三重态融合上转换纳米胶囊的合成

摘要

本方案详细介绍了上转换纳米胶囊的合成方法，后续可用于三重态融合上转换辅助的体相3D打印中的光聚合树脂。

摘要

三重态融合上转换（UC）能够利用两个低能量输入光子生成一个高能量光子。这一经过深入研究的过程在产生物料表面之外的高能光方面具有重要意义。然而，由于上转换材料的溶解性差、需要高浓度以及对氧气敏感等问题，其应用一直受到限制，最终导致光输出降低。为解决这些问题，纳米封装已成为一种广受关注的策略，但其在有机溶剂中的耐久性仍然难以实现。最近，研究人员开发出一种纳米封装技术，可有效应对上述各项挑战，该方法将含有上转换材料的油酸纳米液滴包裹在二氧化硅壳层中。最终，这些纳米胶囊（NCs）具备足够的稳定性，可实现基于三重态融合上转换的体相三维（3D）打印。通过将上转换材料以二氧化硅进行封装并分散于3D打印树脂中，实现了在打印槽表面以下进行光图案化。本文提供了小批量和大批量制备上转换纳米胶囊的视频实验方案。所述方案可作为起点，用于将该封装策略适配于多种上转换体系，以应用于体相3D打印领域。

引言

摆脱减材制造工艺（即通过切削原材料块体来制造复杂形状）可以减少浪费并提高生产效率。因此，许多行业正在转向增材制造工艺，通过三维（3D）打印逐层构建物体¹。目前，众多研究致力于开发适用于多种材料类别的增材制造技术（例如玻璃²、陶瓷^3,4、金属⁵以及塑料^6,7）。

这种逐层固化方式限制了树脂的选择，并影响打印件的机械性能^6,7。在考虑基于光的塑料3D打印时，基于双光子吸收（2PA）的打印技术摆脱了逐层加工过程，实现了体素化打印⁸。2PA过程需要同时吸收两个光子以引发聚合反应。这不仅增加了所需的输入功率，还提高了打印系统的复杂性和成本，从而将打印尺寸限制在mm³量级或更小⁹。

最近，一种利用三重态融合上转换（UC）的新型3D打印方法使得基于上转换技术的厘米级体积三维打印成为可能³ 比例尺¹⁰令人兴奋的是，该过程仅需相对较低功率密度的辐照¹⁰ 与基于双光子吸收（2PA）的打印相比^9,11,12上转换过程将两个低能量光子转化为一个高能量光子¹³，上转换光被光引发剂吸收，从而引发聚合反应。由于三重态融合上转换材料通常需要较高的材料浓度、溶解性差且对氧气敏感，其应用一直具有挑战性^13,14,15采用多种纳米颗粒方案对上转换材料进行包封已有广泛研究¹⁶ 但在有机溶剂中的耐久性尚不足。本文所述的二氧化硅包覆油酸上转换纳米胶囊（UCNC）合成方法克服了这一耐久性难题，可实现上转换材料在多种有机溶剂（包括3D打印树脂）中的稳定分散¹⁰纳米胶囊内部材料产生的上转换光以多维图案化方式形成无需支撑结构的固体物体，从而实现高分辨率结构的打印，分辨率可小至50 µm。¹⁰通过移除支撑结构并在无氧环境中打印，新的树脂化学体系得以应用，从而实现传统立体光刻技术无法达到的更优性能和全新材料特性。

本文概述了上转换纳米胶囊（UCNC）的合成方案，用于在两种不同规模下包封敏化剂（钯(II) meso-四苯基四苯并卟啉，PdTPTBP）和湮灭剂（9,10-双((三异丙基硅基)乙炔基)蒽，TIPS-an）。大规模合成可制备约10 g上转换纳米胶囊膏体，适用于3D打印树脂；小规模合成则可制备约1 g上转换纳米胶囊膏体，便于优化新型纳米胶囊的内容物。本方案将有助于三重态融合型UCNC成功整合到多种3D打印工艺及其他应用中。

