【摘要】：溫度的準確測量在工業(yè)生產(chǎn)、電子行業(yè)、科學(xué)研究、航空航天和國防建設(shè)等多個領(lǐng)域中占據(jù)著至關(guān)重要的地位。在眾多測溫技術(shù)中,基于稀土離子熱耦合能級的熒光強度比技術(shù)具有快速響應(yīng)、高靈敏度和空間分辨率等優(yōu)勢,因而迅速成為了溫度探測領(lǐng)域的研究熱點。隨著納米科技的迅猛發(fā)展,稀土摻雜上轉(zhuǎn)換測溫材料憑借其優(yōu)異的發(fā)光性質(zhì)、低毒性、生物背景熒光干擾小、較深的組織穿透性等優(yōu)點在生物組織或細胞內(nèi)的溫度探測具有廣闊的發(fā)展?jié)摿�。本論文以提高熒光強度比技術(shù)的靈敏度為宗旨,以構(gòu)建多功能上轉(zhuǎn)換納米平臺為目標,通過篩選基質(zhì)和摻雜離子、控制合成條件、設(shè)計核殼結(jié)構(gòu)等方案,旨在實現(xiàn)對上轉(zhuǎn)換發(fā)光、溫度傳感和光熱轉(zhuǎn)換性能的優(yōu)化,并對其內(nèi)在機理進行理論探究,最終評估多功能上轉(zhuǎn)換納米平臺在生物組織內(nèi)測溫和光熱殺菌方面的應(yīng)用潛力。本論文的研究內(nèi)容主要包括以下四個部分:(1)選取具有較低聲子能量的新型復(fù)合氧化物Ba_5Gd_8Zn_4O_(21)為基質(zhì),Ho~(3+)、Er~(3+)和Tm~(3+)離子為發(fā)光中心,Yb~(3+)離子為敏化劑,采用溶膠-凝膠法分別制備了具有綠、紅和藍三基色發(fā)射的上轉(zhuǎn)換熒光粉。我們分別實現(xiàn)了來自Ho~(3+)離子高效穩(wěn)定的上轉(zhuǎn)換純綠光發(fā)射和來自Er~(3+)離子上轉(zhuǎn)換發(fā)光顏色的雙模調(diào)制,并詳細探究了其發(fā)光和調(diào)制機理。我們進一步評估了基于Er~(3+)綠光~2H_(11/2)/~4S_(3/2)和紅光~4F_(9/2)的Stark能級以及Tm~(3+)藍光~1G_4的Stark能級的溫度傳感性能,并系統(tǒng)研究了發(fā)光顏色和摻雜濃度對靈敏度的影響。此外,利用熒光強度比技術(shù)監(jiān)測了Tm~(3+)/Yb~(3+)共摻雜樣品中的光熱轉(zhuǎn)換性能,這也為多功能上轉(zhuǎn)換納米平臺的構(gòu)建打下了前期基礎(chǔ)。(2)從生物應(yīng)用角度出發(fā),選取稀土氟化物YF_3為基質(zhì),Er~(3+)和Tm~(3+)離子為發(fā)光中心,Yb~(3+)離子為敏化劑,采用水熱法合成了具有多重形貌的上轉(zhuǎn)換微/納米晶。我們系統(tǒng)分析了YF_3:Yb~(3+)/Er~(3+)的形貌和尺寸對上轉(zhuǎn)換發(fā)光和溫度傳感特性的影響,并進一步評估了其在生物組織內(nèi)測溫的可能性。此外,通過增加Yb~(3+)摻雜濃度提高了YF_3:Yb~(3+)/Tm~(3+)微米晶位于“生物光學(xué)窗口區(qū)”的~3F_(2,3)→~3H_6與~3H_4→~3H_6躍遷強度比值。