专利名称：一种增强稀土氟化物复合纳米晶的发光性能的方法
技术领域：
本发明属于增强稀土氟化物复合纳米晶的表面改性处理领域，特别涉及一种增强
稀土氟化物复合纳米晶的发光性能的方法。
背景技术：
纳米稀土发光材料是指粒子尺寸在l-100nm的发光材料。纳米材料的小尺寸效 应、量子尺寸效应、表面效应和宏观隧道效应使其在光学、热学、电学、磁学性质等方面呈现 出与常规材料不同的特性，将稀土发光材料纳米化无疑能在原有特性的基础上赋予该材料 一系列新的特性。纳米稀土发光材料的能级结构、能量传递和光谱性质等方面的特殊性，以 及其制备的发光材料高亮度、稳定性好、粒度均匀、分布窄等特点，使其广泛应用于发光、显 示、光信息传输、生物标记、激光等领域。 曾有报道纳米LajMo0》3:Yb， Er上转换荧光材料的制备及其光谱研究江祖成 等，稀土元素分析化学，第二版，北京，科学出版社，2000， 1-2；尤其要指出的，以NaYF4作 为基质，Yb， Er共掺杂的复合稀土上转换荧光材料是迄今为止发光效率最高的上转换荧 光材料。而以NaYF4作为基质，掺杂Eu的荧光材料就是一种下转换材料，也是一种常用 的荧光探针。近年来，NaYF4合成研究的方向和难点在于要制备超细粉末的纳米粒子，因 为粒径小的纳米粒子荧光性能更佳，有更广泛的应用前景。刘永娟等人合成了太阳能电 池用NaYF4:Yb， Er上转换材料刘永娟等，溶剂热法制备太阳电池用NaYF4:Yb3+， Er3+纳米 上转换材料，材料研究学报，2009年第二期，王琼华等合成了绿色发光的NaYF4纳米稀土 材料，可用于显示器和LED技术中王琼华等，显示用上转换绿色发光材料NaYF^Er， Yb 及其特性，光子学报，2008年37巻12期；Hao-Xin Mai等人合成了直径为15nm左右的 六方NaYF4纟内米晶用于生物标记Hao-Xin Mai， etc, High-quality sodium rare-earth fluoridenanocrystals-controlled synthesisi and optical properties, J.AM. CHEM. S0C. 2006， 128， 6426-6436。随着对NaYF4稀土发光纳米晶研究的深入，该材料将拥有更广 阔的应用前景。 自从1984年Roy和Kormarneni首次提出了纳米复合材料的概念后，纳米复合材 料的研究与开发如火如荼进行。同样对于稀土发光材料的表面改性，可以尝试制备高分子 聚合物表面改性的稀土发光复合粒子。尤其是用一些水溶性高分子进行表面修饰，可以使 稀土发光粒子的亲水性更强，高分子表面丰富的活性基团可以进一步连接生物分子，为制 备生物用荧光探针最好准备。 但是表面改性容易造成原来发光粒子荧光性能的减弱，这是由于荧光猝灭灭造 成的。荧光猝灭是指荧光物质与溶剂分子之间所发生的导致荧光强度下降的物理或化学 作用过程。荧光猝灭分为静态猝灭和动态猝灭。基态荧光分子与猝灭剂之间通过弱的结 合生成复合物，且该复合物使荧光完全猝灭的现象属于静态猝灭。Chen Zhibing， etc, Determination of Hydrogen Peroxide by Fluorescence Quenching of the Functional Nano_CdTeFluorescence Probe， Physical Testing and Chemical Analysis,2009， 4，0413-03。已有研究者指出，在发光核结构外再包覆一层无机材料是一种广泛用来提高发 光粒子荧光性能的方法Yu Wang，etc， J.Phys. Chem. C， 2009， 113， 7164-7169，所以先制备 这种层层结构的发光粒子，再进行高聚物表面改性，可以减少荧光猝灭现象。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种增强稀土氟化物复合纳米晶的发光性能 的方法，该方法在室温下油相合成，具有操作简单方便，重复性好，温度要求低、可大量生 产、成本低等优点；制备的稀土发光粒子，在980nm波长的激发下，上转换发出耀眼红光和 绿光，下转换发光时，颜色丰富，荧光性能良好，解决了荧光猝灭的问题。