方案

1. 大规模上转换纳米胶囊合成

1. 在充满惰性气氛并处于红光照明下的手套箱中（参见材料表），于室温（约 22 °C）下在 99% 油酸中分别制备敏化剂（PdTPTBP）和湮灭剂（TIPS-蒽）的饱和溶液（参见材料表）。
   1. 在含有搅拌子的小瓶中，向 20 mg PdTPTBP 中加入 2 mL 油酸，然后用铝箔包裹小瓶以避光。另取一个含搅拌子的小瓶，向 25 mg TIPS-蒽中加入 2 mL 油酸。
   2. 将上述混合物在 600 rpm 条件下搅拌至少 4 小时，然后使用 0.45 µm 聚四氟乙烯（PTFE）针头滤器过滤。每种溶液应可见未溶解的固体残留，这些固体将在过滤过程中被去除，表明溶液已达到饱和状态。
   3. 使用注射器，将 0.7 mL 过滤后的 TIPS-蒽溶液、0.35 mL 过滤后的 PdTPTBP 溶液和 0.7 mL 油酸混合，配制成 1.75 mL 的上转换材料储备液。
      注：用于纳米胶囊的上转换溶液中，TIPS-蒽 : PdTPTBP : 油酸的体积比为 2:1:2。
2. 在洁净的 20 mL 小瓶中称取 4 g 10K MPEG-硅烷，以备合成过程中使用。此步骤可在手套箱内或外进行。若在手套箱外称量，则在将小瓶带入手套箱前，需用封口膜或电工胶带密封瓶盖。
3. 在配有隔膜密封的 250 mL 锥形瓶中，将 200 mL 超纯去离子水置于冰浴中冷却至少 1 小时，使其温度降至约 5 °C。通常需要数小时才能达到该温度。
4. 使用至少六层封口膜将隔膜固定在锥形瓶上，以确保在手套箱前室抽真空时隔膜不会脱落。
5. 在准备制备纳米胶囊前，立即将预冷的水带入手套箱。当将水带入手套箱时，仅对前室施加轻度真空，根据前室压力表读数抽至 20% 真空即可。
6. 将水带入手套箱后，立即启动手套箱的吹扫功能以旁路净化柱。此举可去除在轻度真空条件下引入的氧气，延长净化柱使用寿命。保持吹扫状态直至合成完成且所有废料均已移出手套箱。
7. 确保所有化学品和耗材均已准备就绪，包括用于添加（3-氨基丙基）三乙氧基硅烷（APTES）和正硅酸乙酯的注射器与针头。确保 10K MPEG-硅烷处于易取用位置。清洁时，尼龙布也建议提前备好。
8. 接通搅拌器电源（参见材料表），并用塑料容器或尼龙布覆盖电源插座，以防止搅拌器意外泄漏造成损害。确保搅拌器处于关闭状态。
9. 小心将水倒入搅拌器中，然后使用注射器一次性将 1.45 mL 上转换材料储备液（步骤 1.1.3 中制备）加入搅拌器中心的水中。
10. 盖上搅拌器盖，并用尼龙布覆盖以防意外泄漏。在用手按住盖子防止轻微泄漏的同时，以最大转速（22,600 rpm）搅拌 exactly 60 秒。
11. 关闭搅拌器，并将其移开以确保有足够的操作空间。
12. 将乳液转移至 500 mL 圆底烧瓶中，用夹具将其固定在搅拌台上。使用卵形搅拌子以 1200 rpm 的速度剧烈搅拌乳液（参见材料表）。
13. 使用注射器向乳液中加入 0.75 mL APTES，以形成透明的胶束溶液。
14. 加入 4 g 10K MPEG-硅烷以防止胶囊聚集。如有需要，可轻轻振荡烧瓶以确保其充分分散。在 1200 rpm 条件下继续搅拌约 10 分钟。
15. 在此期间，使用尼龙布擦干搅拌器及盖子。使用镊子操作，避免手部靠近锋利的搅拌刀片。
16. 10 分钟后，使用 20 mL 注射器一次性加入 15 mL 正硅酸乙酯，再用另一支 20 mL 注射器一次性加入另外 15 mL 正硅酸乙酯，总计 30 mL。在烧瓶上安装隔膜，并以 1200 rpm 搅拌 30 分钟。
17. 将烧瓶及废料移出手套箱，并关闭手套箱吹扫功能。
18. 将烧瓶固定在带有加热装置（如油浴或铝加热块）的搅拌台上，并连接至施伦克线（Schlenk line），使反应在氮气或氩气等惰性气体保护下维持恒定压力。
19. 在 65 °C、1200 rpm 条件下搅拌并加热反应 40 小时。
20. 40 小时后，断开反应体系与施伦克线的连接，加入 4 g 10K MPEG-硅烷，然后重新连接施伦克线。继续在 65 °C、1200 rpm 条件下搅拌并加热反应 8 小时。
21. 8 小时后，关闭加热，保持 1200 rpm 搅拌，使反应自然冷却至室温。
22. 待反应冷却后，将反应液转移至离心管中。
    1. 若使用可容纳 50 mL 离心管的离心机（参见材料表），则将反应液均分为 10 份，分别装入 10 支离心管中。
    2. 若使用可容纳 0.5 L 离心管的离心机，则将反应液均分为两份，分别装入两支离心管中。
23. 在 20–22 °C 温度下，以 8670 × g 离心 1 小时。弃去沉淀，保留含有纳米胶囊的上清液。
24. 在 20–22 °C 温度下，将上清液以 8670 × g 离心 14–16 小时。
25. 弃去上清液，收集含有上转换纳米胶囊的沉淀。
    1. 使用移液器，用超纯去离子水（2 × 10 mL）小心冲洗纳米胶囊沉淀的上表面。操作时应保持低流速，避免沉淀从离心管中脱落。
    2. 使用刮刀将纳米胶囊膏体转移至两个或三个独立的 20 mL 闪烁瓶中，并立即带入手套箱。预计可回收 7–10 g 纳米胶囊膏体。
       注：建议在合成后 48 小时内将纳米胶囊分散于溶剂中进一步使用，例如用于 3D 打印的单体或脱氧超纯去离子水中。纳米胶囊膏体中的水分会在 48 小时后蒸发，导致纳米胶囊失效。
26. 采用扫描电子显微镜（SEM）、动态光散射（DLS）和上转换光致发光技术对纳米胶囊样品进行表征。