我們進一步評估了基于~3F_(2,3)/~3H_4能級的溫度傳感特性,并系統(tǒng)研究了Yb~(3+)摻雜濃度對測溫靈敏度和光熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)的影響,證明該體系在生物組織內(nèi)的光學(xué)溫度傳感和光熱治療領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。(3)為了實現(xiàn)靈敏度的最優(yōu)化,我們系統(tǒng)研究了基質(zhì)聲子能量和局部對稱性擾動對上轉(zhuǎn)換發(fā)光和溫度傳感特性的影響。首先,通過控制煅燒溫度實現(xiàn)了由Yb~(3+)/Er~(3+)共摻雜YF_3向YOF和Y_2O_3的轉(zhuǎn)變,并分析了上轉(zhuǎn)換發(fā)光顏色調(diào)制的內(nèi)在機理。利用J-O理論和第一性原理計算詳細分析了聲子能量和化學(xué)鍵共價性與測溫靈敏度的內(nèi)在聯(lián)系。此外,我們采用共沉淀法制備了三方相La_2O_3:Yb~(3+)/Er~(3+)納米晶,并引入立方相Lu_2O_3和Y_2O_3作為對照,詳細探究了它們的晶體結(jié)構(gòu)。借助Eu~(3+)作為熒光探針,我們詳細研究了稀土離子的摻雜在三個基質(zhì)中引起的局部對稱性變化,很好地解釋了La_2O_3:Yb~(3+)/Er~(3+)具有最強上轉(zhuǎn)換發(fā)光的原因。通過對比三個樣品的溫度傳感特性,我們結(jié)合J-O理論探究了基質(zhì)局部對稱性擾動與測溫靈敏度的內(nèi)在聯(lián)系,并利用La_2O_3:Yb~(3+)/Er~(3+)納米晶在組織內(nèi)實現(xiàn)了高信噪比和靈敏度的實時溫度探測,為上轉(zhuǎn)換測溫材料的性能優(yōu)化提供了新思路。(4)為了避免980 nm激光對生物組織的熱損傷,我們采用在808 nm處具有較大吸收截面的Nd~(3+)作為敏化劑,并通過包覆SiO_2提高體系的生物相容性,分別構(gòu)建了Nd~(3+)/Yb~(3+)/Er~(3+)共摻雜的蛋黃-蛋殼結(jié)構(gòu)GdOF@SiO_2和橄欖狀LuVO_4:@SiO_2@Cu_2S上轉(zhuǎn)換納米平臺,并分析了三摻體系的能量傳遞過程。在808 nm激發(fā)下,系統(tǒng)研究了蛋黃-蛋殼結(jié)構(gòu)、Nd~(3+)離子摻雜和光熱轉(zhuǎn)換介質(zhì)Cu_2S包覆對上轉(zhuǎn)換發(fā)光、光熱轉(zhuǎn)換和溫度傳感性能的影響。此外,我們探究了樣品在808 nm激發(fā)下實現(xiàn)組織內(nèi)“溫度自監(jiān)控”光熱過程的潛力,并進一步評估了樣品對細菌的光熱殺傷效率。這種集熒光成像、溫度傳感和光學(xué)加熱多功能于一體的808 nm響應(yīng)上轉(zhuǎn)換納米平臺在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。
【圖文】：

