Er³⁺的体系与传统的染料敏化体系进行了比较。合成了具有NaYbF₄：Er核和NaLuF₄壳的核壳纳米粒子，命名为Yb，Er-NPs。选择广泛使用的天线分子IR806来敏化Yb，Er-NPs。在IR806的最佳浓度下，与单独的Yb，Er-NPs^{12 nm}相比，其UCL和DCL分别产生了18倍和1.4倍的增强。Cy5-SO₃敏化的Er-NPs^{8 nm}显示出比IR806敏化的Yb，Er-NPs^{12 nm}更亮的发射（图2f），尤其是在408和504 nm处的发射分别增强了3.9和41倍。因此，我们在635 nm激发下建立了一个更小更亮的Cy5-SO₃-Er-NPs^{8 nm}染料敏化体系。    

图2. 纳米粒子（Er-NPs）尺寸对Cy5-SO₃敏化的影响以及与传统的IR806敏化Yb³⁺/Er³⁺共掺纳米粒子体系的比较。（a，b）8和16 nm的纳米颗粒（Er-NPs^{8 nm}，Er-NPs^{16 nm}）的TEM图像和相应的尺寸分布。（c，d）635 nm激发下Cy5-SO₃敏化的不同尺寸（8、12和16 nm）Er-NPs的UCL和DCL光谱。（e）12 nm的Yb³⁺/Er³⁺共掺纳米颗粒（Yb，Er-NPs^{12 nm}）的TEM图像和相应的尺寸分布，比例尺：50 nm。（f）Cy5-SO₃敏化的Er-NPs（Cy5-SO3-Er-NPs^{8 nm}）和IR806敏化的Yb,Er-NPs（IR806-Yb,Er-NPs^{12 nm}）的UCL和DCL的光谱比较。Cy5-SO₃敏化的Er-NP在408、541和1525 nm的发射用于归一化。在635和808 nm的辐照度均为37.5 W/cm²。所有样品中Ln³⁺（Yb³⁺，Er³⁺）离子的总浓度为2.6 mM.

基于上述结果，有机染料和Er³⁺之间的距离对于染料敏化是至关重要的。因此，我们研究了惰性壳层厚度对染料敏化效果的影响。如图3a所示，我们合成了一系列具有不同惰性壳层厚度的NaErF₄@NaLuF₄ ^{x nm}（x = 0.6、1.0、2.1、3.0和4.1）。在980 nm激发下，随着外壳厚度的增加，由于惰性外壳的保护作用增加，UCL和DCL强度逐渐增强（图3b，c）。但是，Cy5-SO₃敏化的UCL强度先增加后降低，在2.1 nm的惰性外壳厚度时达到最大亮度（图3d）。随着壳厚度的进一步增加，增强因子逐渐降低，这与之前的报告一致。这可以通过以下事实来解释：短程能量传递对于Cy5敏化的Er-NPs的上转换发光至关重要。此外，随着惰性壳厚度的增加，Cy5-SO₃-Er-NPs的DCL不断增强（图3e），显示出与染料敏化UCL不同的趋势。这种差异可以归因于UCL和DCL之间不同的发光机制。与DCL过程不同，Er³⁺的UCL是一个多光子过程，需要多个能级的参与。因此，染料敏化UCL更依赖于能量传递，在减少表面淬灭和短程能量传递过程之间建立了内在的平衡。因此，最大UCL亮度出现在2.1 nm厚的壳处，较厚的惰性壳（> 2.1 nm）对从染料到纳米粒子的能量传递产生了不利影响。相比之下，Er³⁺的下转换过程涉及更少的能级，使其对表面淬灭更敏感，因此更厚的壳层导致更亮的DCL。    

