一文浅谈放射发光、光致发光、稀土纳米粒子的研究

背景

John A. Capobianco 教授的镧系元素研究小组专注于基于镧系元素的材料的研究。Capobianco 教授最初是在块状晶体和玻璃中研究这些材料，他是率先合成和开发含有这些元素的纳米颗粒的研究人员之一。该实验室目前正在开发稀土纳米粒子，特别关注在医学和生物学中的应用。

镧系元素颗粒具有独特的光学和发光特性，可以通过化学方式定制以分散在非极性溶剂以及生物系统中。镧系元素可以通过较长波长的上转换产生发光，并且可以表现出从紫外线到红外线的宽发射光谱。在医学中，这些上转换过程与光激活应用相关，例如用于癌症治疗的光动力疗法。

博士生 Gabi Mandl 与我们分享了她在实验室研究的见解，重点是生产掺镨的放射发光纳米颗粒。当暴露于 X 射线等电离辐射时，放射发光颗粒会发出紫外线到可见光波长范围的光，这使得它们成为放射治疗的可行候选者。

光谱学对于表征镧系纳米粒子的发射特性和动力学起着重要作用。不同的合成工艺会产生不同的化学性质，需要针对特定应用进行优化和定制。具体来说，光谱学探测镧系元素离子中的占据电子态以及它们如何填充、它们发光的速度、能量如何转移到其他离子以及与材料缺陷的相互作用如何影响它们的特性。

图 1：稀土纳米粒子的能级和发射光谱。光谱显示了调节至不同发射波长的纳米粒子的不同发射峰。

挑战

该实验室运行多个激光系统和高性能单色仪来执行高灵敏度光谱分析。基于 CCD 的光谱仪可以更快、更有效地获取数据，但不应牺牲灵敏度和光谱分辨率。同时，光谱解决方案应能够快速适应实验室中进行的各种研究项目的不同要求，并且集成 CCD 和光谱仪的系统被认为易于使用。放射发光通常比其他形式的发光弱得多，需要高检测灵敏度。发射动态的测量还需要能够在高光谱速率下运行以及与外部设备精确同步光谱采集。微型，“令我震惊的是，如此强大的设备竟然比一张纸还小。”

解决方案

Gabi 的辐射发光测量装置使用 FERGIE 摄谱仪(现在称为 Isoplane-81)，该摄谱仪接收来自光纤电缆的光，该光纤电缆收集辐射安全室中样品的光。Isoplane-81 将光谱仪与高灵敏度、背照式 CCD 集成在紧凑的外壳中，并且相机传感器的深度冷却可避免热噪声并提高灵敏度。该系统为测量从 210 nm 发射到可见能量范围的纳米粒子的放射发光提供了极高的灵敏度。

Isoplane-81 系统的像差校正光学设计还意味着，尽管光谱仪的外形尺寸很小，但可以在不影响 Gabi 实验所需的光谱分辨率的情况下测量稀土纳米粒子光谱。此外，该系统还可供实验室的其他研究人员使用，适应不同的光纤和自由空间光学设置，并且在分辨率要求发生变化时能够快速更改入口狭缝和光栅。

Gabi 使用 LightField 数据采集软件来控制光谱仪，并允许使用实验所需的设置自定义用户界面，以便更有效地进行实验。为了检查光谱线是否存在或比较不同波段之间的强度比，LightField 能够通过叠加光谱或快速导出到所选文件格式进行快速数据可视化，以进行更深入的分析。

Gabi 提到，该设备的设置非常简单，而且万无一失，同时提供了她测量所需的高质量。

审核编辑 黄宇