增强稀土掺杂颗粒中的上转换发光.pdf

公开了一种用于增强稀土掺杂颗粒的上转换发光的方法，稀土掺杂颗粒包括基质材料、富集浓度的激活剂(发射器)以及充足浓度水平的敏化剂，该方法包括使颗粒经受增加的辐照度。增加的辐照度比目前使用的较低辐照度水平更高。增强上转换发光包括增强发光强度、亮度和/或上转换效率。颗粒优选地经受足以克服或逆转浓度猝灭的辐照功率密度。激活剂优选地具有从敏化剂的激发态能级中接收共振能量的中间元稳定能级。在另一形式中，颗粒被设计为从敏化剂与激活剂之间的上转换系统中尽可能减少或者排除猝灭剂，例如，芯壳颗粒，其中芯包含基质材料、敏化剂以及激活剂，并且外壳包含防止、延迟或者抑制表面猝灭的材料。

1.  一种用于增强稀土掺杂的颗粒的上转换发光的方法，所述颗粒包含 基质材料、敏化剂以及激活剂，其中，所述颗粒具有至少大约1mol％ 的激活剂浓度，并且所述方法包括使所述颗粒经受至少大约10³W/cm²的辐照度。

2.  根据权利要求1所述的方法，其中，所述辐照度高于目前使用的低 辐照度水平。

3.  根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，增强上转换发光 包括增强发光强度和/或亮度和/或上转换效率。

4.  根据权利要求1到3中任一项所述的方法，其中，所述方法包括使 所述颗粒经受足以克服或逆转上转换发光的浓度猝灭的辐照度。

5.  根据权利要求1到4中任一项所述的方法，其中，所述方法包括使 所述颗粒经受足以引起所述激活剂的上转换能态的布居的辐照度。

6.  根据权利要求1到5中任一项所述的方法，其中，所述激活剂具有 从所述敏化剂的激发态能级接收共振能量的中间元稳定能级。

7.  根据权利要求1到6中任一项所述的方法，其中，所述颗粒被配置 为从所述敏化剂与所述激活剂之间减少、最小化或者排除猝灭剂。

8.  根据权利要求1到7中任一项所述的方法，所述方法包括使所述颗 粒经受至少大约10⁴W/cm²、或者至少大约10⁵W/cm²、或者至少大 约10⁶W/cm²、或者至少大约10⁷W/cm²、或者至少大约10⁸W/cm²、 或者至少大约10⁹W/cm²、或者至少大约10¹⁰W/cm²、或者至少大约 10¹¹W/cm²、或者至少大约10¹²W/cm²的辐照度。

9.  根据权利要求8所述的方法，所述方法包括使所述颗粒经受大约在 1×10⁴与5×10⁶W/cm²之间、或者大约在1.6×10⁴与2.5×10⁶W/cm²之间的辐照度。

10.  根据权利要求1到9中任一项所述的方法，其中，所述辐照度是红 外或近红外辐照度。

11.  根据权利要求1到10中任一项所述的方法，其中，所述颗粒具有增 加的或者富集的激活剂浓度。

12.  根据权利要求11所述的方法，其中，所述颗粒具有至少大约0.5 mol％、或者至少大约1mol％、或者至少大约2mol％、或者至少大 约3mol％、或者至少大约4mol％、或者至少大约5mol％、或者至 少大约6mol％、或者至少大约7mol％、或者至少大约8mol％、或 者至少大约10mol％、或者至少大约12mol％、或者至少大约14 mol％、或者至少大约16mol％、或者至少大约18mol％、或者至少 大约20mol％的激活剂浓度。

13.  根据权利要求11所述的方法，其中，所述颗粒具有大约在1mol％ 与30mol％之间、或者大约在1mol％与25mol％之间、或者大约在 1mol％与20mol％之间、或者大约在1mol％与15mol％之间、或者 大约在2mol％与15mol％之间、或者大约在4mol％与15mol％之间、 或者大约在4mol％与8mol％之间的激活剂浓度。

14.  根据权利要求1到13中任一项所述的方法，其中，所述激活剂选自 由以下各项组成的组中：Tm³⁺、Er³⁺、Dy³⁺、Sm³⁺、Ho³⁺、Eu³⁺、Tb³⁺以及Pr³⁺。

15.  根据权利要求14所述的方法，其中，所述激活剂是Ho³⁺或Tm³⁺。

16.  根据权利要求15所述的方法，其中，所述激活剂是Tm³⁺。

17.  根据权利要求1到16中任一项所述的方法，其中，所述颗粒具有增 加的或富集的敏化剂浓度。

18.  根据权利要求17所述的方法，其中，所述颗粒具有在大约10mol％ 到大约95mol％、或者大约20mol％到90mol％、或者大约20mol％ 到80mol％、或者大约30mol％到80mol％、或者大约40mol％到 80mol％、或者大约20mol％到40mol％的范围内的敏化剂浓度。

19.  根据权利要求1到18中任一项所述的方法，其中，所述敏化剂是 Yb³⁺、Gd³⁺、Nd³⁺或Ce³⁺。

20.  根据权利要求1到19中任一项所述的方法，其中，在所述敏化剂是 Yb³⁺并且所述激活剂是Tm³⁺时，所述方法包括：使所述颗粒经受足 以引起所述Tm³⁺的包括¹G₄和¹D₂能级的³H₄能级和/或更高能级的 布居的辐照度。

21.  根据权利要求1到20中任一项所述的方法，其中，所述基质材料选 自由以下各项组成的组中：碱氟化物、氧化物以及硫氧化物。

22.  一种用于增强稀土掺杂的颗粒的上转换发光的方法，所述颗粒包括 基质材料、敏化剂以及激活剂，其中，所述颗粒具有大约在1mol％ 与15mol％之间、或者大约在2mol％与10mol％之间的激活剂浓度， 所述方法包括使所述颗粒经受至少大约10³W/cm²、至少大约10⁴W/cm²、或者至少大约10⁵W/cm²的辐照度。

23.  一种用于增强稀土掺杂的颗粒的上转换发光的方法，所述颗粒包括 基质材料、敏化剂以及激活剂，其中，所述颗粒具有大约在1mol％ 与20mol％之间、或者大约在2mol％与10mol％之间的激活剂浓度， 所述方法包括使所述颗粒经受至少大约10⁶W/cm²的辐照度。

24.  一种用于增强稀土掺杂的颗粒的上转换发光的方法，所述颗粒包括 基质材料、敏化剂、以及激活剂，所述敏化剂是以浓度大约在10 mol％与99mol％之间、或者大约在20mol％与80mol％之间而存在 的Yb³⁺，以及所述激活剂是以浓度大约在1mol％与20mol％之间、 或者大约在1mol％与10mol％之间而存在的Tm³⁺，所述方法包括使 所述颗粒经受至少大约10⁵W/cm²、或者至少大约10⁶W/cm²的辐照 度。

25.  一种用于增强稀土掺杂的颗粒的上转换发光的方法，所述颗粒包括 基质材料、敏化剂、以及激活剂，所述敏化剂是以浓度大约在20 mol％与60mol％之间、或者大约在20mol％与40mol％之间而存在 的Yb³⁺，以及所述激活剂是以浓度大约在1mol％与20mol％之间、 或者大约在4mol％与10mol％之间而存在的Tm³⁺，所述方法包括使 所述颗粒经受至少大约10⁶W/cm²的辐照度。

26.  一种用于增强稀土掺杂的颗粒的上转换发光的方法，所述颗粒包括 基质材料、敏化剂、以及激活剂，所述敏化剂是以浓度大约在20 mol％与50mol％之间、或者大约在20mol％与40mol％之间而存在 的Yb³⁺，以及所述激活剂是以浓度大约在1mol％与20mol％之间、 或者大约在2mol％与10mol％之间而存在的Tm³⁺，所述方法包括使 所述颗粒经受至少大约10⁵W/cm²、或者至少大约10⁶W/cm²的辐照 度。

27.  一种用于增强上转换发光的系统，包括：
稀土掺杂的颗粒，包括基质材料、敏化剂以及激活剂，其中， 所述颗粒具有至少大约1mol％的激活剂浓度；以及
辐照源，用于使所述颗粒经受至少大约10³W/cm²的辐照度。

28.  一种稀土掺杂的颗粒，包括基质材料、敏化剂以及激活剂，其中， 所述敏化剂以至少大约20mol％的浓度而存在，并且其中，所述激 活剂以至少大约1mol％的浓度而存在。

29.  根据权利要求28所述的颗粒，其中，所述敏化剂以至少大约25 mol％、至少大约30mol％、至少大约40mol％、至少大约50mol％、 至少大约60mol％、至少大约70mol％、至少大约80mol％、或者至 少大约90mol％的浓度而存在。

30.  根据权利要求28或权利要求29所述的颗粒，其中，所述激活剂以 至少大约2mol％、至少大约4mol％、至少大约5mol％、至少大约 10mol％、至少大约15mol％、至少大约20mol％、至少大约25mol％、 或者至少大约30mol％的浓度而存在。

31.  根据权利要求28所述的颗粒，其中，所述敏化剂以大约在20mol％ 与40mol％之间、或者大约在40mol％与90mol％之间、或者大约在 50mol％与90mol％之间、或者大约在60mol％与90mol％之间的浓 度而存在。

32.  根据权利要求28所述的颗粒，其中，所述激活剂以大约在2mol％ 与30mol％之间、或者大约在2mol％与15mol％之间、或者大约在 2mol％与8mol％之间、或者大约在4mol％与8mol％之间的浓度而 存在。