我们进一步研究了染料敏化UCL和DCL的发光动力学，如图3f-h所示。随着惰性壳厚度的增加，在541 nm的UCL寿命最初延长，然后缩短，在壳层厚度为2.1 nm时寿命最长（51.5 μs）。UCL过程中发光的衰减由能量淬灭和能量传递过程决定。通常，外延壳层保护激发能量免受表面淬灭，从而导致更长的发光衰减。然而，在染料敏化过程中，界面能量传递会改变激发态的光子数。当使用更厚的壳层（大于2.1 nm）时，从染料到纳米粒子的能量传递概率降低，使得中间状态（⁴I_13/2）相对难以再接受能量到达更高的能级。相反，当惰性壳厚度超过2.1 nm时，光子以1525 nm发射，导致541 nm处的寿命缩短。我们还研究了DCL中654和1525 nm处的发光衰减。由于与激发重叠，使用稳态荧光光谱无法测量654 nm附近的发射，但是我们用脉冲激光激发探索了其发光衰减过程。随着惰性壳层厚度的增加，表面淬灭被抑制。因此，654 nm处的寿命从14.1延长至30.9 μs，1525 nm的寿命从11.5增加至778.1 μs。然而，随着外壳变得更厚，能量传递过程变得更具挑战性，将能量泵送到Er³⁺所需的时间增加，这导致⁴F_9/2能级的粒子数积累较慢，导致DCL的上升沿变长。    

图3. 惰性壳层厚度对Cy5-SO₃敏化的Er-NPs发光性质的影响。（a）增加NaLuF₄惰性壳厚度的示意图和具有不同壳厚度（x = 0.6、1.0、2.1、3.0、4.1）的NaErF₄@NaLuF₄^{x nm}的TEM图像，比例尺：50 nm。（b，c）在980 nm激发下的未敏化的Er-NP和（d，e）在635 nm激发下的最佳Cy5-SO₃浓度下其敏化的Er-NPs的UCL和DCL光谱。所有样品中Er³⁺的浓度均为2.6 mM。980和635 nm的辐照度为37.5 W/cm²。Cy5-SO₃敏化的Er-NP在541和1525 nm的发射用于归一化。在635 nm激发下，具有不同惰性壳层厚度的Cy5-SO₃-Er-NP的（f）541 nm、（g）654 nm和（h）1525 nm发射的上升和衰减动力学。    

Er³⁺在500-1100 nm范围内具有丰富的吸收能级（图4a）。发射带与Er³⁺的吸收带有重叠的染料都具有增强Er³⁺的UCL和DCL发光的潜力。我们评估了一系列花菁染料对Er-NPs^{8 nm}的敏化效应，包括Cy3-SO₃、Cy5-SO₃、Cy5.5-SO₃、Cy7-SO₃和Cy7.5-SO₃（方案1c和图4b）。所有染料都表现出显著的敏化效应（图4c）。在各自的最佳浓度下，Cy5-SO₃-Er-NPs表现出最亮的UCL和DCL发射，突出了光谱重叠的重要性，更大的光谱重叠可以实现更有效的能量传递。此外，在染料敏化过程中，观察到UCL和DCL之间的相关性：更亮的UCL表示更亮的DCL。这可以通过能量传递机制来解释。UCL（541 nm）和DCL（1525 nm）发射都源自处于Er³⁺的中间能级⁴I_13/2，导致染料敏化的UCL和DCL之间具有相关性。Cy5-SO₃具有优越的染料敏化效果，在其敏化下Er-NPs能够产生最亮的UCL和DCL发射，被选为后续应用的研究对象。

图4. 不同花菁染料对Er-NPs^{8 nm}敏化效应的比较。（a）Er³⁺的吸收光谱和Cy3-SO₃、Cy5-SO₃、Cy5.5-SO₃、Cy7-SO₃和Cy7.5-SO₃染料的发射光谱。（b）上述染料归一化的吸收光谱。（c）与在980 nm激发的Er-NPs^{8 nm}相比，在花菁染料的最佳浓度下，激光激发时，染料敏化的Er-NPs^{8 nm}的UCL和DCL增强因子。所有样品中Er³⁺的浓度均为2.6 mM。所有激发波长的辐照度均为37.5 W/cm²。为了更直接比较，Er³⁺的吸收光谱和Cy5-SO₃的吸收和发射光谱与图1d所示的相同。