本发明的一种增强稀土氟化物复合纳米晶的发光性能的方法，包括
(1)以C6H14为溶剂，分别加入Y(C10》3、稀土元素的高氯酸盐、NaF和表面活性剂 作为反应物，室温高速(v = 400 450rpm)搅拌反应1 2h，其中，总反应物与C6H14的体 积比为l : 2; (2)搅拌后静置20 30分钟，分离出油相和水相两层，弃去水相，保留油相，再以 该油相为溶剂，同样与溶剂1 : 2的体积比加入Y(C10》3、NaF和表面活性剂，再于室温下高 速(v = 400 450rpm)搅拌1 2h ; (3)静置20 30分钟，溶液分层，上层为油相，下层为水相，弃去水相，以4000rpm 的速度离心分离油相产物，60 7(TC真空干燥6 8h后得稀土发光粒子，再与聚丙烯酸 PAA于四氢呋喃中反应10 16h，然后蒸发溶剂，清洗干燥后即得水溶性的稀土氟化物复合 纳米发光粒子。 所述步骤(1)中的稀土元素的高氯酸盐选自Eu(C104)3、Yb(C104)3、Er(C104)3中的 一种或几种的混合物； 所述步骤(1)中的Y(C10》3+稀土元素的高氯酸盐NaF :表面活性剂的体积比
为i : i : i; 所述步骤(1)中的稀土元素的高氯酸盐为Eu(C10》3，其掺杂的体积比均占高氯酸 盐混合物的2 5% ; 所述步骤(1)中的稀土元素的高氯酸盐为Yb(C10山和Er(C10^的混合物，其中 Yb (C104) 3掺杂的体积比占高氯酸盐混合物的1 1. 9% ， Er (C104) 3掺杂的体积比占高氯酸 盐混合物的O. 1 1% ; 所述步骤(1)和(2)中的表面活性剂为油酸钠； 所述步骤(2)中的Y(C10》3、NaF与表面活性剂的体积比为1 :1:1; 所述的步骤(3)中聚丙烯酸PAA的聚合度为IOOO，稀土发光粒子与聚丙烯酸PAA
的质量比为l : 4;聚丙烯酸PAA与四氢呋喃的质量体积为10 15mg : lml。本发明首先在有机溶剂中低温合成了 NaYF4:Ln(Eu或Yb， Er)，再以该产物所在
的有机溶剂中再次加入除发光稀土元素以外的反应物，以相同的温度和时间反应，得到
NaYF4: Ln (Eu或Yb， Er) /NaYF4层层结构的稀土发光粒子。将油相产物离心，真空干燥成粉末
后在四氢呋喃中与PAA反应12h，蒸发溶剂后得到水溶性的NaYF4:Ln(Eu或Yb， Er)/NaYF4/
PAA复合发光粒子。本方法反应条件温和，重复性好，制得的发光粒子，粒径小，发光性能良
好，能够减少有机物引起的荧光猝灭。合成的复合粒子能溶于水和乙醇等溶剂，并且可以连接生物分子，在生物标记领域十分有前景。
有益效果 (1)本发明在室温下油相合成，具有操作简单方便，重复性好，温度要求低、可大量 生产、成本低等优点； (2)本发明的稀土发光粒子，在980nm波长的激发下，上转换发出耀眼红光和绿 光，下转换发光时，颜色丰富，荧光性能良好； (3)层层结构的NaYF4:Ln(Eu或Yb，Er)/NaYF4稀土发光粒子解决了荧光猝灭的问 题，高聚物表面改性后，荧光性能保持基本不变。
图1是本发明的工艺流程图； 图2是室温油相合成的NaYF4:Ln/NaYF4稀土发光材料的的透射电镜图； 图3是对NaYF4: Ln/NaYF4稀土发光粒子进行PAA表面修饰前后的红外谱图；(其