33.  根据权利要求28到32中任一项所述的颗粒，其中，所述激活剂具 有从所述敏化剂的激发态能级接收共振能量的中间元稳定能级。

34.  根据权利要求28到33中任一项所述的颗粒，所述颗粒被配置为从 所述敏化剂与所述激活剂之间减少、最小化或者排除猝灭剂。

35.  根据权利要求34所述的颗粒，所述颗粒是芯壳颗粒，其中，芯包括 所述基质材料、所述敏化剂以及所述激活剂，并且外壳包括防止、 延迟或者抑制表面猝灭的材料。

36.  根据权利要求28到35中任一项所述的颗粒，其中，所述敏化剂是 Yb³⁺，并且所述激活剂是Ho³⁺或Tm³⁺。

37.  根据权利要求28到36中任一项所述的颗粒，其中，所述颗粒是纳 米颗粒、微粒或者块状材料。

38.  根据权利要求28到36中任一项所述的颗粒，其中，所述颗粒是纳 米晶体、微晶体或者块状材料。

39.  一种用于捕获或观察上转换发光的系统，包括：
悬浮芯光纤，包括稀土掺杂的颗粒，所述颗粒包括基质材料、 敏化剂以及激活剂，其中，所述颗粒具有至少大约1mol％的激活剂 浓度；
至少一个激光束，作为用于使所述颗粒经受至少大约10³W/cm²的辐照度的辐照源，从而激发所述颗粒以产生上转换发光； 以及
光谱仪，用于捕获或观察所述发光。

