基于等离子体增强的紫外上转换精密操控

Recently, lanthanide nanomaterials based on near infrared (NIR) – ultraviolet (UV) upconversion reveal a promising prospect in the applications in photocatalysis and biomedicine in deep tissue. However, the high excitation threshold for triggering upconversion photoreaction may cause the photodamage of biological tissues or other materials unavoidably. And the attenuated NIR light, which can penetrated deeply, may not be able to excite upconversion photoreaction efficiently. Aiming at these problems, we will apply plasmonic enhancement effect to the NIR-UV upconversion of single lanthanide nanoparticles in this project. Based on the strong coupling effect between surface plasmon and multiphoton UV upconversion of lanthanides, its intrinsic mechanism in three dimensional space will be discussed. The optical properties of the lanthanide nanoparticles will be manipulated precisely by making good use of the field characteristics of surface plasmon, achieving the enhancement of NIR-UV upconversion and improvement of conversion efficiency. This may contribute to trigger upconversion photoreaction with lower intensity of NIR excitation, reducing the photodamage induced by the excitation. The precise manipulation of UV upconversion based on plasmonic enhancement may pave a potential technical approach for the practical applications of NIR-UV upconversion photosensitive nanomaterials in photocatalysis and biomedicine.

近年来，稀土近红外-紫外上转换纳米材料在光催化、深层组织医药应用领域等有着潜在的应用前景。然而，当前触发上转换光敏反应所需的激发阈值偏高，不可避免会引起生物组织或其他材料的光致损伤，而且深入材料或组织内部的激发光因发生衰减无法有效激发上转换光敏反应。针对这些问题，本项目将等离子体增强效应应用于稀土单纳米颗粒的近红外-紫外荧光上转换研究。基于稀土多光子紫外上转换与表面等离子体的强耦合相互作用，讨论多光子紫外上转换在三维空间与表面等离子体相互耦合的物理机制，利用表面等离子体良好的场特性对稀土纳米颗粒的光学特性进行精密操控，实现近红外-紫外上转换荧光的增强及转换效率的提高，这将有助于用更低强度的近红外光触发有效光敏反应，进一步降低激发光对生物组织等材料的光致损伤。基于等离子体增强的紫外上转换精密操控技术将为推进近红外-紫外上转换纳米材料在光催化和生物医药治疗等应用领域的实用化提供潜在的技术途径。

近年来，稀土近红外-紫外上转换纳米材料在光催化、靶向治疗、荧光传感等领域有着潜在的应用前景。然而，当前触发上转换光敏反应所需的激发阈值偏高，不可避免会引起生物组织或其他材料的光致损伤，而且深入材料或组织内部的激发光因发生衰减无法有效激发上转换光敏反应。本项目将等离子体增强效应应用于稀土纳米颗粒的上转换研究，旨在实现近红外-紫外荧光上转换增强，提高稀土纳米颗粒的上转换效率，这将有助于改善与解决上述问题。. 本项目采用共沉淀法制备稀土纳米晶体，通过构建并优化近红外激发上转换共聚焦显微扫描成像系统，研究金属纳米结构所产生的表面等离子体与稀土纳米颗粒的相互耦合作用对多光子紫外上转换发光特性产生的影响；将超短激光脉冲应用于激发稀土纳米颗粒，通过双色场激发，探寻近红外-紫外多光子上转换增强的可能，实现高效多光子上转换精密控制。. 研究发现，当稀土纳米颗粒处于金属纳米结构附近，在近红外激光的激发下，紫外/蓝光波段的上转换荧光均得到了显著地增强，这是由于金属纳米结构在激光激发下产生表面等离子体，进而使得稀土纳米颗粒附近的局域电磁场得到了增强，相当于增大了稀土离子的吸收截面，提高能量转移的上转换和激发态吸收效率，实现上转换荧光的增强。由于不同荧光峰来自于不同的多光子上转换过程，产生的局域增强电磁场引起了更快的上转换跃迁，使得高激发态有着更多的布居，而低激发态相对更容易产生荧光饱和状态，导致了增强差异的出现。而通过超短激光脉冲双色场激发，发现双色场不同的延时差及不同的光频率均能引发稀土上转换材料荧光强度及光谱特性的变化，进而可实现多光子上转换精密控制。通过时域与频域的精确控制，可实现紫外上转换荧光的显著增强。上述结果为推进近红外-紫外上转换纳米材料在光催化和生物医药治疗等应用领域的实用化提供了潜在的实验依据。