2. 小规模上转换纳米胶囊合成

1. 按照步骤1.1所述方法制备敏化剂和淬灭剂的储备液。将用于制备上转换纳米胶囊的溶液体积从步骤1.1中所述的1.75 mL缩小至250 μL。取100 μL过滤后的TIPS-an溶液与50 μL过滤后的PdTPTBP溶液以及100 μL油酸混合。
2. 在40 mL闪烁瓶（见材料表）中，使用Schlenk线对20 mL超纯去离子水通入惰性气体（如氮气或氩气）鼓泡至少10分钟。在将瓶子带入手套箱之前，用电气胶带或密封膜封紧瓶盖。
   注意：若同时制备多个小规模样品，可通过使用洁净且未使用过的搅拌壶对200 mL冷藏水进行搅拌，以充分脱气，具体操作如第1节所述。在Schlenk线上使用惰性气体对超过20 mL的水进行鼓泡脱气效果不佳。
3. 称取400 mg的10K MPEG-硅烷，并将其置于洁净的10 mL小瓶中备用，以便在合成过程中使用。此操作可在手套箱内或外进行。若在手套箱外称量，则在将其带入手套箱前，需用密封膜或电气胶带固定瓶盖。
4. 将已鼓泡脱气的水带入手套箱，并立即开启手套箱的吹扫功能以绕过净化柱。此举可快速清除因在轻微负压下带入水样而引入的氧气，延长净化柱使用寿命。吹扫应持续至合成完成且所有废弃物均已移出手套箱为止。
5. 确保所有化学品和耗材（5 mL注射器及带枪头的移液器）均已准备就绪，可供使用。
   1. 使用注射器从试剂瓶中吸取1 mL (3-氨基丙基)三乙氧基硅烷（APTES），并转移至一个洁净并已标记的20 mL小瓶中备用。
   2. 使用注射器从试剂瓶中吸取5 mL正硅酸四乙酯（TEOS），并转移至一个洁净并已标记的20 mL小瓶中备用。
   3. 确保10K MPEG-硅烷在手套箱内易于取用。
   4. 用于清洁的额外尼龙布也建议提前备好。
6. 接通涡旋混合器电源（见材料表），并将转速调至最高档（3200 rpm）。
7. 使用移液器将145 µL敏化剂/淬灭剂储备液加入盛有20 mL水的小瓶中。用电气胶带或密封膜封紧瓶盖。
8. 在涡旋混合器最高转速（3200 rpm）下剧烈振荡溶液7分钟，以确保形成类似大规模合成中的纳米液滴。振荡时应握住小瓶底部，切勿握持瓶盖，以防瓶盖松动脱落。
9. 将小瓶固定在搅拌台上，使用八角形搅拌子以1200 rpm的速度搅拌乳液（见材料表）。
10. 使用移液器加入75 µL APTES，以生成澄清的胶束溶液。
11. 生成澄清溶液后，立即加入400 mg 10K MPEG-硅烷。盖紧瓶盖后轻轻振荡小瓶，使反应物充分混合，随后将小瓶放回搅拌台。
12. 在反应以1200 rpm持续搅拌的同时，使用注射器分步加入3 mL正硅酸四乙酯（TEOS）。加完后盖紧瓶盖并振荡小瓶，使反应物充分混合。继续以1200 rpm搅拌反应液，直至将其移出手套箱。
13. 用电气胶带或密封膜密封小瓶，并将其移出手套箱。
14. 使用油浴或铝制加热块将溶液加热至65 °C，同时以1200 rpm持续搅拌反应40小时。
15. 40小时后，加入400 mg 10K MPEG-硅烷。重新用电气胶带或密封膜密封小瓶，并以1200 rpm继续搅拌8小时。
16. 在1200 rpm搅拌条件下，使反应体系自然冷却至室温。冷却后，将所有反应混合物合并至一个50 mL离心管中。
17. 在20–22 °C温度下，以8670 × g离心1小时。弃去沉淀，保留含有纳米胶囊的上清液。
18. 将上清液在20–22 °C下以8670 × g离心14–16小时。
19. 弃去上清液，保留含有上转换纳米胶囊的沉淀。使用移液器小心地用2 × 1 mL超纯去离子水轻轻冲洗纳米胶囊沉淀的表面。操作时应控制流速较低，避免沉淀从离心管中脱落。
20. 使用刮刀将纳米胶囊膏状物转移至20 mL闪烁瓶中，并立即带入手套箱。通常可回收约700–1000 mg纳米胶囊膏状物。
    注意：建议在48小时内将纳米胶囊分散至适当溶剂中进一步使用，例如3D打印用单体或脱氧超纯去离子水中。纳米胶囊膏状物中的水分会逐渐蒸发，超过48小时后将导致纳米胶囊无法使用。