增强稀土掺杂颗粒中的上转换发光
技术领域
本发明一般地涉及用于增强上转换发光的方法、系统和/或颗粒，优 选地用于增强掺杂有稀土金属的颗粒中的上转换发光。
背景技术
例如，将红外辐射转换成更高能量可见发光的上转换纳米晶体有很大 的希望应用于生物检测、生物成像、太阳能电池以及3-D显示技术中。镧 系元素掺杂的上转换纳米晶体通常掺杂有吸收红外辐射的镱Yb³⁺敏化剂 离子，并且将顺序激发非辐射地传输给激活剂离子，例如，铒(Er³⁺)、铥 (Tm³⁺)、或钬(Ho³⁺)。传统上，已经深入研究了与Yb³⁺离子共振并且具 有～0.3％量子产率用于上转换发光的Er³⁺离子，将其用于生物标记和背景 自由成像。在低辐照度激发Tm³⁺之下，激活剂不如Er³⁺亮，然而，在大约 802nm处的Tm³⁺红外发射位于“生物组织透明窗”内。
在一个示例上转换系统中，发光镧系离子用作激活剂(也称为发射 器)，但是具有较小的吸收截面来直接吸收入射的红外辐射。同样，在红 外线处具有大得多的吸收截面的敏化剂离子(例如，Yb)用作一种天线， 该天线用于不辐射地将能量传输给激活剂。
虽然在合成过程中的新进展已使得能精确地控制上转换纳米晶体形 态、结晶相以及发射颜色，但是依然难以实现强烈的上转换发光。克服这 个问题的尝试包括使用贵金属纳米结构来通过表面等离子体增强能量传 输率。基本的限制是敏化剂和激活剂的浓度不能增大为超过较低的阈值， 这是因为这引起发光大幅下降，称为“浓度猝灭”。确定在NaYF₄主晶格 内的优化的掺杂浓度为在0.2～0.5mol％的Tm³⁺和20～40mol％的Yb³⁺范 围内。这些值建立在100W/cm²的低辐照度之下。
发明人培养了对在稀土掺杂颗粒中有助于浓度猝灭的因素的理解，并 且开发了能够尽可能减少或避免浓度猝灭的方法、系统和/或颗粒，以便(例 如)成千上万的发射器(以及敏化剂)可以嵌入上转换纳米晶体内，这产 生了扩增的和出色的亮度。
发明内容
在各种形式中，本发明提供了用于增强上转换发光的方法、系统和/ 或颗粒，例如，纳米晶体和微晶体(被视为块状材料(bulk material))， 其优选地使用掺杂有稀土元素或金属的颗粒。
在第一方面，本发明提供了一种用于增强包括基质材料、敏化剂和/ 或激活剂的稀土掺杂的颗粒的上转换发光的方法，所述方法包括使颗粒经 受增加的辐照度或最低水平的辐照度。在一个特定的实例中，激活剂以高 浓度存在，并且敏化剂以与激活剂浓度匹配的充足浓度而存在。
增加的辐照度或最低水平的辐照度比目前使用的低于100W/cm²的 低辐照度水平更高。
优选地，增强上转换发光包括增强发光强度和/或亮度和/或上转换效 率。
所述方法可以包括使所述颗粒经受足以克服或逆转上转换发光的浓 度猝灭的辐照度。
所述方法可以包括使所述颗粒经受足以引起激活剂的上转换能态的 布居(population)的辐照度。
优选地，所述激活剂具有从敏化剂的激发态能级(sensitiser excited  state level)接收共振能量的中间元稳定能级(intermediate meta stable energy  level)。
中间元稳定能级可以低于敏化剂的激发态能级。或者，中间元稳定能 级可以高于敏化剂的激发态能级。
所述颗粒可以被配置为从敏化剂与激活剂之间减少、最小化或者排除 猝灭剂。
所述颗粒可以是芯壳颗粒，其中，芯包括基质材料、高度掺杂的敏化 剂以及激活剂，并且外壳至少部分包括防止、延迟或者抑制表面猝灭的一 种或多种材料或者由其构成。
所述方法可以包括使颗粒经受至少大约10²W/cm²、或者至少大约10³W/cm²、或者至少大约10⁴W/cm²、或者至少大约10⁵W/cm²、或者至少大 约10⁶W/cm²、或者至少大约10⁷W/cm²、或者至少大约10⁸W/cm²、或者 至少大约10⁹W/cm²、或者至少大约10¹⁰W/cm²、或者至少大约10¹¹W/cm²、 或者至少大约10¹²W/cm²的辐照度(即，增加的辐照度或最低水平的辐照 度)。
所述方法可以包括使颗粒经受大约在1×10⁴与5×10⁶W/cm²之间或者 大约在1.6×10⁴与2.5×10⁶W/cm²之间的辐照度(即，增加的辐照度或最低 水平的辐照度)。
所述辐照度可以是红外(或者近红外)辐照度。
所述颗粒可以是纳米颗粒、微粒或块状材料。在一些实施方式中，所 述颗粒是纳米晶体或微晶体。
所述颗粒可以具有增加的或富集的激活剂浓度。
所述颗粒可以具有至少大约0.5mol％、或者至少大约1mol％、或者 至少大约2mol％、或者至少大约3mol％、或者至少大约4mol％、或者至 少大约5mol％、或者至少大约6mol％、或者至少大约7mol％、或者至少 大约8mol％、或者至少大约10mol％、或者至少大约12mol％、或者至少 大约14mol％、或者至少大约16mol％、或者至少大约18mol％、或者至 少大约20mol％的激活剂浓度。
所述激活剂可以是Er³⁺、Tm³⁺、Sm³⁺、Dy³⁺、Ho³⁺、Eu³⁺、Tb³⁺、Pr³⁺或任何其他稀土金属离子，包括其组合。在一个实施方式中，激活剂是 Tm³⁺。
所述颗粒可以具有增加的或富集的敏化剂浓度。
所述颗粒可以具有在大约10mol％到大约95mol％、或者大约20 mol％到90mol％、或者大约20mol％到80mol％、或者大约30mol％到80 mol％、或者大约40mol％到80mol％、或者大约20mol％到40mol％的范 围内的敏化剂浓度。在各种实施方式中，敏化剂是Yb³⁺、Nd³⁺或Gd³⁺或其 组合。
在没有猝灭剂的系统的情况下，敏化剂的浓度水平可以从目前使用的 水平20％增大到30％或更大、40％或更大、50％或更大、60％或更大、70％ 或更大、80％或更大、90％或更大。
在所述敏化剂是Yb³⁺并且所述激活剂是Tm³⁺时，所述方法可以包括 使所述颗粒经受足以引起Tm³⁺的包括¹G₄和¹D₂能级的³H₄能级和/或更高 能级的至少部分布居的辐照度。
所述基质材料可以是或者可以包括基于镧系元素的材料、碱氟化物 (例如，NaYF₄、NaLuF₄、LiLuF₄或KMnF3)、或氧化物(例如，Y₂O₃)、 或硫氧化物(例如，Gd₂O₂S)。
在一个实施方式中，提供了一种用于增强包括基质材料、敏化剂以及 激活剂的稀土掺杂颗粒的上转换发光的方法，其中，所述颗粒具有至少大 约1mol％的激活剂浓度，并且所述方法包括使颗粒经受至少大约10³W/cm²的辐照度。
在另一个实施方式中，提供了一种用于增强包括基质材料、敏化剂以 及激活剂的稀土掺杂颗粒的上转换发光的方法，其中，所述颗粒具有大约 在1mol％与15mol％之间、或者大约在2mol％与10mol％之间的激活剂 浓度，所述方法包括使颗粒经受至少大约10³W/cm²、至少大约10⁴W/cm²或至少大约10⁵W/cm²的辐照度。
在另一个实施方式中，提供了一种用于增强包括基质材料、敏化剂以 及激活剂的稀土掺杂颗粒的上转换发光的方法，其中，所述颗粒具有大约 在1mol％与20mol％之间、或者大约在2mol％与10mol％之间的激活剂 浓度，所述方法包括使颗粒经受至少大约10⁶W/cm²的辐照度。
在另一个实施方式中，提供了一种用于增强包括基质材料、敏化剂以 及激活剂的稀土掺杂颗粒的上转换发光的方法，所述敏化剂是以浓度大约 在10mol％与99mol％之间或者大约在20mol％与80mol％之间而存在的 Yb³⁺，并且所述激活剂是以浓度大约在1mol％与20mol％之间或者大约在 1mol％与10mol％之间而存在的Tm³⁺，所述方法包括使颗粒经受至少大 约10⁵W/cm²或至少大约10⁶W/cm²的辐照度。
在另一个实施方式中，提供了一种用于增强包括基质材料、敏化剂以 及激活剂的稀土掺杂颗粒的上转换发光的方法，所述敏化剂是以浓度大约 在20mol％与60mol％之间或者大约在20mol％与40mol％之间存在的 Yb³⁺，并且所述激活剂是浓度大约在1mol％与20mol％之间或者大约在4 mol％与10mol％之间存在的Tm³⁺，所述方法包括使颗粒经受至少大约10⁶W/cm²的辐照度。
在另一个实施方式中，提供了一种用于增强包括基质材料、敏化剂以 及激活剂的稀土掺杂颗粒的上转换发光的方法，所述敏化剂是以浓度大约 在20mol％与50mol％之间、或者大约在20mol％与40mol％之间而存在 的Yb³⁺，并且所述激活剂是以浓度大约在1mol％与20mol％之间、或者 大约在2mol％与10mol％之间而存在的Tm³⁺，所述方法包括使颗粒经受 至少大约10⁵W/cm²或至少大约10⁶W/cm²的辐照度。
在第二方面，本发明提供了一种包括稀土掺杂的颗粒和辐照源的系 统，所述稀土掺杂颗粒包括基质材料、敏化剂以及激活剂，并且所述辐照 源用于使颗粒经受增加的辐照度或最低水平的辐照度。
在另一个实施方式中，提供了一种用于增强上转换发光的系统，包括： 包括基质材料、敏化剂以及激活剂的稀土掺杂的颗粒，其中，所述颗粒具 有至少大约1mol％的激活剂浓度；以及辐照源，用于使颗粒经受至少大 约10³W/cm²的辐照度。
所述颗粒可以如同在第一方面定义的一般。
通过和/或根据第一方面的方法，所述颗粒可以经受更大的辐照度。
在第三方面，本发明提供了包括基质材料、敏化剂以及激活剂的稀土 掺杂的颗粒，其中，所述敏化剂以至少大约20mol％的浓度存在，并且其 中，所述激活剂以至少大约1mol％的浓度存在。
可以按照第一方面一样来定义基质材料、敏化剂以及激活剂。
在一些实施方式中，所述敏化剂是Yb³⁺，并且所述激活剂是Tm³⁺。
所述颗粒可以是纳米颗粒、微粒或块状材料。在一些实施方式中，所 述颗粒是纳米晶体、微晶体或块状材料。
在一些实施方式中，所述敏化剂以至少大约25mol％、或者至少大约 30mol％、或者至少大约40mol％、或者至少大约50mol％、或者至少大 约60mol％、或者至少大约70mol％、或者至少大约80mol％、或者至少 大约90mol％的浓度而存在，和/或所述激活剂以至少大约4mol％、至少 大约5mol％、至少大约10mol％、至少大约15mol％、至少大约20mol％、 至少大约25mol％、或至少大约30mol％的浓度而存在。预计具有上述浓 度的任何组合。
