硅耦合上转换纳米复合材料中的紫外辐射发射淬灭现象

硅纳米颗粒（SiNPs）与铽离子掺杂的NaYF4上转换纳米粒子（UCNPs）通过两种方法形成复合材料：热共沉淀法和固态合成法。SiNPs的高紫外-蓝光吸收显著抑制了UCNPs在344、360、449和473 nm处的发光，同时TEM显示热共沉淀法获得更均匀的分布。该复合材料可减少光动力治疗中的紫外线损伤，具有潜在药物递送应用。

　　

Vaidas Klimkevi?ius | Katharina Freiberg | Egl? E?erskyt? | Vladimir Sivakov

维尔纽斯大学化学研究所，Naugarduko街24号，03225维尔纽斯，立陶宛

摘要

本研究报道了硅纳米颗粒（SiNPs）对NaYF₄:Yb³⁺,Tm³⁺上转换纳米颗粒（UCNPs）的紫外（UV）发射的显著抑制作用。SiNP-UCNP纳米复合材料通过两种方法制备：(i) 从下到上的热共沉淀法，其中SiNPs作为UCNPs的生长种子；(ii) 固态合成法。这两种方法均实现了SiNPs与UCNPs之间的有效相互作用，这从发射行为的显著变化中得到了证明。特别是，在344 nm、360 nm、449 nm和473 nm处的UCNP发射带由于SiNPs对紫外光和蓝光的强吸收而显著减弱。透射电子显微镜观察显示了纳米颗粒的结构演变，结果表明与固态合成法相比，从下到上的方法使得UCNPs在SiNPs周围的分布更加均匀。这些结果表明，纳米复合材料可能成为一种用于光动力治疗的潜在药物递送系统，从而减少紫外线辐射引起的光损伤。

部分摘录

引言

如今，纳米医学是研究领域中最活跃的领域之一。通过纳米技术实现的创新诊断和治疗方法将现代医学提升到了一个新的水平。装载在纳米容器中的药物可以准确地输送到所需位置和时刻，因此治疗效果仅限于疾病发生区域，同时减少了对健康细胞和组织的副作用[1]。目前，全球许多顶尖实验室都在从事相关研究。

硅纳米颗粒的合成

通过使用氢氟酸（HF）/乙醇（1:1体积比）和电流密度60 mA/cm²对掺硼的p型（100）取向单晶硅（Si-Mat，德国）晶片进行阳极氧化处理1小时，制备出了一种自立的多孔硅膜[17]。随后通过施加600 mA/cm²的电流密度脉冲3秒，将多孔膜从晶片上分离出来。在室温下干燥过夜后，对多孔膜进行了机械处理。

结果与讨论

图1a提供了UCNP合成的示意图。NaYF₄纳米颗粒掺杂了24%的Yb³⁺和1%的Tm³⁺，这种掺杂比例是实现高效上转换发射的常用比例。Yb³⁺离子在980 nm处具有较大的吸收截面，能够有效地将能量传递给Tm³⁺激活离子。约20–30%的Yb³⁺浓度既能保证高效的敏化效果，又避免了浓度猝灭现象。Tm³⁺的含量保持在1%以维持其激活效果。

结论

本研究首次成功地将两种无机体系——多孔硅和上转换纳米颗粒——整合到SiNP&UCNP复合体系中。这两种体系可被至少两种不同的光源（紫外-可见光和/或近红外激光）有效激发。在Yb³⁺和Tm³⁺掺杂的NaYF₄基质中，上转换过程产生的有害高能辐射能够被纳米级的硅有效过滤，从而显著降低了光损伤。

作者贡献声明

Vaidas Klimkevi?ius：撰写——审稿与编辑、原始草稿撰写、数据可视化、项目监督、资源提供、方法论设计、概念构思。Katharina Freiberg：撰写——审稿与编辑、软件使用、实验研究。Egl? E?erskyt?：撰写——审稿与编辑、数据可视化、软件使用、实验研究。Vladimir Sivakov：撰写——审稿与编辑、原始草稿撰写、结果验证、项目监督、资源提供、方法论设计、实验研究、资金筹措、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

V. S.和V. K.感谢德国研究基金会（DFG）在项目编号513624761（SI1893/33-1）下的财政支持。特别感谢Rokas Vargalis先生进行SEM测量，以及Arturas Katelnikovas教授在发光解释方面提供的宝贵意见。