第一章 緒論第一章 緒論熱力學(xué)與統(tǒng)計物理的核心概念，溫度反映了物質(zhì)內(nèi)部熱運動的劇烈程度熵對內(nèi)部能量的偏導(dǎo)數(shù)：T-1= S/ U[1]。絕大多數(shù)的科學(xué)研究和生產(chǎn)過著密不可分的聯(lián)系，因此溫度的準確測量在工業(yè)生產(chǎn)、電子行業(yè)、生命和國防建設(shè)等多個領(lǐng)域中占據(jù)著至關(guān)重要的地位[2-4]。如圖 1.1 所示，根場調(diào)研公司 Grand View Research 的統(tǒng)計，溫度傳感器的市場規(guī)模目前感器市場的 80%左右，預(yù)計將在 2023 年達到 68.6 億美元左右[5]。

近年來，基于物質(zhì)光學(xué)性質(zhì)的非接觸式溫度探測模式蓬勃發(fā)展，并憑借無可比擬的優(yōu)點成為溫度探測方面的研究熱點。紅外探測技術(shù)作為典型的非接觸式測溫方法，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、設(shè)備檢修等領(lǐng)域，但其空間分辨率較低，，只能記錄被測物體表面的溫度分布；基于單色光非彈性散射的拉曼光譜技術(shù)可以實現(xiàn)亞微米量級的溫度探測，但其極易受到熒光分子的干擾[10,11]。通過監(jiān)測發(fā)光材料的熒光峰位、熒光強度、熒光強度比、熒光壽命、光譜線寬等光學(xué)參數(shù)與溫度的依賴關(guān)系，熒光溫度傳感器可以在生物體液、快速移動系統(tǒng)、強電磁場等嚴苛條件下實現(xiàn)快速響應(yīng)(< 1 ms)、高靈敏度(> 1% K-1)和空間分辨率(< 10 m)的遠程溫度探測[12-16]。其中，基于稀土離子熱耦合能級(Thermally coupled energy levels, TCLs)的熒光強度比技術(shù)(fluorescenceintensity ratio, FIR)對測量條件的依賴較小，可有效減小由非溫度參量引發(fā)的測量誤差，如激發(fā)功率波動、熒光損失、氣壓改變等，因此被視為一種極具應(yīng)用潛力的測溫方案[17-20]。
【學(xué)位授予單位】：西北大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB34

【參考文獻】

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1 蘇鏘;;稀土與光——紀念2015年為國際光年[J];中國稀土學(xué)報;2015年04期

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1 趙小奇;稀土摻雜氧化物上轉(zhuǎn)換微/納米晶的可控合成及光譜調(diào)控[D];西北大學(xué);2018年

2 郭俊杰;Yb~(3+)離子團簇與Gd~(3+)、Tb~(3+)、Ce~(3+)離子之間的合作敏化與合作受能過程及其團簇結(jié)構(gòu)性破壞熒光猝滅研究[D];吉林大學(xué);2017年

3 吐爾遜·艾迪力比克;3-Yb~(3+)團簇合作敏化Cu~(2+)、Pb~(2+)上轉(zhuǎn)換發(fā)光及團簇結(jié)構(gòu)性破壞熒光猝滅研究[D];吉林大學(xué);2017年

4 蘆泓宇;基于稀土摻雜上轉(zhuǎn)換材料熒光峰值比的溫度傳感[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2017年

5 趙瑾;稀土摻雜下轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的光譜調(diào)制和能量傳遞研究[D];西北大學(xué);2016年

6 周少帥;用于溫度傳感的NaY(Lu)F_4:RE和Y_2O_3:RE發(fā)光特性研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2015年

7 汪超;稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料在腫瘤治療與生物影像檢測方面的應(yīng)用[D];蘇州大學(xué);2014年

8 李婷;稀土激活的新型氧化物上轉(zhuǎn)換材料研究[D];西北大學(xué);2014年

9 江莎;無定形材料中稀土光譜性質(zhì)的研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2014年

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1 相蘇原;稀土摻雜鎢酸釔鈉熒光粉的上轉(zhuǎn)換光譜性質(zhì)及光熱轉(zhuǎn)換機理研究[D];大連海事大學(xué);2016年

2 楊征;稀土摻雜堿土氟化物微/納發(fā)光材料的水熱合成與調(diào)控[D];西北大學(xué);2015年

3 鄭書紅;稀土摻雜熒光溫度傳感材料設(shè)計與合成[D];浙江大學(xué);2015年

4 田碧凝;稀土摻雜鋅酸釓鋇光轉(zhuǎn)換熒光粉的光譜性質(zhì)及發(fā)光機理研究[D];大連海事大學(xué);2013年

本文編號：2677003