以下陈述适用于第一、第二以及第三方面。
颗粒可以存在于光纤(fibre)(例如，悬浮芯光纤)中。
方法、系统以及颗粒可以用于检测、感测、成像、流式细胞术、光动 力治疗、纳米医学、太阳能电池或显示器应用、光纤放大器和光学通信或 安全印刷中。
例如，感测应用可以是光纤感测方法，例如，光纤浸渍感测方法。显 示器应用包括电视和监控器。纳米医学应用包括药物载体和药物释放激活 剂。
在第四方面，本发明提供了一种用于捕获上转换发光的系统，包括： 悬浮芯光纤，其包括颗粒，所述颗粒包括基质材料、敏化剂以及激活剂； 激光束，用于激发所述颗粒以产生上转换发光；以及光谱仪，用于捕获发 光。
在另一个实施方式中，提供了一种用于捕获或观察上转换发光的系 统，包括：悬浮芯光纤，其包括稀土掺杂的颗粒，所述颗粒包括基质材料、 敏化剂以及激活剂，其中，所述颗粒具有至少大约1mol％的激活剂浓度； 至少一个激光束，作为用于使颗粒经受至少大约10³W/cm²的辐照度的辐 照源，从而激发所述颗粒以产生上转换发光；以及光谱仪，用于捕获或观 察发光。
颗粒可以如同第一、第二或第三方面所定义的一般。
附图说明
现在，参照附图，仅仅通过示例方式，描述本发明的优选实施方式， 其中：
图1示出了在悬浮芯光纤中显示了增强的上转换的高度Tm³⁺掺杂的 NaYF₄：(a)单分散的NaYF₄:Yb/Tm纳米晶体在不同的掺杂水平下的透射 电子显微镜图像。纳米颗粒与窄粒径分布具有相似的平均大小。(b)示例 系统配置的示意图，用于使用悬浮芯微结构光纤浸渍传感器捕获 NaYF₄:Yb/Tm纳米晶体的上转换发光。连续波980nm二极管激光的目标 在于悬浮芯。光沿着光纤的长度传播并且与位于周围孔内的上转换纳米晶 体相互作用。激发的上转换发光耦合到光纤芯内，并且向后传播的光由光 谱仪捕获。插图：扫描电子显微镜图像，通过不同的放大倍数显示了F2 悬浮芯微结构光纤的横截面。光纤外直径是160μm，具有17μm的孔以 及1.43μm的芯。(c)一系列NaYF₄:Yb/Tm纳米晶体的上转换光谱，在 2.5×10⁶Wcm^-2的激发辐照度下具有改变的Tm³⁺浓度，显示了在Tm³⁺含量 从0.2mol％增大为8mol％的情况下上转换发光的稳定增长。
图2示出了功率相关的多光子上转换的分析，(a)表示主要上转换过 程的NaYF₄:Yb/Tm纳米晶体的简化能级方案，虚线表示非辐射能量转移， 并且弯曲的箭头表示多声子弛豫。(b)作为激发的函数的1mol％Tm³⁺的 光谱的典型示例演变，显示了¹G₄和¹D₂能级的发射随着激发从1×10⁴Wcm^-2增大为2.5×10⁶W cm^-2而大幅增长。(c)光谱分解成单独的高斯峰 值。累积强度由I_λ表示，其中，λ是峰值波长。在能级方案(a)中表示不 同的过渡。例如，阴影区域表示³H_{4_}→³H₆过渡。(d)作为激发辐照度的 函数的¹D₂到³H₄类别(I₄₅₅+I₅₁₄+I₇₄₄+I₇₈₂)/I₈₀₂和¹G₄到³H₄类别(I₄₈₀+ I₆₆₀)/I₈₀₂的强度比率。(e)示图示出了在Yb³⁺和Tm³⁺离子的全体(ensemble) 与后续辐射和非辐射路径之间的能量转移。顶部(底部)面板：低(高) Tm³⁺/Yb³⁺比率。在低Tm³⁺/Yb³⁺比率的情况下，由于从³F₄和³H₄状态中释 放能量的Tm³⁺容量有限，所以有限数量的Tm³⁺离子产生能量转移瓶颈。 因此，在增加激发时，涉及更高状态¹G₄和¹D₂的替换的能量损耗通道(辐 射和非辐射)逐步打开。
图3示出了功率相关的上转换效率的分析，(a)作为一系列Tm³⁺掺 杂的纳米晶体的激发辐照度的函数的累积上转换发光强度(～400–850 nm)，所有样品具有相同体积和相同数量的纳米晶体。(b)与在(a)中一 样，但是除以Tm³⁺离子的浓度。在2.5x10⁶Wcm^-2的激发辐照度之下，2 mol％Tm³⁺具有最高相对上转换效率，然而，由于通过充分的激发，可以 使用更大数量的激活剂，所以在8mol％Tm³⁺中观察最强的上转换信号。
图4示出了在悬浮芯微结构光纤浸渍传感器(fiber dip sensor，光纤 倾角传感器)中的单个纳米晶体的检测。(a)将3.9fM纳米晶体溶液载入 光纤浸渍传感器内的10次实验的结果。4次阳性实验显示了可媲美的～800 到810nm发射峰值，6次实验造成一致的背景噪声基线。980nm激发的 散射造成基线能级。(b)归一化纳米晶体发射从～800到810nm累积。4 次阳性实验产生了～250的强度，具有4.7％的低变化系数(CV)以及>8 的高信噪比。(c)三个独立实验的时间相关的动态。圆圈：进行实验，没 有观察到纳米晶体(仅仅观察到背景)。三角形：在实验开始之后不久， 出现一个纳米晶体。方形：在2分钟之后，在光纤中出现单个纳米晶体， 然后，在～5分钟时出现第二个纳米晶体；然后，一个纳米晶体退出观察量 (observation volume)。
图5示出通过低辐照度水平10W/cm²激发的不同的Tm³⁺浓度的合成 的NaYF4:Yb/Tm纳米晶体的上转换光谱的比较。(a)具有不同的Tm³⁺浓度的光谱。在具有10W/cm²辐照度时，0.5mol％Tm³⁺掺杂的纳米晶体 发射最亮的上转换发光。(b)作为Tm³⁺浓度的函数的各种上转换峰值的 发射强度的演变。(c)所选择的掺杂有各种浓度的Tm³⁺离子的示例合成的 NaYF4:Yb/Tm纳米晶体的粉末XRD图案。根据六方相NaYF₄的标准(粉 末衍射标准联合委员会文件编号28-1192)的XRD图案，索引衍射峰值， 确认所有样品具有六方相。
图6示出了作为(例如)0.5mol％、4mol％以及8mol％Tm³⁺的激发 功率密度的函数的上转换发光强度的权重。所有光谱已经被归一化在802 nm处，顶部光谱：10W/cm²；中间光谱：1.6×10⁴W/cm²；以及底部光谱： 2.5×10⁶W/cm²，相应地针对0.5mol％、4mol％以及8mol％Tm³⁺。要注 意的是，在具有10W/cm²的低辐照度激发时，双光子上转换的过程处于 支配地位，构成67％的发光强度。随着激发功率的增大，三光子和四光子 激发过程变得越来越明显。这些最终在最大激发中处于支配地位，双光子 上转换仅仅构成13％。相反，对于4mol％和8mol％高度掺杂的Tm³⁺纳米 晶体，在大部分激发功率范围之上，光谱由双光子上转换支配。双光子上 转换的贡献在4％Tm内从94％变成47％，并且在位于1.6×10⁴W/cm²与 2.5×10⁶W/cm²之间的8％Tm内从99％变成42％，因此，与0.5mol％Tm³⁺样品相比，高阶过程构成更小的贡献。在所有样品中，双光子上转换首先 非常快速地增大，然后，达到稳定水平，这是荧光饱和的典型特征。0.5 mol％Tm³⁺首先接近饱和度(低于1.6×10⁴W/cm²)，这是因为低Tm³⁺含 量限制了双光子上转换的总衰减率。4mol％和8mol％Tm³⁺样品在高于1.6 ×10⁴W/cm²的更高激发功率下饱和。在这些纳米晶体中，双光子上转换构 成高达1.6×10⁴W/cm²的激发辐照度的90％以上的总发光这一事实证实 了这一点。还显示了作为0.5mol％、4mol％以及8mol％Tm³⁺的激发功率 密度的函数的累积上转换发光强度。
图7表示用于示例蓝光发射和红外发射的最佳材料选择的功率相关 的引导。
图8示出了具有7个主要波长的上转换发射强度对0.2mol％到8 mol％的Tm³⁺掺杂浓度的实例，a)和c)为0.22×10⁶W/cm²的激发辐照 度，b)和d)为2.5×10⁶W/cm²的激发强度。
图9为陈述根据本发明的一个实施方式的用于捕获上转换发光的步 骤的实例方框图展示。
图10示出了包括敏化剂、猝灭剂、中继激活剂以及非激活离子作为 基质材料的一个实例晶体。由于激活剂的中间元稳定能级高于或等于敏化 剂激发态能级，所以敏化光子由于遇到反向能量转移(back energy transfer) 而能够自由地穿过晶体。因此，敏化光子在晶体内迅速地长距离行进，从 而显著增加遇到猝灭剂的概率。
图11示出了包括敏化剂、猝灭剂、陷阱激活剂以及非激活离子作为 基质材料的一个实例晶体。在遇到激活剂时，敏化光子保存(或“陷入”)， 并且接收用来驱动上转换发射的二次光子，由于激活剂的元稳定能级低于 敏化剂激发态能级，使得尽可能减少遇到能量转移。由于这种光子仅仅在 颗粒内行进非常短的距离(即，从敏化剂到激活剂，由会聚箭头示出)， 所以遇到一个猝灭剂的可能性被最小化。
图12示出了包括包含作为基质材料的敏化剂、陷阱激活剂和/或中继 激活剂以及非激活离子的芯的一个实例晶体。可以提供包括猝灭剂的保护 壳。无论是否发生遇到能量转移，敏化光子遇到表面猝灭剂的概率都大幅 降低。
图13示出了说明与用于实现受激发射损耗(A)的传统荧光策略相 比的在上转换纳米晶体(B)内的一个示例新型损耗策略的简化能量示图。
图14示出了在750nm处损耗的标准生物标记Dylight 650、在808nm 处损耗的低浓度(0.5mol％)和高浓度(6mol％)的上转换纳米晶体的 示例损耗特征。对于70nm的横向分辨率，Dylight 650需要10⁸W/cm²的 损耗辐照度。高度掺杂的(6mol％)Tm³⁺纳米晶体通过超过三个的数量级 出奇地降低损耗功率要求。
图15示出了基于使用上转换颗粒/纳米晶体的受激发射损耗(STED) 的一个实例，提供了一种用于在光学显微镜内实现在低功率下超过理论上 的阿贝(Abbe)衍射极限的超分辨率的技术。一个实例808nm环形激光 光束用于通过受激发射路径(“去激发”)“关闭”周围的激发上转换生物 标记，削减主激发(980nm)焦点。在STED显微镜内实现的空间分辨率 强烈地取决于损耗激光光束的强度。比例尺是1μm。
图16示出了防伪油墨的一个实例应用。使用具有0.2mol％Tm上转 换纳米晶体的阻焊油墨，打印“University of Adelaide”和悉尼海港大桥的 图像，并且使用具有4mol％Tm上转换纳米晶体的阻焊油墨，打印 “Macquarie University”和悉尼海港大桥的图像。低功率激发大约为10⁴W/cm²，高功率激发大约为10⁶W/cm²。
