Angew. Chem.：激光器调节让上转换荧光调控更便捷

荧光寿命不仅可以反映发光动力学过程，也可以作为独特的光学特征维度用于荧光编码、光学防伪、生物成像及分子/病毒检测等，因此对其调控方法及潜在机理的研究具有重要意义。目前已有的研究多通过控制掺杂浓度、颗粒尺寸、特殊核壳结构等化学方法进行稀土离子上转换荧光寿命调控，即内参法。然而，对于控制激发光（脉冲宽度、功率）来实现颗粒内部能量状态及荧光寿命的变化还没有研究，也因此，对激发与衰减动力学关系及其对瞬态发光影响的研究还是空白。近日，南京工业大学、新疆大学黄岭教授（点击查看介绍）与南开大学宋峰教授（点击查看介绍）合作仅通过控制激发光源参数，即外参法，就在同一个纳米颗粒上实现了超20倍的荧光寿命调节，并且首次观察到红⇔绿双向可调节的瞬态发光。

图1. 上转换纳米颗粒在短（a, b, c）、长（d, e, f）脉宽激发下的能量传输机理及时域响应曲线。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

在稀土发光材料内部，敏化剂离子吸收的激发光能量可以通过能量传递直接作用于激活剂离子发光，也可通过多步能量迁移作用于远离初始激发位的激活剂离子发光。这两种不同的过程所产生的微小的时间差使得每一个稀土离子的激发与发射都不同步，因此稀土材料的发光实际上是所有稀土离子在某一特定时间发光的统计结果。而能量迁移与能量传递过程对激发光脉宽与功率的不同响应将导致激活剂离子不同的激发与衰减动力学，并最终导致可被激发光调节的瞬态发光光谱与瞬态发光颜色。实验结果表明，通过改变激发光脉宽可使Er³⁺在540 nm处的荧光寿命从26.8微秒调节的536.3微秒，而红绿光强度比可以从0.26变化到18.15。进一步研究证实，激发调制荧光寿命的现象普遍存在于尺寸大于20 nm以上材料中。

图2. 不同脉宽激发下的瞬态响应光谱及发光颜色调制。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

该团队通过调控激发光脉宽实现了同一颗粒NaLuF₄:Yb/Er红⇔绿双向可调节的瞬态发光。这是基于上转换发光动态过程调控，既可使NaLuF₄:Yb/Er的绿光荧光寿命长于红光寿命，也可短于红光寿命，因此在短脉宽激发后颗粒发光颜色从绿向红变化，而长脉宽激发后发光颜色从红向绿变化。

该工作研究了稀土离子的荧光寿命“动态”响应的内在机理，证实了激发（上升沿）与发射（下降沿）之间的内在关联，首次在仅改变激发光的条件下实现超20倍荧光寿命调控，基本界定了荧光寿命与激发脉宽、功率及自身尺寸的关系，填补了目前该领域的研究空白。该研究成果提供了不依赖于繁冗的材料化学设计与合成实现荧光寿命与发光颜色大幅度调控的方法，为理解稀土掺杂上转换发光材料的荧光寿命和发光动力学过程提供了新视角，也为与荧光寿命相关的激光产生、快速成像、传感等应用提供了新启示。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是韩迎东博士和高潮博士，通讯作者为宋峰教授（南开大学）和黄岭教授（南京工业大学、新疆大学）。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Modulating the Rise and Decay Dynamics of Upconversion Luminescence through Controlling Excitations

Yingdong Han, Chao Gao, Tian Wei, Kun Zhang, Zhang Jiang, Junhe Zhou, Mengjiao Xu, Lisha Yin, Feng Song, Ling Huang

Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202212089

黄岭教授简介

黄岭，新疆大学教授，博导。2001年于南京大学获得无机化学博士学位，2012年底回国加入南京工业大学，2020年受聘为教育部长江学者特聘教授，2021年开始任职于新疆大学化学学院、碳基能源资源化学与利用国家重点实验室。主要研究方向包括：1）钪基纳米材料化学与发光；2）稀土材料发光机理；3）有机无机光物理过程等。迄今已在 Nature, Science, Nature Commun., J. Am. Chem. Soc., Agnew. Chem. Int. Ed., Adv. Sci.，Adv. Mater. 等期刊发表论文160余篇，论文SCI他引 > 6000次；先后在国内外学术会议做大会报告和邀请报告30余次。

https://www.x-mol.com/university/faculty/27717 

宋峰教授简介

宋峰，南开大学物理学院教授、博士生导师。主要从事稀土掺杂光学材料（玻璃、粉末、纳米微晶等）的制备、表征、发光与激光方面的研究工作，研究方向包括固体激光技术及其应用、发光与光谱技术、光纤技术、纳米结构增强发光等，主持科研课题约30项，包括科技部重点专项及国际合作重点项目、国家自然科学基金重点项目及面上项目，发表论文100余篇。曾获宝钢优秀教师奖、军队科技进步一等奖、天津市自然科学二等奖。入选教育部 “优秀青年教师资助计划”，教育部“新世纪优秀人才支持计划”,天津市131人才第一层次。入选斯坦福大学全球2%顶尖科学家名录。

https://www.x-mol.com/university/faculty/63797