中，a. NaYF4:Ln/NaYF4， b. NaYF4: Ln/NaYF4/PAA); 图4是掺杂Eu的稀土纳米粒子下转换荧光强度图；(其中，1. NaYF4:Eu， 2. NaYF4: Eu/PAA， 3. NaYF4: Eu/NaYF4/PAA); 图5是掺杂Yb， Er的稀土纳米粒子上转换荧光强度图； 图6是不同Er掺杂量的NaYF4:Yb， Er/NaYF4/PAA稀土纳米粒子上转换荧光强度 图。
具体实施例方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人 员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定 的范围。 实施例1 (1)在601111(:61114溶液中，加入9. 8ml的Y (C104) 3、0. 2mlEu (C104) 3、 10mlNaF和10ml 表面活性剂油酸钠，室温下高速(v = 400rpm)搅拌lh ; (2)静置20分钟后，溶液分为油相和水相两层，弃去水相，保留油相，再以该油相 为溶剂，加入10mlY(C104)3、10mlNaF和10ml表面活性剂油酸钠，室温下高速(v = 400rpm) 搅拌lh ; (3)静置20分钟，保留油相。以4000rpm的速度离心分离油相产物，6(TC真空干 燥6h，得到白色荧光粉末。取粉末50mg，聚合度为1000的PAA粉末200mg —起溶解到15ml 四氢呋喃中，室温搅拌12h。蒸发溶剂，用醇洗涤2 4次，6(TC真空干燥后得到水溶性的 NaYF4:Eu2% /NaYF4/PAA下转换复合发光粒子。 通过步骤(1)和(2)制得的NaYF4:Eu/NaYF4稀土发光粒子的透射电镜图见图2， 由图2可知，粒子平均粒径为10. 0-12. Onm单分散颗粒，由于掺杂的量很少，掺杂不同稀土 元素的发光材料都用该透射电镜图表示；经过步骤(3)PAA修饰后的复合粒子的红外谱图 见图3，可以看到，图3(a)未修饰前纳米粒子表层存在由表面活性剂造成的特征峰，而修饰后图3(b)显示该特征峰消失，在1400cm—1或1600cm—1形成了 RC00—的对称或反对称伸縮振 动峰，说明NaYF4表面有PAA的存在。 掺杂Eu的稀土纳米粒子下转换荧光强度图如图4所示，在395nm激发光下，该粒 子发出蓝紫色光，在600nm左右有两个5D。 一 7巳和5D。 一 7F2能量转移的特征峰，结果显示 NaYF4: Eu/NaYF4/PAA的荧光强度确实比NaYF4: Eu/PAA有所增加，步骤b)的存在确实能够减
少有机物引起的荧光猝灭。
实施例2 (1)在601111(:61114溶液中，加入9. 5ml的丫(<:104)3、0. 5mlEu (C104) 3、 10mlNaF和10ml 表面活性剂油酸钠，室温下400rpm速度高速搅拌lh ; (2)静置20分钟后，溶液分为油相和水相两层，弃去水相，保留油相，再以该油相 为溶剂，加入10mlY(C104)3、10mlNaF和10ml油酸钠，室温下400rpm高速搅拌lh ;
(3)静置20分钟，保留油相。以4000rpm的速度离心分离油相产物，6(TC真空干 燥6h，得到白色荧光粉末。取粉末50mg，聚合度为1000的PAA粉末200mg —起溶解到15ml 四氢呋喃中，室温搅拌12h。蒸发溶剂，用醇洗涤2 4次，6(TC真空干燥后得到水溶性的 NaYF4:Eu 5% /NaYF4/PAA下转换复合发光粒子。 在395nm激发光下，掺杂Eu的含量提到5 %后，稀土纳米粒子下转换荧光强度会提 高，但是出峰位置仍然不变，同样在600nm左右有两个5D。 一 7巳和5D。 一 7F2能量转移的特 征峰，说明该方法的可重复性较好。
实施例3 (1)在60mlC6Hw溶液中，加入8ml WY(C104)3、1. 7mlYb (C104) 3和0. 3ml Er(C104)3、 10mlNaF和10ml表面活性剂油酸钠，室温下高速(v = 400rpm)搅拌lh ;