图17示出了在宽视野上转换发光显微镜之下的示例功率相关的单块 状晶体测量。图a)和b)分别是在8mol％和2mol％的Tm³⁺掺杂浓度下 制备的块状晶体的TEM图像；c)和d)是在0.1×10⁶W/cm²激发功率密 度下在可见范围(400～700nm)内的发光图像，并且e)和f)分别是在 8mol％Tm³⁺和2mol％Tm³⁺单块状晶体的5×10⁶W/cm²更高激发处采取 的示图。在60毫秒的相同CCD曝光时间产生所有发光图像。g)示出了 由单光子计数雪崩二极管(SPAD)测量的相同单块状晶体的功率相关的 强度(在400～850nm范围内累积(integrated，积分))。
具体实施方式
定义
下面是一些可以帮助理解本发明的描述的定义。这些定义用作一般定 义，并且决不应以任何方式将本发明的范围仅仅限于那些定义，而是提出 这些定义用于更好地理解以下描述。
在整个说明书和以下权利要求中，除非上下文另有要求，否则措辞“包 括”以及变化(例如，“包含”、“包含的”或“含有”)理解为表示包括所 述的整体或步骤或一组整体(integer)或步骤，但是不排除任何其他整体 或步骤或一组整体或步骤。
冠词“一(a)”和“一个(an)”在本文中用于表示一个或多于一个 (即，至少一个)的冠词的语法对象。例如，“一个元件”表示一个元件 或多于一个部件。
在本说明书的上下文中，术语“约”应理解为是指本领域的技术人员 会考虑与在实现相同的功能或结果的上下文所引用的数值等同的一个范 围。
在本说明书的上下文中，术语“稀土”、“稀土金属”、“稀土元素”等 被理解为是指下列元素和它们的离子：镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、 铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪和钇。离子可以处于+3氧化态或其他 氧化态。
在本说明书的上下文中，术语“敏化剂”被理解为是指吸收能量(例 如红外线能量)并非辐射地传送该能量到激活剂的实体。
在本说明书的上下文中，术语“激活剂”(即，发射器)应理解为是 指从敏化剂中接收能量并且因此发射上转换发光的实体。
发明人培养了对有助于在稀土掺杂离子中浓度猝灭的因素的理解，并 且开发了能够尽可能减少或避免浓度猝灭的方法、系统和/或颗粒，使得增 加的激活剂和敏化剂的浓度可被用于优化发光强度/亮度。
浓度猝灭的发生是以下现象的结果。1)由于统计的大多数激活剂离 子保持在一个较低的“黑暗”能级，所以使上转换发光过程失活(inactivate) 的每个激活剂的可用敏化光子缺乏。2)在激发激活剂离子与敏化剂离子 之间发生遇到能量转移，这造成光子在敏化剂离子与激活剂离子之间有效 地行驶，从而快速遇到位于晶体表面上或者晶格内的猝灭剂(即，晶体缺 陷，这通常发生在高光子能量基质材料(例如，玻璃)或高猝灭晶体基质 (例如，立方相晶体)中，因此，六方相氟化物晶体通常是最好的基质材 料)。3)在具有高敏化剂浓度(例如，30mol％以上)时，敏化光子越来 越多地遇到位于晶体表面上或者位于晶格内的猝灭剂。这些现象的贡献引 起在激活剂浓度或者激活剂和敏化剂浓度中通过较低辐照功率，“猝灭” 上转换发光。
发明人发现，尤其在NaYF₄:Yb/Tm纳米晶体内，通过实例，通过使 纳米晶体经受更大的辐照度，在具有更大的激活剂浓度时，上转换发光可 以大幅增强。
发明人惊讶地发现，在与更高的激活剂浓度相结合时，高激发辐照度 可以在上转换发光中减少浓度猝灭。例如，这允许激活剂浓度充分地增大 为在NaYF₄中高于0.5mol％Tm³⁺的已知水平。这产生大幅增强的发光信 号，在一个实例中，高达大约70倍。通过使用这种明亮的纳米晶体，可 以实现单个纳米晶体的远程跟踪，由微结构的光纤浸渍传感器通过说明性 实例证明。这个成就表示敏感度在基准纳米晶体(例如，量子点)之上改 进三个数量级。
不希望受理论的束缚，发明人推断在NaYF₄:Yb/Tm纳米晶体的情况 下，使用980nm二极管激光束的更高辐照度引起相邻的Yb³⁺敏化剂将充 足的激发传输给Tm³⁺激活剂，使得每个Tm³⁺离子接收至少两个连续的980 nm光子。在具有更大的激活剂浓度时，额外的光子依次将从³F₄能级(暗 态)存在的增加的Tm³⁺泵送到³H₄能级或更高能级，包括¹G₄和¹D₂能级 (可见发光状态)。此外，由于Tm³⁺具有低于Yb³⁺的激发态能级的中间元 稳定能级，所以避免从激发的Tm³⁺离子到Yb³⁺敏化剂的遇到能量转移。 因此，由于在敏化剂与激活剂之间的平均最小距离减小，所以激活剂浓度 增大并且敏化剂-激活剂能量转移速率加快，凭借这一点，浓度猝灭倒转， 造成上转换发光大幅增强。
由于克服了浓度猝灭的现象，所以本发明能够使用更大的激活剂和敏 化剂浓度，来优化发光强度/亮度。
如在本文中所述，发明人观察到，与辐照度功率1.6×10⁴W/cm²时的 累积上转换信号相比，在2.5×10⁶W/cm²的辐照度功率时，包括8mol％ Tm³⁺的纳米晶体导致上转换信号增大1105倍。方便地，在10⁴到10⁶W/cm²范围内的激发辐照度功率处于各种显微镜的正常操作范围内。在这方面， 10⁴W/cm²与10μm²横截面面积之上的1mW对应，这在宽视野的显微镜 照明中可实现，而10⁵W/cm²与1μm²横截面面积之上的1mW对应，这 与激光扫描共焦显微镜一致。
在一个实施方式中，提供了一种用于增强包括基质材料、富集浓度的 激活剂以及充足浓度水平的敏化剂的稀土掺杂颗粒的上转换发光的方法， 所述方法包括使颗粒经受更大的辐照度或最低水平的辐照度。所述更大的 或最低水平的辐照度比目前使用的较低辐照度水平更高。增强上转换发光 涉及增强发光强度和/或亮度和/或上转换效率。颗粒优选地经受足以克服 或逆转上转换发光的浓度猝灭的辐照功率密度。所述激活剂优选地具有存 在的中间元稳定能级，该能级接收敏化剂的激发态能级的共振能量。在另 一种形式中，颗粒被配置为或者被设计为从在敏化剂与激活剂之间的上转 换系统中减少、尽可能减少或者排除猝灭剂。例如，可以提供芯壳颗粒或 系统，其中，所述芯包括基质材料、敏化剂以及激活剂，并且所述外壳包 括防止、延迟或者抑制表面淬灭的材料。
在一个实施方式中，所述颗粒经受辐照，即，更大的辐照度或最低水 平的辐照度，其足以克服或逆转上转换发光的浓度猝灭。在另一个实施方 式中，所述颗粒经受足以造成激活剂的上转换能态的布居(population)的 辐照度。
在所述敏化剂是Yb³⁺并且所述激活剂是Tm³⁺的替换的实施方式中， 所述颗粒可以经受足以造成³H₄能级和/或更高能级的布居的辐照度，包括 Tm³⁺的¹G₄和¹D₂能级。
在其他实施方式中，颗粒可以经受至少大约10²W/cm²、或者至少大 约10³W/cm²、或者至少大约10⁴W/cm²、或者至少大约10⁵W/cm²、或者 至少大约10⁶W/cm²、或者至少大约10⁷W/cm²、或者至少大约10⁸W/cm²、 或者至少大约10⁹W/cm²、或者至少大约10¹⁰W/cm²的辐照度(即，更大 的辐照度或最低水平的辐照度)。在一些实施方式中，颗粒可以经受至少 大约1.6×10⁴W/cm²的辐照度、或者经受在大约1.0×10⁴W/cm²与5.0×10⁶W/cm²之间的辐照度、或者受到在大约1.6×10⁴与2.5×10⁶W/cm²之间的辐 照度、或者受到大约2.5×10⁶W/cm²的辐照度。
基于在本文中的信息，本领域的技术人员能够为给定的激活剂浓度选 择合适的辐照度值，以便克服或逆转浓度猝灭。同样，本领域的技术人员 能够为给定的辐照度值选择合适的激活剂浓度，以便克服或逆转浓度猝 灭。
在本文中描述的颗粒包括掺杂有一种或多种敏化剂和一种或多种激 活剂的惰性基质材料，并且可以称为“上转换颗粒”、“上转换纳米颗粒” 或“上转换纳米晶体”。敏化剂和激活剂通常具有离子的形式(例如但未 必是3+氧化态)，并且可以包括不同激活剂的组合和/或不同的敏化剂的组 合。一种或多种敏化剂和一种或多种激活剂中的至少一个是稀土金属，因 此，颗粒在本文中称为“稀土掺杂的颗粒”。通常，一种或多种敏化剂和 一种或多种激活剂都是稀土金属。
在各个方面，激活剂可以至少大约0.5mol％、至少大约1mol％、至 少大约1.5mol％、至少大约2mol％、至少大约2.5mol％、至少大约3mol％、 至少大约3.5mol％、至少大约4mol％、至少大约4.5mol％、至少大约5 mol％、至少大约5.5mol％、至少大约6mol％、至少大约6.5mol％、至少 大约7mol％、至少大约7.5mol％、至少大约8mol％、至少大约10mol％、 至少大约12mol％、至少大约14mol％、至少大约16mol％、至少大约18 mol％或者至少大约20mol％的浓度而存在。
在一些实施方式中，激活剂以在大约1mol％与30mol％之间、或者 在大约1mol％与25mol％之间、或者在大约1mol％与20mol％之间、或 者在大约1mol％与15mol％之间、或者在大约2mol％与30mol％之间、 或者在大约2mol％与25mol％之间、或者在大约2mol％与20mol％之间、 或者在大约2mol％与15mol％之间、或者在大约4mol％与30mol％之间、 或者在大约4mol％与25mol％之间、或者在大约4mol％与20mol％之间、 或者在大约4mol％与15mol％之间、或者在大约4mol％与8mol％之间的 浓度而存在。
在其他各个方面，激活剂可以至少大约2mol％、至少大约2.5mol％、 至少大约3mol％、至少大约3.5mol％、至少大约4mol％、至少大约4.5 mol％、至少大约5mol％、至少大约5.5mol％、至少大约6mol％、至少 大约6.5mol％、至少大约7mol％、至少大约7.5mol％、至少大约8mol％、 至少大约10mol％、至少大约12mol％、至少大约14mol％、至少大约16 mol％、至少大约18mol％、或至少大约20mol％的浓度而存在。在一些实 施方式中，激活剂以在大约2mol％与30mol％之间、或者在大约2mol％ 与20mol％之间、或者在大约2mol％与15mol％之间、或者在大约2mol％ 与8mol％之间、或者在大约4mol％与8mol％之间的浓度存在。
