一种用于色彩显示和生物成像的上转换荧光材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于材料科学领域；具体涉及一种用于色彩显示和生物成像的上转换荧光材料及其制备方法和应用。
背景技术
稀土离子由于具有丰富的能级而表现出一般元素所无法比拟的发光特性，通过将稀土离子掺杂进不同宿主材料的方式可以获得大量的实用性发光材料。而上转换发光因其用低能光激发出高能光的特殊效应备受研究者青睐。但目前的掺杂发光材料普遍存在发光离子浓度低、光增益小、难以在单一波长激发下产生多色输出等缺点，限制了其作为集成光源或其它特定发光材料的应用。
除了常规可见发光之外，由于近红外荧光可以有效减小生物组织的自发荧光并获得更深的渗透距离，从而可以应用于生物成像等领域以提高检测信噪比。因此，由近红外激发光所产生的近红外上转换荧光也开始受到了人们关注。
发明内容
本发明为解决现有掺杂发光材料普遍存在发光离子浓度低、光增益小、难以在单一波长激发下产生多色输出的技术问题，而提供了一种用于色彩显示和生物成像的上转换荧光材料及其制备方法和应用。
本发明的一种用于色彩显示和生物成像的上转换荧光材料是由Er2O3粉末和SiO2粉末经烧结而成的具有三原色及近红外上转换发光特性的稀土焦硅酸盐C-Er2Si2O7。
进一步限定，所述稀土焦硅酸盐C-Er2Si2O7中Er离子浓度为1022cm-3，且都具有光学活性。
进一步限定，所述三原色为红、绿、蓝三色光。
进一步限定，所述近红外上转换发光的范围为740nm～880nm。
本发明的一种用于色彩显示和生物成像的上转换荧光材料的制备方法按以下步骤进行：
一、将Er2O3粉末烘干，然后与SiO2粉末混合均匀，得到混合粉末；
二、将步骤一得到的混合粉末于1300～1400℃下烧结20h～24h，然后进行研磨，研磨后再于1300～1400℃下烧结20h～24h，得到前驱体粉末；
三、将步骤二得到的前驱体粉末进行压片，压片后于1350～1450℃下烧结45h～50h，得到稀土焦硅酸盐C-Er2Si2O7、即用于色彩显示和生物成像的上转换荧光材料。
进一步限定，步骤一中所述烘干参数为:温度为900～1100℃，时间为10h～14h。
进一步限定，步骤一中所述烘干参数为:温度为1000℃，时间为12h。
进一步限定，步骤一中所述Er2O3粉末与SiO2的质量比为1：(1.5～2.5)。
进一步限定，步骤一中所述Er2O3粉末与SiO2的质量比为1：2。
进一步限定，步骤二中于1350℃下烧结24h，然后进行研磨，研磨1h～2h后再于1350℃下烧结。
进一步限定，步骤三中压片后于1400℃下烧结48h。
本发明的一种用于色彩显示和生物成像的上转换荧光材料可作为发光材料应用于色彩显示及生物成像领域。
本发明与现有技术相比具有的显著效果如下：
1)本申请的C-Er2Si2O7与传统稀土正硅酸盐相比具有更高的离子浓度、更强的发光强度和更长的荧光寿命，无需与其它稀土离子共掺杂就可以表现出三原色上转换发光。
2)本发明制备的C-Er2Si2O7中的铒离子浓度高达1022cm-3且材料中所有的铒离子都具有光学活性。发光离子浓度的提升有效地增大了荧光寿命，使其达到了135.4μs；较高的铒离子浓度也增大了材料本身的光增益，使得其可以应用在集成光源等领域。
3)本发明利用波长980nm的激光照射样品，由上转换效应在可见光范围内激发出了红、绿、蓝三色发光，因无需与其它稀土离子共掺杂就能表现出多色发光的特性，所以简化了制备工艺，节约了制备成本，有利于未来在色彩显示领域的应用。而C-Er2Si2O7在740nm至880nm范围内的近红外上转换发光对应于第一生物学窗口，使得在避免生物组织过热的同时也提高了生物组织探测成像的信噪比，为生物医学探测方向的应用提供了新的选择。
附图说明
图1为具体实施方式一的稀土焦硅酸盐C-Er2Si2O7的荧光寿命图；
图2为具体实施方式一的稀土焦硅酸盐C-Er2Si2O7在可见光范围内的上转换发光谱图；
图3为具体实施方式一的稀土焦硅酸盐C-Er2Si2O7在近红外范围内的上转换发光谱图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种用于色彩显示和生物成像的上转换荧光材料是由Er2O3粉末和SiO2粉末经烧结而成的具有三原色及近红外上转换发光特性的稀土焦硅酸盐C-Er2Si2O7；所述稀土焦硅酸盐C-Er2Si2O7中Er离子浓度为1022cm-3，且都具有光学活性；所述三原色为红、绿、蓝三色光；所述近红外上转换发光的范围为740nm～880nm。
制备上述用于色彩显示和生物成像的上转换荧光材料的方法按以下步骤进行：
一、将Er2O3粉末于100℃下烘干12h，然后与SiO2粉末混合均匀，得到混合粉末；
所述Er2O3粉末与SiO2的质量比为1：2；
二、将步骤一得到的混合粉末于1350℃下烧结24h，然后进行研磨，研磨1h后再于1350℃下烧结24h，得到前驱体粉末；
三、将步骤二得到的前驱体粉末进行压片，压片后于1400℃下烧结48h，得到稀土焦硅酸盐C-Er2Si2O7、即用于色彩显示和生物成像的上转换荧光材料。
具体实施方式一所制备的用于色彩显示和生物成像的上转换荧光材料可作为发光材料应用于色彩显示及生物成像领域。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中烧结温度为1450℃。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
检测试验
(一)稀土焦硅酸盐C-Er2Si2O7的荧光寿命测试：使用爱丁堡-稳态/瞬态荧光光谱仪FLS1000对具体实施方式一得到的稀土焦硅酸盐C-Er2Si2O7的荧光寿命进行了测试，如图1所示，通过公式Imax/e对所测数据进行拟合得到C-Er2Si2O7的光致发光寿命为135.4μs。
(二)稀土焦硅酸盐C-Er2Si2O7的上转换发光测试：使用爱丁堡-稳态/瞬态荧光光谱仪FLS1000对稀土焦硅酸盐C-Er2Si2O7的上转换发光进行了测试，如图2所示，在波长为980nm的激发光入射下，C-Er2Si2O7在可见光范围内可以被激发出明显的红、绿、蓝三色发光，分别对应于铒离子能级中4F9/2→4I15/2，2H11/2/4S3/2→4I15/2，4F7/2→4I15/2能级间的跃迁。
因为近红外-近红外上转换有独特的医学成像优势，所以我们使用波长为980nm的激发光入射C-Er2Si2O7以观察其在近红外区域的上转换发光，如图3所示，C-Er2Si2O7在740nm至880nm范围内有明显的发光，对应于铒离子能级中4I9/2→4I15/2能级间的跃迁。且观察到的近红外发光范围属于第一生物窗口(680nm-940nm)。