(2)静置20分钟后，溶液分为油相和水相两层，弃去水相，保留油相，再以该油相 为溶剂，加入10mlY(C104)3、10mlNaF禾口 10ml油酸钠，室温下高速(v = 400rpm)搅拌lh ;
(3)静置20分钟，保留油相。以4000rpm的速度离心分离油相产物，6(TC真空干 燥6h，得到白色荧光粉末。取粉末50mg，聚合度为1000的PAA粉末200mg —起溶解到15ml 四氢呋喃中，室温搅拌12h。蒸发溶剂，用醇洗涤2 4次，6(TC真空干燥后得到水溶性的 NaYF4:Yb， Er3% /NaYF4/PAA上转换复合发光粒子。 由于稀土元素掺杂量非常微小，通过步骤(1)和(2)制得的NaYF4:Yb，Er/NaYF4稀 土发光粒子的透射电镜图仍然由图2表示，粒子为平均直径为10nm左右单分散颗粒。同样 掺杂不同的稀土元素并不会影响纳米粒子的表面性质，所以经过步骤(3)PAA修饰后的复 合粒子的红外谱图仍然用图3表示，可以看到修饰前后纳米粒子表面的性质变化。
掺杂Er的稀土纳米粒子上转换荧光强度图如图5所示，在980nm激发光下，该粒 子以红色光为主，并伴有较弱的绿色光。在在550nm左右出现的是绿光的特征峰，在670nm 左右的是红色光的特征峰。结果显示NaYF4:Yb，Er/PAA的荧光强度非常微弱，而NaYF4:Yb， Er/NaYF4/PAA的峰强几乎和为表面改性的NaYF4:Yb， Er稀土发光粒子的荧光强度相近，其 中红光的特征峰甚至超过了原来粒子的强度，说明步骤b)的存在确实能够减少有机物引
起的荧光猝灭。
实施例4 (1)在60mlC6H14溶液中，加入8ml的Y (C104) 3、 lmlYb (C104) 3和lml Er (C104) 3、10mlNaF和10ml表面活性剂油酸钠，室温下高速(v = 400rpm)搅拌lh ;
(2)静置20分钟后，溶液分为油相和水相两层，弃去水相，保留油相，再以该油相 为溶剂，加入10mlY(C104)3、10mlNaF禾口 10ml油酸钠，室温下高速(v = 400rpm)搅拌lh ;
(3)静置20分钟，保留油相。以4000rpm的速度离心分离油相产物，6(TC真空干 燥6h，得到白色荧光粉末。取粉末50mg，聚合度为1000的PAA粉末200mg —起溶解到15ml 四氢呋喃中，室温搅拌12h。蒸发溶剂，用醇洗涤2 4次，6(TC真空干燥后得到水溶性的 NaYF4:Yb， ErlO% /NaYF4/PAA上转换复合发光粒子。在980nm的激发光下，当Er的掺杂量提高到10%后，上转换性能有明显变化。该 粒子几乎全为红光，没有绿光。与Er掺杂量为3%形成对比，如图6所示，670nm的红光峰 更高，而550nm左右的绿光峰非常不明显。说明Er的掺杂量越多，红光越强。
实施例5 (1)在60mlC6Hw溶液中，加入8ml的Y(C104)3、1. 9mlYb(C104)3和0. lml Er(C104)3、 10mlNaF和10ml表面活性剂油酸钠，室温下高速(v = 400rpm)搅拌lh ;
(2)静置20分钟后，溶液分为油相和水相两层，弃去水相，保留油相，再以该油相 为溶剂，加入10mlY(C104)3、10mlNaF禾口 10ml油酸钠，室温下高速(v = 400rpm)搅拌lh ;
(3)静置20分钟，保留油相。以4000rpm的速度离心分离油相产物，6(TC真空干 燥6h，得到白色荧光粉末。取粉末50mg，聚合度为1000的PAA粉末200mg —起溶解到15ml 四氢呋喃中，室温搅拌12h。蒸发溶剂，用醇洗涤2 4次，6(TC真空干燥后得到水溶性的 NaYF4:Yb， ErlO% /NaYF4/PAA上转换复合发光粒子。 在980nm的激发光下，当Er的掺杂量下降到1 %后，上转换性能有明显变化。该粒 子以绿光为主，红光为辅。与Er掺杂量为3X和10X的样品形成对比，如图6所示，670nm 的红光峰高度降低，而550nm左右的绿光峰出峰明显。说明Er的掺杂量越少，绿光越强。