可用于颗粒中的激活剂为本领域的技术人员所熟知，并且包括任何稀 土金属离子及其组合，例如，Er³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺、Dy³⁺、Eu³⁺、Tb³⁺、Sm³⁺以及Pr³⁺。
在其他各个方面，敏化剂可以在大约10mol％与95mol％之间、或在 大约15mol％与90mol％之间、或者在大约20mol％与90mol％之间、或 者在大约25mol％与90mol％之间、或者在大约15mol％与30mol％之间、 或者在大约15mol％与25mol％之间、或者大约20mol％的浓度而存在。
在其他各个方面，敏化剂可以在大约20mol％与95mol％之间、或在 大约20mol％与80mol％之间、或者在大约30mol％与90mol％之间、或 者在大约35mol％与90mol％之间、或者在大约40mol％与90mol％之间、 或者在大约20mol％与40mol％之间、或者在大约50mol％与90mol％之 间、或者在大约60mol％与90mol％之间、或者大约20mol％、或者大约 40mol％、或者大约60mol％、或者大约80mol％的浓度而存在。
合适的敏化剂包括任何稀土金属离子及其组合。在一个实施方式中， 敏化剂是Yb³⁺。在其他实施方式中，敏化剂可以是Gd³⁺、Nd³⁺或Ce³⁺或敏 化剂的组合。例如，Nd³⁺敏化剂可以用作吸收800nm激发的敏化剂，并 且Gd³⁺敏化剂可以是用于吸收紫外线激发的敏化剂。
敏化剂与激活剂的比率可以在大约1:1与40:1之间、或者在大约1:1 与30:1之间、或者在大约1:1与20:1之间、或者在大约1:1与10:1之间、 或者在大约1:1与5:1之间、或者在大约1:1与4:1之间、或者在大约1:1 与3:1之间。
在本发明的实施方式中，颗粒可以是纳米颗粒或纳米晶体。在本发明 的其他实施方式中，颗粒可以是微粒或微晶体。在本发明的其他实施方式 中，颗粒可以是或者可以形成块状材料。
在一些实施方式中，颗粒可以包括更大量或富集量(enriched amount) 的激活剂以及敏化剂。例如，在各个方面，激活剂可以至少大约0.5mol％、 至少大约1mol％、至少大约1.5mol％、至少大约2mol％、至少大约2.5 mol％、至少大约3mol％、至少大约3.5mol％、至少大约4mol％、至少 大约4.5mol％、至少大约5mol％、或至少大约10mol％、或至少大约12 mol％、或至少大约14mol％、或至少大约16mol％、或至少大约18mol％、 或至少大约20mol％、或至少大约22mol％、或至少大约24mol％、或至 少大约26mol％、或至少大约28mol％、或至少大约30mol％、或至少大 约35mol％、或至少大约40mol％、或至少大约45mol％、或至少大约50 mol％的浓度而存在，和/或敏化剂可以至少大约20mol％、或至少大约25 mol％、或至少大约30mol％、或至少大约35mol％、或至少大约40mol％、 或至少大约45mol％、或至少大约50mol％、或至少大约55mol％、或至 少大约60mol％、或至少大约65mol％、或至少大约70mol％、或至少大 约75mol％、或至少大约80mol％、或至少大约85mol％、或至少大约90 mol％的浓度而存在。预期具有上述浓度的任何组合。
在一些实施方式中，激活剂可以在大约1mol％与30mol％之间、或 者在大约1mol％与25mol％之间、或者在大约1mol％与20mol％之间、 或者在大约1mol％与15mol％之间、或者在大约2mol％与30mol％之间、 或者在大约2mol％与25mol％之间、或者在大约2mol％与20mol％之间、 或者在大约2mol％与15mol％之间、或者在大约4mol％与30mol％之间、 或者在大约4mol％与25mol％之间、或者在大约4mol％与20mol％之间、 或者在大约4mol％与15mol％之间、或者在大约4mol％与8mol％之间的 浓度而存在，和/或敏化剂可以在大约10mol％与95mol％之间、或在大约 15mol％与90mol％之间、或者在大约20mol％与90mol％之间、或者在 大约25mol％与90mol％之间、或者在大约15mol％与30mol％之间、或 者在大约15mol％与25mol％之间、或者大约20mol％的浓度而存在。预 计具有上述浓度的任何组合。
在其他各个方面，激活剂可以至少大约2mol％、或至少大约6mol％、 或至少大约10mol％、或至少大约15mol％、或至少大约20mol％、或至 少大约25mol％、或至少大约30mol％、或至少大约35mol％、或至少大 约40mol％、或至少大约45mol％、或至少大约50mol％、或至少大约55 mol％的浓度而存在，和/或敏化剂可以至少大约20mol％、或至少大约25 mol％、或至少大约30mol％、或至少大约35mol％、或至少大约40mol％、 或至少大约45mol％、或至少大约50mol％、或至少大约55mol％、或至 少大约60mol％、或至少大约65mol％、或至少大约70mol％、或至少大 约75mol％、或至少大约80mol％、或至少大约85mol％、或至少大约90 mol％的浓度而存在。预计具有上述浓度的任何组合。
在其他实施方式中，激活剂以在大约2mol％与30mol％之间、或者 在大约2mol％与15mol％之间、或者在大约2mol％与8mol％之间、或者 在大约4mol％与8mol％之间的浓度而存在，和/或敏化剂以在大约20 mol％与95mol％之间、或在大约20mol％与80mol％之间、或者在大约 30mol％与90mol％之间、或者在大约35mol％与90mol％之间、或者在 大约40mol％与90mol％之间、或者在大约20mol％与40mol％之间、或 者在大约50mol％与90mol％之间、或者在大约60mol％与90mol％之间、 或者大约20mol％、或者大约40mol％、或者大约60mol％、或者大约80 mol％的浓度而存在。预计具有上述浓度的任何组合。
合适的基质材料为本领域的技术人员所熟悉，并且包括具有低光子能 级和最小内部猝灭剂的任何材料。例如，基质材料优选地具有低于大约750 cm^-1、或低于大约500cm^-1、或低于大约400cm^-1、或低于大约370cm^-1的声子能级。
合适的基质材料包括但不限于碱氟化物，例如，NaGdF₄、NaYF₄、 LiYF₄、NaLuF₄和LiLuF₄、KMnF₃，以及氧化物，例如，Y₂O₃。还预计具 有这些材料的混合物。在一个实施方式中，基质材料是NaYF₄。在颗粒是 晶体的情况下，NaYF₄可以是六方相或任何其他晶相。
一旦由敏化剂敏化，光子主要传输给激活剂或相邻的敏化剂。因此， 光子传输给激活剂，造成上转换和合成的发光发射，或者遇到猝灭剂。在 一些实例中，由于较大的面容比，猝灭剂主要布居在晶体表面上，而且以 取决于声子能级的晶体缺陷的形式存在于内部。在敏化剂浓度超过(例如) 0mol％的情况下，敏化光子遇到猝灭剂的机会大幅增大，从而促进浓度 猝灭。通过反向能量转移，发生对浓度猝灭的进一步贡献，这在激活剂具 有高于或等于敏化剂激发态能级的激发元稳定状态时能够发生(见图10)。 因此，通过防止反向能量转移或者减少光子接近(access)猝灭剂来减少 敏化光子的激活的方法有助于浓度猝灭的最小化，从而允许使用高浓度敏 化剂和激活剂，以便通过更高的辐照度功率，实现最佳发光强度/亮度。实 施方式包括被设计或配置为尽可能减少猝灭剂(包括表面猝灭剂和内部猝 灭剂，例如来自晶体缺陷)的颗粒。
因此，在一个实施方式中，选择激活剂和敏化剂的组合，使得激活剂 的元稳定能级低于敏化剂的激发态能级，以便尽可能减少或者防止发生从 激活剂到敏化剂的反向能量转移。在敏化光子不能经受到敏化剂的反向能 量转移的意义上，这种激活剂可以称为“陷阱激活剂”，并且实际上由激 活剂“捕获”。由于这种光子仅仅在颗粒内的有限空间内行驶(及，从敏 化剂到激活剂)，所以遇到猝灭剂的机被尽可能减小(见图11)。激活剂/ 敏化剂组合的实例包括Tm³⁺/Yb³⁺和Ho³⁺/Yb³⁺，其中，激活剂的元稳定能 级低于敏化剂激发态能级。在Tm³⁺/Yb³⁺组合的情况下，Tm³⁺的³F₄能级位 于Yb³⁺的激发态能级之下(见图2a)。
在其他实施方式中，通过外壳使敏化剂、激活剂以及基质材料免受表 面猝灭剂，使得颗粒是芯壳颗粒，其中，芯包括激活剂、敏化剂以及基质 材料，并且外壳包括防止、延迟或者抑制表面猝灭的材料或者由其构成。 外壳可以部分或者完全包封芯。优选地，外壳包括与基质材料相同的材料 或者由其构成，但是没有稀土金属掺杂剂。在晶体的情况下，这避免了相 位匹配的需要。
保护壳的存在允许在颗粒内使用“中继激活剂”，即，具有等于、低 于敏化剂激发态能级或者与该状态能级相同的激活剂的元稳定能级的那 些激活剂。这种类型的芯壳颗粒的实例是具有包括NaYF₄Yb:Er的芯和 NaYF₄外壳的颗粒。
在激活剂的元稳定能级低于敏化剂激发态能级的情况下，还可以使用 保护壳。在图12中描述了这种类型的芯壳颗粒的一个实例。这种类型的 芯壳颗粒的进一步实例是具有包括NaYF₄Yb:Tm的芯和NaYF₄外壳的颗 粒。
在本发明的实施方式中，可以根据特定的应用，例如，期望的发射的 类型，选择颗粒的激活剂浓度和辐照度(见图7)。参照图7，在蓝光发射 是优先级时，在大激发范围内，优选2mol％Tm³⁺纳米晶体，然而，在辐 照度达到10⁵W/cm²时，6mol％Tm³⁺纳米晶体适合于生成红外发射，即在 1μm²横截面面积内，通常是1mW，例如，用于激光共焦显微镜内。