结果

图1 展示了上转换纳米胶囊合成方案的示意图。图中强调了小规模与大规模上转换纳米胶囊（UCNC）制备过程中的相似步骤，例如油包水乳液的形成以及添加化学试剂以合成二氧化硅壳层。从小规模合成中通常可收集到700-1000 mg的UCNC膏状产物，而从大规模合成中通常可收集到7-10 g的UCNC产物。

采用光谱和显微技术相结合的方法对纳米胶囊进行了表征¹⁰。为制备扫描电镜（SEM）样品，将100 mg mL^-1的纳米胶囊水分散液滴加到合适的导电SEM基底上，自然干燥成膜。纳米胶囊本身导电性较低，但仍足以在不添加其他导电材料的情况下进行表征。一张典型的SEM图像（图2A）显示，通过本方案获得的纳米胶囊粒径相对均一，直径约为50 nm。使用SEM表征上转换纳米胶囊（UCNCs）形貌的一个局限性在于，它们在超高真空条件下长时间放置时不稳定。在SEM测量所需的超高真空环境中，若操作高效，通常在30分钟内可成功成像；但UCNCs在超高真空中持续约30分钟后会发生融合（图2B）。而在本方案所述操作步骤下的常温常压环境中，未观察到此类融合现象（见下文）。尽管存在真空条件下的稳定性问题，电子显微镜仍是一种有效评估UCNCs典型形貌的有益方法。

动态光散射（DLS）是另一种用于表征溶液中纳米胶囊流体动力学平均直径的有用技术。DLS样品可使用稀释后的上转换纳米晶体（UCNCs）样品轻松制备。本实验中，对第一次离心后收集的上清液样品（步骤1.23或2.17）进行了DLS表征。将上清液用超纯去离子水稀释10倍后，通过0.2 μm PVDF滤膜过滤，以去除大颗粒和灰尘。 Alternatively, one can characterize the UCNC paste at a concentration of 100 mg mL^-1 在超纯去离子水中稀释10倍，并用0.2 μm PVDF滤膜过滤。通过DLS测得其流体动力学直径为 <批次间差异为100纳米，通常在65至90纳米范围内¹⁰在这些表征条件下未观察到纳米颗粒聚集，因此无需添加额外的电解质¹⁰. 大规模或小规模制备方法均可产生相似直径的UCNC；下图展示了一次扫描的代表性曲线 图2C由于布朗运动以及对斯托克斯-爱因斯坦方程的数学拟合过程，需将多次扫描结果取平均，以确定平均流体动力学直径。¹⁷样品所示的平均流体动力学直径 图2C 大批次样品的流体动力学直径约为75 nm（多分散系数，PDI：0.21），小批次样品约为66 nm（PDI：0.15）。这种流体动力学直径的差异在不同批次之间较为常见，且与反应规模无关。