权利要求
一种增强稀土氟化物复合纳米晶的发光性能的方法，包括(1)以C6H14为溶剂，分别加入Y(ClO4)3、稀土元素的高氯酸盐、NaF和表面活性剂为反应物，室温下以400～450rpm搅拌反应1～2h，其中，总反应物与C6H14的体积比为1∶2；(2)搅拌后静置20～30分钟，分离出油相和水相两层，弃去水相，保留油相，再以该油相为溶剂，同样与溶剂1∶2的体积比加入Y(ClO4)3、NaF和表面活性剂油酸钠，再于室温下以400～450rpm搅拌反应1～2h；(3)静置20～30分钟，溶液分层，上层为油相，下层为水相，弃去水相，以4000rpm的离心速度分离油相产物，60～70℃真空干燥6～8h后得稀土发光粒子，再与聚丙烯酸PAA于四氢呋喃中反应10～16h，然后蒸发溶剂，清洗干燥后即得水溶性的稀土氟化物复合纳米发光粒子。
2. 根据权利要求1所述的一种增强稀土氟化物复合纳米晶的发光性能的方法，其特征 在于所述步骤(1)中的稀土元素的高氯酸盐选自Eu(C104)3、Yb(C104)3、Er(C104)3中的一 种或几种的混合物。
3. 根据权利要求1所述的一种增强稀土氟化物复合纳米晶的发光性能的方法，其特征 在于所述步骤(1)中配合Y"下转换发光的稀土元素的高氯酸盐为Eu(C10山，其掺杂的体 积比均占高氯酸盐混合物的2 5%。
4. 根据权利要求1所述的一种增强稀土氟化物复合纳米晶的发光性能的方法，其特征 在于所述步骤(1)中配合^+上转换发光的稀土元素的高氯酸盐为Yb(C10^和Er(C10^ 的混合物，其中Yb (C104) 3掺杂的体积比占高氯酸盐混合物的1 1. 9% ， Er (C104) 3掺杂的 体积比占高氯酸盐混合物的0. 1 1%。
5. 根据权利要求1所述的一种增强稀土氟化物复合纳米晶的发光性能的方法，其特征 在于所述步骤(1)和(2)中的表面活性剂为油酸钠。
6. 根据权利要求1所述的一种增强稀土氟化物复合纳米晶的发光性能的方法，其特征 在于所述步骤(1)中的Y(C10》3+稀土元素的高氯酸盐NaF :表面活性剂的体积比为i : i : L
7. 根据权利要求i所述的一种增强稀土氟化物复合纳米晶的发光性能的方法，其特征在于所述步骤(2)中的Y(C10山、NaF与表面活性剂的体积比为l :1:1。
8. 根据权利要求1所述的一种增强稀土氟化物复合纳米晶的发光性能的方法，其特征 在于所述的步骤(3)中聚丙烯酸PAA的聚合度为IOOO，稀土发光粒子与聚丙烯酸PAA的 质量比为l : 4凍丙烯酸PAA与四氢呋喃的质量体积为10 15mg : lml。
全文摘要
本发明涉及一种增强稀土氟化物复合纳米晶的发光性能的方法，包括以C6H14为溶剂，加入Y(ClO4)3、稀土元素的高氯酸盐、NaF和表面活性剂，室温搅拌反应1～2h；静置20～30分钟后分层，弃去水相，保留油相；再以该油相为溶剂，加入Y(ClO4)3、NaF和表面活性剂，搅拌反应1～2h；静置后，离心分离油相产物，真空干燥得稀土发光粒子，再与聚丙烯酸PAA于四氢呋喃中反应，蒸发溶剂，清洗干燥即可。该方法在室温下油相合成，具有操作简单方便，重复性好，温度要求低、可大量生产、成本低等优点；制备的稀土发光粒子，在980nm波长的激发下，上转换发出耀眼红光和绿光，下转换发光时，颜色丰富，荧光性能良好。
文档编号C09K11/77GK101693831SQ200910197289
公开日2010年4月14日 申请日期2009年10月16日 优先权日2009年10月16日
发明者周兴平, 崔卫娜 申请人:东华大学;