可以通过改变激活剂和敏化剂的浓度，调制颗粒的发光衰减寿命。因 此，在本文中描述的方法、系统以及颗粒可以应用于时域多路复用编码和 解码中。
图8示出了具有7个波长的上转换发射强度对辐照度值为0.22×10⁶W/cm²以及2.5×10⁶W/cm²时的从0.2mol％到8mol％的Tm³⁺掺杂浓度。 这个数据能够基于辐照度和期望的上转换发射光谱方便地选择最合适的 纳米晶体。例如，在需要红外发射并且使用高辐照度的情况下，优选8mol％ Tm³⁺掺杂浓度。
在本文中描述的用于优化上转换发光的方法能够在先进的成像和感 测应用中大幅扩展颗粒的检测极限，例如，光纤浸渍传感器。由于来自光 纤本身的具有竞争性的自发荧光背景，在这种光纤内的荧光量子点的检测 极限在大约10pM的范围内，并且Er³⁺上转换纳米晶体在大约660fM的 范围内。发明人发现，通过使用4mol％Tm³⁺上转换纳米晶体，能够通过 更大的激活剂浓度，增强上转换信号，并且如图4a中所示，通过监控Tm³⁺的几个不同发射峰值，能够避免光纤自发荧光问题。如在实例4中所示， 发明人能够在20nL悬浮液内通过39fM的浓度检测纳米晶体。这个优异 的检测极限使纳米晶体尤其适合于用作痕量分析的标记试剂，尤其在微结 构的光纤传感器中。
在另一个实施方式中，提供了一种用于捕获上转换发光的系统，包括： 悬浮芯光纤，其包括颗粒，所述颗粒包括基质材料、敏化剂以及激活剂； 激光束，用于激发颗粒以产生上转换发光；以及光谱仪，用于捕获发光。 激光束可以使颗粒经受根据第一方面限定的一个或多个辐照度值。可以根 据第一、第二或第三方面，限定颗粒。
在图1b中显示了根据一个实施方式的系统。在这个实施方式中，包 括纳米晶体的溶液进入悬浮芯微结构光纤的一端，并且通过毛细管作用， 沿着光纤的部分或整个长度穿过悬浮芯行进。然后，从溶液中取光纤的端 部出，并且通过光纤的与溶液进入的端部相反的端部，将980nm CW二 极管激光束传输给悬浮芯。传输激光，与位于悬浮芯内的纳米晶体产生了 强相互作用。入射的红外光沿着光纤的长度传播，而所产生的发光信号在 光纤芯内耦合，并且沿与入射的红外光相反的方向，传播到由光谱仪进行 捕获的位置。
图9提供了陈述根据第四方面的一个实施方式的用于捕获上转换发 光的步骤的方框图。
实施例
现在，关于以下实施例仅仅通过说明的方式，更详细地描述本发明。 这些实施例旨在用于说明本发明，而决不应理解为在本说明书中限制该描 述的公开的普遍性。
实施例1-Yb/Tm掺杂的NaYF₄纳米晶体的合成和表征
合成具有在范围0.2-8mol％内的Tm³⁺浓度并且共同掺杂有20mol％ Yb³⁺的六方相NaYF₄纳米晶体(见图1b)。使用以下试剂：从Sigma-Aldrich 公司购买的YCl₃·6H₂O(99.99％)、YbCl₃·6H₂O(99.998％)、TmCl₃·6H₂O (99.99％)、ErCl₃·6H₂O(99.9％)、NaOH(98％)、NH₄F(99.99％)、油酸(OA、 90％)、1-十八烯(ODE、90％)。除非另有说明，否则所有化学物照到货 状态使用，而无需进一步净化。
使用前面描述的有机金属方法，合成上转换NaYF₄:Yb,Tm纳米晶体 (见Liu,Y.S.等人的A Strategy to Achieve Efficient Dual-Mode  Luminescence of Eu³⁺in Lanthanides Doped Multifunctional NaGdF₄Nanocrystals.Adv Mater 22,3266(2010)；以及Wang,F.等人的Simultaneous  phase and size control of upconversion nanocrystals through lanthanide doping. Nature 463,1061-1065,(2010))。简单地说，将5ml的LnCl₃的甲醇溶液(1.0 mmol,Ln＝Y,Yb,Tm/Er)在三颈圆底烧瓶中与6ml OA和15ml ODE磁 性混合。将所得混合物在150℃在氩气流下加热30分钟以形成透明(clear) 淡黄色溶液。在冷却至50℃之后，添加包含0.16g NH₄F和0.10g NaOH 的10mL的甲醇溶液，剧烈搅拌30分钟。然后，缓慢地加热浆体，并且 在110℃下保持30分钟，以去除甲醇和残留水。接下来，使用氩气气氛 下保护反应混合物，降该混合物快速地加热至305℃并且保持1.5个小时。 在无大小选择性的分馏的情况下，通过增加乙醇和离心分离来将产物分 离。有时在使用环己烷/乙醇清洗之后，最终的NaYF₄:Yb,Tm纳米晶体重 新分散在浓度为5mg/ml的环己烷内。
为了表征，使用Cu Kα1辐射(40kV、40mA、λ＝0.15418nm)，在 PANalytical X'Pert Pro MPD X射线衍射仪上，获得粉末X射线衍射(XRD) 图案。使用Philips CM10TEM和Olympus Sis Megaview G2数码相机，进 行透射式电子显微镜(TEM)测量。通过将一滴纳米晶体的稀悬浮液放在 涂有聚醋酸甲基乙烯脂的铜网格(300网格)上，制备TEM分析用的样 品。在图5a中显示了XRD图案。
实施例2-Yb/Tm掺杂的NaYF₄纳米晶体的激发
将单模980nm二极管激光束发射到悬浮芯光纤内(见图1a)，该光 纤在光纤的芯内引导和集中激发，以便可以实现在1.6×10⁴至2.5×10⁶W/cm²范围内的可变高辐照度激发，以激发在光纤芯附近的悬浮的纳米晶 体。根据观察，在辐照度为2.5×10⁶W/cm²时，8mol％Tm³⁺纳米晶体远 超过其他掺杂浓度的性能，与0.5％Tm³⁺纳米晶体相比，红外和蓝光发射 带明显更强(大于70倍的更强的802nm发射；在图1c中显示)。与具有 低辐照度1.6×10⁴W/cm²的累积上转换信号相比，浓度猝灭的启用功率的 反转产生更大的累积上转换信号，对于0.5％、4％以及8％的Tm³⁺，分 别是5.6、71以及1105倍。在具有低辐照度10W/cm²时，在本文中的结 果表明，如前面所报告的并且如浓度猝灭所解释的，作为Tm³⁺浓度的函 数的上转换强度增大，然后减小(见图5)。
实施例3-具有变化的Tm³⁺浓度的上转换纳米晶体的功率相关的发光 光谱
为了在实施例2中量化以上分析，从Tm³⁺浓度范围从0.2mol％到8 mol％的上转换纳米晶体的6个样品中，收集功率相关(1.6×10⁴直到2.5× 10⁶W/cm²)的发光光谱的矩阵。参照在图2a中的简化激发态能级，发射 光谱可以分成三个布居：“双光子激发能级”(在802nm时发射的³H₄能 级)、“三光子激发能级”(在650nm和480nm时发射的¹G₄能级)、以及 “四光子激发能级”(在455nm、514nm、744nm以及782nm时发射的 ¹D₂能级)。通过在图2b中所示的代表性实例，在每个波长从高斯曲线拟 合中提取的光谱覆盖的区域提供了定量数据，表示敏化980nm光子促进单 独上转换发射波长的重要程度。显然，两个额外的敏化980-nm光子在平 衡系统中转换了在802nm、650nm、744nm以及782nm处的发射，并且 480nm、455nm以及514nm发射需要三个敏化980-nm光子，来保持连 续的发射，假设在¹D₂、¹G₄以及³H₄能级上的所有上转换的光子最终发射 上转换发光(可以忽略通过其他非辐射的路径的消耗)。随后，比率度量 分析显示了敏化的980nm光子如何能够在所选择的纳米晶体内布居不同 的辐照度能级的各种Tm³⁺激发态(见图2c)。在低Tm³⁺掺杂浓度(0.5 mol％)时，在具有较低的辐照度(～10⁴W/cm²)时，容易布居三光子激 发能级¹G₄和四光子激发能级¹D₂，然后，更大的激发辐照度(>2×10⁴W/cm²)开始提供充足的激发Yb³⁺敏化剂，以泵送更多的三光子(¹G₄能 级)和四光子(¹D₂能级)发射，以便在辐照度强度为～10⁶W/cm²时，三 光子或四光子发射强度与双光子(³H₄能级、802nm)发射强度的各个比 率达到～2.8和～4.5的稳定水平。这些比率的不平坦的稳定水平(¹G₄:³H₄和¹D₂:³H₄)可以是一种迹象：更高的Tm³⁺浓度(1mol％到4mol％)确保 更多的敏化Yb³⁺离子传输其激发来促进802nm发射。对于8mol％Tm³⁺纳米晶体，在从10⁴到10⁶W/cm²的激发范围内，由于更小的比率¹G₄:³H₄和¹D₂:³H₄，所以具有主要产生802nm发射的明显倾向。在0.2mol％Tm³⁺纳米晶体的情况下，大于10⁴W/cm²的激发辐照度产生过多的敏化980nm 光子，造成自¹I₆激发态的更大5光子激发能级发射。所选的作为激发的 函数的0.5mol％、4mol％以及8mol％Tm³⁺的光谱的演变显示了多个发射 峰值的重量(见图6)。通过增大三光子和四光子发射与增大激发辐照度的， 为了从高Tm³⁺掺杂的纳米晶体(例如，8mol％)中获得有效的上转换发 射，显然需要具有充足的激发功率。
为了进一步探索有助于上转换增强的因素，图3a示出了通过¹D₂、¹G₄以及³H₄能级的发射而进行测量的不同纳米晶体的功率相关的上转换效率 曲线，这表示Tm³⁺离子的数量的增大可以显著放大更高的辐照度激发时 的上转换信号电平。图3b示出了在不同的纳米晶体内由Tm³⁺数量平均化 的功率效率曲线。从1mol％到2mol％的每个Tm³⁺离子的显著增强表明， 由于¹D₂、¹G₄以及³H₄能级的上转换的光子处于发射的主要地位，如上面 在图2c中所述，所以从Yb³⁺敏化剂到Tm³⁺激活剂的能量转移效率大幅增 强。这表示减小的敏化剂到激活剂距离增大了能量转移效率，从而有助于 增强每个纳米晶体的总体上转换效率。
实施例4-纳米晶体的检测极限
为了建立Tm³⁺上转换纳米晶体的电势，作为用于痕量分子检测的荧 光探针，如上所述，将通过各种稀释的环己烷内的NaYF₄:Yb/Tm(20/4 mol％)纳米晶体导入微结构光纤内。在具有5ng/m水平时，显然可以检 测m³⁺发射，与在20nL悬浮液内的39fM纳米晶体对应(等同于沿着大 约12cm长的光纤传感器分布的大约635个纳米晶体)，如图4a中所示。
