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Mar 11, 2024

Valutare la riproducibilità e oltre

Scientific Reports volume 13, numero articolo: 2288 (2023) Cita questo articolo 2409 Accessi 4 citazioni 2 Dettagli parametrici alternativi A base di lantanide, a spostamento spettrale e luminescente multicolore

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 2288 (2023) Citare questo articolo

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Le nanoparticelle upconverting luminescenti multicolori (UCNP) basate su lantanidi, a spostamento spettrale hanno ricevuto molta attenzione negli ultimi decenni a causa della loro applicabilità come reporter per bioimaging, microscopia a super risoluzione e rilevamento, nonché codici a barre e tag anticontraffazione . Un prerequisito per l'ampia applicazione degli UCNP in aree quali il rilevamento e la codifica sono protocolli di sintesi semplici, robusti e facilmente aggiornabili che producono grandi quantità di UCNP con dimensioni di 20 nm o più con proprietà fisico-chimiche controllate e regolabili con precisione da reagenti a basso costo con un'elevata riproducibilità. In questo contesto, abbiamo studiato la riproducibilità, la robustezza e l'upscalabilità della sintesi di β-NaYF4:Yb, Er UCNP tramite decomposizione termica. I parametri di reazione includevano solvente, composizioni chimiche dei precursori, rapporto e concentrazione. Gli UCNP risultanti sono stati quindi esaminati per quanto riguarda le proprietà fisico-chimiche rilevanti per l'applicazione come dimensione, distribuzione dimensionale, morfologia, fase cristallina, composizione chimica e fotoluminescenza. Sulla base di questi studi di screening, proponiamo un approccio di sintesi a volume ridotto e ad alta concentrazione in grado di fornire UCNP con dimensioni diverse, ma controllate, un'eccellente purezza di fase e una morfologia sintonizzabile in lotti di dimensioni fino ad almeno 5 g che sono ben adatti per la fabbricazione di sensori, codici a barre stampabili o etichette di autenticazione e riciclaggio.

Le nanoparticelle upconverting a spostamento spettrale (UCNP), che possono convertire la luce del vicino infrarosso (NIR) in fotoni di luminescenza di energia superiore tramite un processo ottico non lineare, mostrano una moltitudine di bande di emissione caratteristiche nell'ultravioletto (UV), visibile (vis), e NIR e una lunga durata della luminescenza, ideali per misurazioni ottiche a basso fondo e un'elevata profondità di penetrazione nei sistemi biologici1,2,3. Inoltre, la notevole sintonizzabilità della luminescenza di conversione ascendente (UCL) attraverso variazioni del reticolo ospite, della fase cristallina, del tipo(i) e delle concentrazioni degli ioni droganti delle terre rare (RE3+), della dimensione delle particelle e della morfologia, nonché delle condizioni di eccitazione, ad es. , la lunghezza d'onda di eccitazione e la densità di potenza, possono essere sfruttati per impronte spettroscopiche nel dominio del colore e della durata4,5. Ciò ha nel frattempo innescato il loro utilizzo come reporter ottici per applicazioni di imaging e rilevamento6,7,8 e come tag per applicazioni di anticontraffazione, sicurezza, riciclaggio e controllo della qualità degli alimenti9,10. Le matrici ospiti cristalline utilizzate più frequentemente per gli UCNP che emettono UCL sono fluoruri come NaYF4 a causa della loro elevata trasparenza, energie fononiche molto basse ed elevata stabilità chimica11. Il doping viene eseguito più frequentemente con le coppie sensibilizzatore/attivatore Yb3+/Er3+ e Yb3+/Tm3+, che forniscono materiali efficienti che emettono UC verdi, rosse e blu. Sebbene nel frattempo siano stati riportati molti concetti sintetici per sofisticati UCNP core/multi-shell di diverse dimensioni con proprietà di luminescenza ottimizzate come un'elevata resa quantica UCL, per molte applicazioni di rilevamento, codici a barre e tagging, semplici architetture di particelle solo core con dimensioni di 25 nm o più sono completamente sufficienti. Questi UCNP sono più facilmente accessibili sinteticamente e la disponibilità commerciale di tali UCNP a un prezzo ragionevole potrebbe ampliare l'utilizzo della tecnologia di upconversion. Ciò richiede metodi di sintesi semplici e scalabili per gli UCNP che utilizzino precursori relativamente innocui e relativamente economici che consentano la regolazione controllata delle proprietà fisico-chimiche dell'UCNP come dimensione, forma e colore della luminescenza.

Per la sintesi di UCNP di diverse dimensioni, morfologia e architettura delle particelle, sono stati nel frattempo sviluppati diversi metodi come la coprecipitazione13,14,15, idro(solvo)termico16,17,18,19,20,21, decomposizione termica, e metodi assistiti da microonde22,23,24. Fino ad ora, il metodo più semplice per la preparazione di UCNP monodispersi con dimensioni e morfologia controllate è la decomposizione termica. In tal modo, i precursori delle terre rare (RE) vengono riscaldati in una miscela di solventi altobollenti in presenza di precursori del materiale ospite. La crescita delle particelle è solitamente controllata da un ligando di copertura che stabilizza le nanoparticelle in crescita in soluzione. A questo scopo, comunemente, l'acido oleico viene utilizzato insieme all'oleilammina o alla triottilfosfina25,26. Nei primi rapporti sulla sintesi dell'UCNP, principalmente trifluoroacetati come CF3COONa e RE(CF3COO)3 (RE = Y, Yb, Tm, Ho ed Er) venivano impiegati come precursori RE27,28,29,30. Mediante un attento controllo di parametri quali il tempo di reazione e il rapporto tra trifluoroacetati di sodio e RE, la morfologia dell'UCNP potrebbe essere sintonizzata da nanosfere a nanopiastre esagonali e nanoastaggi a nanoprismi30. Poiché la pirolisi dei trifluoroacetati RE può produrre specie di carbonio fluorurato e ossifluorurato altamente tossiche, precursori successivi come gli acetati RE, preparati da ossidi RE e convertiti in oleati RE, in combinazione con NaF31 o NH4F/NaOH32 sono stati utilizzati per la sintesi di UCNP di varia natura dimensione e morfologia regolando il rapporto tra oleato (OA) e ottadecene (ODE) e NH4F o NaF. Ad esempio, nel 2008, Li et al. riportato la sintesi di una serie di β -NaYF4:Yb, Er e β-NaYF4:Yb, Er UCNP monodispersi da RECl3, NH4F e NaOH33. Na et al. potrebbe realizzare il controllo della morfologia degli UCNP β-NaYF4:Yb,Er/Tm utilizzando un tensioattivo, un additivo e il doping RE34. In questo approccio, gli oleati RE sono stati generati da RECl3 e isolati prima del loro utilizzo per la sintesi dell'UCNP. Ciò garantisce l'assenza di impurità di cloruro e fornisce una migliore solubilità del precursore. L'approccio attualmente più comune è, tuttavia, la preparazione in situ di oleati RE da cloruri RE e la loro successiva decomposizione in presenza di NH4F e NaOH35,36.