最后，光学表征对于评估二氧化硅壳层包覆的完整性至关重要（图2D）。在此步骤中，将第一次离心后收集的上清液样品在手套箱中用无氧丙酮稀释10倍。将样品溶于丙酮中以检测上转换纳米晶（UCNCs）的结构完整性。在图2D中，当使用635 nm激光照射时，可明显观察到蒽的上转换发射，表明平均而言二氧化硅壳层仍保持完整。如果二氧化硅壳层过薄，则在635 nm激光照射下上转换发光强度极低。这是由于上转换物质在丙酮中溶解并被稀释至浓度过低，无法产生明亮的上转换发射信号¹⁰。

图1：小规模与大规模上转换纳米胶囊合成过程的示意图。 本图使用 Biorender.com 制作。请点击此处查看此图的放大版本。

图2：利用显微镜和光谱学对纳米胶囊进行代表性表征。（A）UCNCs的SEM图像显示了上转换纳米胶囊合成的尺度和均匀性。比例尺 = 200 nm。（B）UCNCs在超高真空条件下持续约30分钟发生融合后的SEM图像。SEM样品通过将UCNCs溶于去离子超纯水中并滴涂制备。比例尺 = 20 μm。（C）小规模和大规模制备的上转换纳米胶囊的代表性DLS曲线。UCNCs用去离子超纯水稀释。（D）当使用约65 W cm^-2功率密度的635 nm激光照射时，UCNCs中TIPS-an在丙酮稀释液中的上转换发光。这种强烈的上转换发光表明二氧化硅壳层足够厚，可防止纳米胶囊内容物泄漏。请点击此处查看该图的放大版本。

讨论

制备高亮度上转换纳米胶囊时需考虑若干因素。首先，合成过程需在手套箱中完成，因为上转换材料必须避免接触氧气——已有充分证据表明，氧气的存在会降低上转换发光输出^13,14,15,16。此外，敏化剂和湮灭剂的储备溶液应每次实验前新鲜配制。已有研究表明，PdTPTBP及其他金属卟啉在酸性条件下暴露于环境光照时会发生脱金属反应¹⁸，而蒽类化合物已知会随时间推移发生聚集¹⁹。通过在红光照明下每次合成前新鲜配制溶液，可最大程度减少上述影响。作者指出，一旦金属卟啉与蒽类化合物混合后，便不再需要严格的红光照明，此后可使用常规环境光照。最后，在大规模合成中，建议至少配制1.75 mL上转换储备溶液，因为若加入少于1.45 mL该溶液来制备UCNCs，将改变所有其他所需试剂的比例以及依赖浓度的纳米液滴形成过程。同理，在小规模合成中，建议以相同比例配制250 µL上转换储备溶液。最后，使用微量移液器分装油酸储备溶液时，应缓慢释放移液器活塞，并等待其完全回升以准确释放目标体积。由于油酸黏度较高，其会缓慢填充移液器吸头，若操作不当，容易导致实际分装体积低于预期。

需要认识到，油酸纳米液滴的生成对混合时间、转速以及显著的温度变化较为敏感。例如，搅拌器的选择至关重要，会影响油酸纳米液滴的形成。在初始研发阶段曾测试多个品牌的搅拌器。文中所推荐的搅拌器在 材料表 从而制备出本方案中所述的相对更优且可重复的纳米胶囊。值得注意的是，强烈的搅拌会升高乳液温度，降低油酸纳米液滴的形成效率。搅拌刀片必须完全浸没于水中，以实现对温度的最佳控制，这也是确定本方案中所需用水体积的一个考虑因素。¹⁰此外，预先冷却水相可减少乳液中液滴的聚集，从而提高大规模合成中的纳米胶囊产率。而对于小规模合成，冷却水相对油酸纳米液滴的形成影响不大，这可能是因为手持40 mL样品瓶所导致的水相温度上升程度远低于搅拌器叶片所产生的升温效应。