为了进一步调查检测极限，8mol％Tm³⁺纳米晶体稀释成3.9fM。有 趣的是，对于802nm发射时的～250计数(220净计数)以及～470计数 (440净计数)来说，观察到～30计数(作为背景噪声)的数字化信号， 如图4b至图4d中所示。在10个测试之中的4个测试提供～250正计数， 并且6个测试提供～30计数，如图4b中所示。在玻璃：空气界面上的光 的峰值强度在距离为0.125μm时下降为1/e，使得光学有效面积(在一个 孔内从玻璃芯表面直到消逝场的1/e)可以计算为0.143μm²。因此，有效 部分与整个孔(一个孔：51.87μm²)的体积比是～0.0027。在纳米晶体浓 度是3.9fM时，12cm长的光纤应仅仅包含～47纳米晶体，在光学有效区 域内平均具有0.1269纳米晶体。本设置用于通过毛细管作用监控样品吸入 过程，并且在图3d中显示了实时结果。在图4d中观察～470计数的特定 信号，与在消逝场内的双峰事件(两个纳米晶体)对应。这进一步确认了， 使用纳米线悬浮芯光纤实现了单个纳米晶体敏感度。因此，在高辐照度激 发实现的个别纳米晶体发射的极端亮度能够使具有无与伦比的敏感度的 微结构光纤作为感测平台，这适合于在痕迹量级进行分子分析。
实施例5-搭载上转换纳米晶体的低功率高对比度STED纳米显微镜
共焦显微镜虽然广泛地用于细胞生物学实验室，但是仅仅提供接近 ～200nm理论阿贝衍射极限的光学分辨率，大于DNA、RNA、蛋白质以及 细胞骨架(5–50nm)。在过去十年中，克服了光的衍射极限的超分辨率显 微镜一直是几个重大发展的主题。受激发射损耗(STED)可以用作在荧 光显微镜内实现超分辨率的一种方法。在一个实例中，STED通过“切断” 通过受激发射路径(“去激发”)的一个或多个周围的激发荧光团，使用强 的环形激光束来削减主激发焦点。在STED显微镜内实现的空间分辨率强 烈地取决于损耗激光束的强度：对于标准的生物标记(例如，Alexa Fluor 和Atto染料)，报告了在400MW/cm²的损耗激光强度时有62nm的横向 分辨率，而在3.7GW/cm²的损耗激光强度时报告为8nm的分辨率。然而， 这种大激光强度通常造成生物标记的光漂白，并且对生物样品的脆弱亚细 胞结构造成光热损害。其他相关的问题(例如，激光器复杂度、稳定性以 及成本)在细胞生物学中也成为STED的高级应用的主要障碍。因此，在 生物医学研究中扩展STED显微镜的能力所需要的重要进步是一种在低激 光泵浦强度下实现高受激发射损耗因素(关断)的新方式。
非常高的损耗泵浦强度的基本问题源于STED中使用的生物标记的 短(纳秒)寿命。损耗强度与目标荧光团的荧光寿命成反比，因此，在损 耗泵浦光束内需要10⁸～10⁹W/cm²的强度。这需要在很短的时间窗内合成 脉冲激光或者几百毫瓦的CW同步自由激光；这两种方法都具有挑战性， 并且在“软材料”的情况下，不切实际。与理论一致，根据先前的建议， 这种问题的解决方案是使用更长寿命的目标荧光团，来相称地减少损耗强 度要求。然而，由于缺乏具有必要的长寿命的、足够明亮的并且具有充足 的损耗横截面的实际荧光或发光材料或颗粒，所以排除了实现这个简单的 想法。
这提供了前面所讨论的上转换颗粒/材料的另一应用实例。发明人使 用基于镧系元素的发光纳米材料，该材料明亮，具有长激发态寿命并且具 有大损耗横截面，适合于低功率受激发射损耗。发明人发现，仅仅通过大 幅增大在上转换纳米晶体内的激活剂的掺杂浓度，可以获得亮度和大损耗 横截面的关键因素。仅仅在发明人出奇地认识到最佳浓度与功率相关之 后，可获得这个条件，如上所述。在激光扫描共焦显微镜之下的充足激发 功率(即，辐照度)用于克服所谓的浓度猝灭(例如，0.5mol％Tm³⁺)的 基本障碍，允许成千上万的光稳定的发射中心(例如，高达8mol％Tm³⁺) 密集地装入单点内。
而且，在这些晶体内的阶梯状设置的能级为逐步的上转换过程提供多 个中间激发态，以便通过间接损耗更低的中间状态，能够有效地“关闭” 更高能级的发射。与使用荧光生物标记的当前STED技术相比，这个技术 的优点包括打开与关闭比率(on-to-off ratio)的高对比度以及高损耗效率。
上转换方法能够分离损耗波长和激发波长。去激发波长与吸收波长明 显分离较为重要，另外，在激发光谱和发射光谱重叠时，损耗的分子可以 由强损耗光束重新激发。对于用于STED内的大部分荧光染料，发生这种 重叠，以便由损耗光束引起的重新激发成为大部分染料(包括量子点)的 一个主要限制，其中，损耗被选为在STED内的发射带的红移尾部。
为了测试损耗效率，单模976nm激光在共焦显微镜设置(x–y–z载 物台扫描)内用作主要激发源，并且808nm单模激光耦合至主光束。应 用精度纳米光子工程，以确保这两个共焦光束精确地重叠通过高性能物 镜。这个设置允许测试Tm³⁺掺杂的上转换纳米晶体的损耗效率。虽然难 以关闭具有传统的掺杂浓度0.5mol％的上转换纳米晶体(甚至不如在我们 先前的CW STED系统中在783nm处损耗的表现最好的染料Dylight 650 有效)，但是6mol％Tm³⁺的高掺杂浓度出奇地易于损耗。实际上，上转换 纳米晶体完全损耗在亚毫瓦级，比0.5％晶体低三个数量级功率(见图14)。
为了评估基于搭载上转换颗粒的高对比度STED纳米显微镜的光学 分辨率，相位板被用来生成包围激发PSF的808nm“环形圈”PSF，以形 成STED纳米显微镜架构。与传统的共焦分辨率成像结果(参照图15A) 相比，针对用于单纳米晶体STED成像来评估新一代发光上转换颗粒和中 间光泵方案的功效(参照图15B)。在仅仅具有<5MW/cm²的损耗强度时， STED的分辨率从大约427nm大幅提高到大约88nm。
上转换颗粒通过这种方式的应用提供了发光生物标记，这些生物标记 以数个长寿命的中间激发态并且产生清晰明亮的发光发射为特征。因此， 这个实例应用解决了基于当前STED的超分辨率显微镜的主要限制，即， 损耗荧光染料所需要的高激光功率，且因此实现了亚100nm分辨率，还造 成光漂白和样品损害，从而限制技术的效用。使用上转换颗粒，可以为在 超分辨率显微镜内的实际改进提供重要的机会。
实施例6-防伪油墨
激发相关的上转换颗粒还能够为防伪油墨使用一种新方法，这是因为 与低水平掺杂的Tm³⁺纳米晶体相比，高度掺杂的(通常>4mol％)Tm³⁺纳米晶体保持黑暗，除非使用高红外激发辐照度。此外，纳米晶体悬浮液 可以分散在传统的喷墨式打印机油墨内，以在纸张和塑料上打印高度防伪 图像，例如，商标或标识。
图16示出了防伪油墨的一个实例应用。使用具有0.2mol％Tm上转 换纳米晶体的阻焊油墨，打印“University of Adelaide”和悉尼海港大桥的 图像，并且使用具有4mol％Tm上转换纳米晶体的阻焊油墨，打印 “Macquarie University”和悉尼海港大桥的图像。低功率激发大约为10⁴W/cm²，高功率激发大约为10⁶W/cm²。
该演示展示了使用功率相关的Tm³⁺浓度的防伪油墨的一个应用。在 另一个实例中，低浓度(例如，0.2mol％Tm³⁺)纳米晶体可以用于着色在 低功率照明(大约10⁴W/cm²)和高功率照明(大约10⁶W/cm²或更大) 之下可见的掩模图案。高浓度(例如，4mol％Tm³⁺)纳米晶体可以用于 着色隐藏的图案(例如，在图16中的麦考瑞大学标识或烟火)，该隐藏的 图案可以比掩模图案明亮10倍以上。根据动态范围，必要时，掩模图案 可以设为几乎无法察觉。纳米晶体溶液的‘防伪油墨’可以各种浓度用在 喷墨打印机中，例如，0.5mol％Tm³⁺纳米晶体用作掩模，以从8mol％Tm³⁺纳米晶体使信号图像混淆。通过大于大约1×10⁶W/cm²的激光扫描共焦设 置，隐藏图案或图像从打印的8mol％Tm³⁺纳米晶体变得可见并且具有支 配地位。
实施例7-块状材料
通过高激活剂掺杂质，但是仅仅在提供充足的辐照度时，可以实现有 效的上转换发射。充足的激发辐照度可以开启另外黑暗的激活剂，从而增 强上转换亮度。这个效应独立于颗粒或晶体大小(例如，对于‘块状材料’， 从几千到几百纳米)、表面条件以及合成条件。
在图17中显示了在块状晶体内的这个效应，图17示出了在宽视野上 转换发光显微镜之下的示例功率相关的单块状晶体测量。图a)和b)分 别是在8mol％和2mol％的Tm³⁺掺杂浓度下制备的块状晶体的TEM图像； c)和d)是在0.1×10⁶W/cm²激发功率密度下在可见范围(400～700nm) 内的发光图像，并且e)和f)分别是在8mol％Tm³⁺和2mol％Tm³⁺单块 状晶体的5×10⁶W/cm²更高激发处获取的示图。在60毫秒的相同CCD 曝光时间，产生所有发光图像。g)示出了由单光子计数雪崩二极管(SPAD) 测量的相同单块状晶体的功率相关的强度(在400～850nm范围内累积)。
能够具有使用上转换颗粒的各种其他应用，例如，在(例如)生物材 料、流式细胞术、太阳能电池或显示器应用的检测、感测、成像中。例如， 感测应用可以是光纤感测方法，例如，光纤浸渍感测方法。显示器应用可 以包括电视和显示器。
优异的纳米晶体亮度为广泛的领域提供绝对优势，包括免疫荧光成 像、罕见细胞检测和定量、文档安全性和防伪印刷。超亮的上转换纳米晶 体可以用于提供高对比度生物标记。作为进一步的说明性实例，兰伯氏贾 第鞭毛虫细胞可以通过偶联到合适的单克隆抗体(G203)的纳米晶体标记。 标记的兰伯氏贾第鞭毛虫细胞可以通过标准的电荷耦合装置(CCD)摄像 头由扫描系统仅仅在大约0.1s曝光时间成像。在980nm激发中没有自发 荧光背景，能够量化每个单一微生物的绝对信号强度以及量化表面抗原的 水平。在3分钟内检测在载玻片上的单标记细胞，而没有背景干扰。这显 示了这些生物探头能够进行稀有事件检测。
本领域的技术人员会理解的是，在本文中描述的本发明易受除了具体 描述的那些变化和修改以外的变化和修改的影响。要理解的是，本发明包 括所有这种变化和修改。
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