选择Cy5-SO₃敏化的2.1 nm NaLuF₄包覆的NaErF₄^{6 nm}，以探索其作为温度传感纳米探针的潜力。我们通过疏水相互作用将DSPE-mPEG₂₀₀₀修饰在Cy5-SO₃-Er-NPs的表面（图5a），获得Cy5-SO₃-Er-NPs@DSPE。TEM证实其在极性溶剂中分散性良好（图5b）。DSPE的Cy5-SO₃-Er-NPs表现出显著的染料敏化发射，相比于980 nm激发，其UCL增强了115倍。此外，它表现出良好的光稳定性，在37.5 W/cm²的635 nm激光照射90分钟后，UCL发射仍保持其初始强度。即使在相对较高的功率密度（187 W/cm²）下，照射1小时后只有25%的UCL损失。对于温度检测，我们观察到UCL强度随着温度的升高而逐渐降低（图5c），与传统的热淬灭材料相似。这种现象归因于高温下热振动和热弛豫的增加，导致非辐射跃迁增强，辐射跃迁受到抑制。随着温度从293 K升高到348 K，在635 nm激发下，热耦合能级²H_11/2和⁴S_3/2对应于525和541 nm的发光强度比（LIR）符合LIR = A exp（B/T）方程，其中A和B是与Cy5-SO₃-Er-NPs@DSPE相关的参数。温度依赖性的LIR变化是可逆的。在这些条件下，我们在348 K下获得了0.25%/K的最大绝对灵敏度（S_a），在293 K下获得了1.05 %/K的最大相对灵敏度（S_r）。    

受益于染料敏化，与980 nm激发下的Er-NPs相比，408和504 nm的两个发射显著增强（图3b，d）。图5f展示了基于非热耦合能级²H_11/2和²P_3/2分别对应于Er³⁺的525和408 nm发射的LIR随温度的变化情况。实现了最大S_a（3.69%/K）数量级的增加，并达到了更高的最大S_r（1.26%/K）（图5d，e）。此外，图5g展示了该纳米探针出色的稳定性和可重复性，显示了293和348 K之间七次循环的结果。因此，Cy5-SO₃敏化的Er-NPs纳米探针作为可靠和高效的温度传感材料具有很大的潜力。

图5. Cy5-SO₃-Er-NPs@DSPE纳米探针的温度响应。（a）示意图和（b）Cy5-SO₃-Er-NPs@DSPE的TEM图像，比例尺：100 nm。（c）从293 K至348 K，Cy5-SO₃-Er-NPs@DSPE的UCL光谱与温度的关系。Cy5-SO₃-Er-NPs@DSPE在408和541 nm处的发射用于归一化。（d）绝对灵敏度（S_a）和（e）相对灵敏度（S_r）分别由525/541和525/408 nm处的温度依赖性发射强度比计算。（f）525/408 nm强度比（LIR_525/408）作为Cy5-SO₃-Er-NPs@DSPE的温度函数的实验和理论拟合。（g）在293和348 K温度下对LIR_525/408测量值进行七次循环的重复性试验。    

结论

总之，我们利用染料设计策略，通过修改天线分子共轭结构上的配位位点来实现多色激发染料敏化低于10 nm的Er-NPs，用于增强其上转换和下转换发光。这是由于Er³⁺具有从紫外到近红外丰富的吸收能级。在一系列花菁染料中，Cy5-SO₃显示出与Er³⁺最大的光谱重叠，实现了对UCL和DCL最有效的染料敏化效果。我们探索了粒径大小对染料敏化的影响，与较大的纳米粒子相比，较小Er-NPs^{8 nm}表现出更亮的发光，实现了更有效的染料敏化增强，其中，UCL和DCL分别增强了1942倍和70倍。认识到Er³⁺和染料之间的平均距离的重要性，我们研究了Er-NPs的惰性壳层厚度对Cy5-SO₃敏化效率的影响。由于UCL的多光子过程和DCL的单光子过程之间的差异，在2.1 nm厚的壳中获得了最强的UCL，而DCL强度随着壳层变厚而逐渐增加。最后，我们展示了Cy5-SO₃-Er-NPs@DSPE作为可靠和稳定的温度传感纳米探针的应用，在348 K获得了3.69%/K的最大绝对灵敏度，在293 K获得了1.26%/K的最大相对灵敏度。染料敏化的Er-NPs因此成为温度检测新的候选材料，在生物成像和传感技术方面具有很大的应用潜力。  

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