基于铥离子掺杂上转换纳米颗粒的水分子传感探

近日，天津大学精密仪器与光电子工程学院的程振洲教授、刘铁根教授与深圳大学王佳琦副教授合作研究，研发了一种基于铥离子掺杂上转换纳米颗粒的水分子传感探针，成果以“Tm3+-doped upconversion nanoparticles water probing”为题发表在《Sensors & Actuators: B. Chemical》上。

水分子传感在生物制药、精准农业、化学工业以及食品检验等领域有广泛的应用。镧系掺杂上转换纳米颗粒作为一种极具前景的光学水分子传感探针，因其具有发光稳定性高、响应速度快、无背景噪声等优势而备受关注。目前，用于水分子传感的镧系掺杂上转换纳米颗粒的发光中心均为铒离子。得益于铒离子中无辐射弛豫能级对之间的能量差与水分子中的-OH键振动的键能之间的匹配，以铒离子为发光中心的上转换纳米颗粒被认为是良好的水分子传感探针。但是，其通常具有传感灵敏度和线性度较低等缺点。

在本项工作中，研究者们研发了一种基于铥离子掺杂上转换纳米颗粒的水分子传感探针，实现了高灵敏度（6.141%/vol%）和高线性度（0.98733）的水分子传感。同时，研究者们还提出了基于非整数光子辅助的福斯特共振能量传递理论模型去描述和解释水分子传感的物理过程和机理。图1a展示了合成的上转换纳米颗粒（NaLuF4:40%Yb3+/1%Tm3+/45%Gd3+）的透射电镜图。图1b展示了在980 nm波长光激发下，上转换纳米颗粒的发光光谱图。图1c展示了在980nm波长光激发下，上转换纳米颗粒的特征发光峰的强度随着水分子含量的增加而减小。图1d展示了上转换纳米颗粒的归一化积分发光强度随着水分子含量的增加而线性减小。实验测量得到的灵敏度为6.141%/vol%，线性度为0.98733。

图1.基于上转换纳米颗粒的水分子传感。（a）上转换纳米颗粒的透射电镜图。（b）在980 nm波长光激发下，上转换纳米颗粒的发光光谱。（c）在不同水分子含量条件下，上转换纳米颗粒的发光光谱。（d）上转换纳米颗粒的归一化积分发光强度随水分子含量的变化关系。

在上述研究基础上，研究者们制备了上转换纳米颗粒-微纳纤维复合物水分子传感器件：包覆有上转换纳米颗粒的微纳波导和包含有上转换纳米颗粒的蚕丝，并证明它们可以被用于进行环境中的湿度传感。图2a展示了包覆有上转换纳米颗粒的微纳波导水分子传感器件的照片和包覆有上转换纳米颗粒的微纳波导的扫描电镜图。图2b是在不同湿度条件下，包覆有上转换纳米颗粒的微纳波导水分子传感器件的归一化发光强度。可以看到，随着环境湿度的增加，包覆有上转换纳米颗粒的微纳波导的归一化发光强度在逐渐下降。图2c展示了包含有上转换纳米颗粒的蚕丝的扫描电镜图。图2d是在干燥环境和湿润环境中，包含有上转换纳米颗粒的蚕丝的上转换发光光谱。可以看到，相比于在干燥环境中，包含有上转换纳米颗粒的蚕丝在湿润环境中的特征发光峰的强度更低。

图2.上转换纳米颗粒-微纳纤维复合物水分子传感器件。（a）包覆有上转换纳米颗粒的微纳波导水分子传感器件的照片和包覆有上转换纳米颗粒的微纳波导的扫描电镜图。（b）包覆有上转换纳米颗粒的微纳波导的归一化发光强度随环境湿度的变化关系。（c）包含有上转换纳米颗粒的蚕丝的扫描电镜图。（d）在干燥环境和湿润环境中，包含有上转换纳米颗粒的蚕丝的发光光谱。

本论文第一作者为天津大学精密仪器与光电子工程学院的硕士毕业生王杰，通信作者为深圳大学的王佳琦副教授和天津大学的程振洲教授。该工作得到了国家自然科学基金（62161160335, 62175179, 61805175）、中国广东省基金（2022B1515130002, 2023A1515011189）和深圳市科技计划（JCYJ20190808120801661）项目的支持。

审核编辑：刘清