APTES的加入是一个关键的合成步骤，因为APTES能够稳定通过混合或涡旋产生的油酸纳米液滴。初始的纳米液滴乳液呈浑浊、不透明的分散状态。加入APTES后，溶液逐渐变得澄清透明，表明纳米液滴已被稳定。通常情况下，所需APTES的体积与本方案中所述数值非常接近，但有时可能需要略少或略多的APTES才能使溶液完全澄清。因此，APTES的添加应类比于其他滴定操作进行处理。²⁰加入过多APTES（即超过一个 "仅澄清" 溶液）会破坏纳米胶囊壳的形成并降低产率。因此，若需要显著不同体积的APTES才能形成澄清悬浮液，或始终无法达到澄清状态，则表明需要进行故障排查，以优化油酸纳米液滴的生成。例如，若纳米液滴生成效率低下，则液滴体积及其表面积将大于预期，可能需要更多APTES。该现象已在小规模合成中观察到，可通过多种方式加以改善，例如调整将试管压在涡旋混合器上的力度，或延长涡旋时间。

此外，必须在加入APTES后立即添加10K MPEG-硅烷，以防止发生聚集，且不可省略¹⁰。若不添加10K MPEG-硅烷，约30分钟内即可观察到不可逆的聚集现象，表现为沉淀生成。尽管可用5K MPEG-硅烷替代10K MPEG-硅烷，但在相同浓度下，较低分子量的MPEG-硅烷无法有效防止聚集。

二氧化硅外壳的形成对于上转换纳米晶体（UCNC）在各种溶液中分散时保持其耐久性至关重要。尽管二氧化硅外壳的生长过程已有广泛研究^21,22,23，但本文未采用通常使用的²¹酸或碱催化来促进二氧化硅生长，因为加热已足以生成稳定且交联的二氧化硅外壳。为监测二氧化硅外壳随时间的形成情况，可将纳米胶囊反应等分试样用有机溶剂（如丙酮）稀释100倍后观察其明亮的上转换发光信号，同时PdTPTBP/TIPS-苯体系的敏化剂磷光应尽可能弱（图2D及参考文献¹⁰）。通常情况下，约24小时后即可观察到明显的上转换发光，但延长至48小时可增强相对发射强度，表明更大比例的UCNC已形成稳定外壳。需注意，上转换发光依赖于激发功率，应使用足够高的功率密度。例如，在本体系中，需约~65 W cm^-2的功率密度才能观察到明亮的上转换光致发光（PL）。

在二氧化硅生长40小时后再次加入10K MPEG-硅烷可提高纳米胶囊在有机溶剂中的分散性。尽管不进行第二次添加10K MPEG-硅烷，上转换纳米晶体（UCNCs）仍可在多种溶剂中分散，但强烈建议进行第二次添加，以提高溶液中UCNC的质量载量。例如，在3D打印树脂中的应用时，可将0.67 g mL^-1的纳米胶囊浆料分散于丙烯酸中¹⁰。

在整个多天的制备过程中，若使 UCNCs 暴露于氧气环境中，会导致氧气渗入，其浓度足以显著降低上转换光致发光。为确保在48小时搅拌过程中维持惰性气氛，需根据反应规模采用不同的操作方案。在较大规模反应中，二氧化硅生长过程中产生的乙醇可能产生显著压力，导致固定隔膜脱落或反应容器结构完整性受损²⁴。因此，500 mL 的烧瓶应连接至施兰克线（Schlenk line），以便在惰性气氛下释放压力。在小规模反应中，使用封口膜或电工胶带密封40 mL 玻璃小瓶可保持密封结构的完整性。若不密封小瓶瓶盖，压力升高将逐渐使瓶盖松动，导致氧气渗入。

通过离心进行反应纯化，可将上转换纳米胶囊（UCNCs）与其他不期望的副产物分离。只要离心机能够达到本方案中提供的相对离心力（g），多种品牌和转子型号的离心机均可用于此纯化过程。根据离心机转子的尺寸，可将相对离心力（g）换算为每分钟转数²⁵。在离心过程中，上转换纳米胶囊（UCNCs）短暂暴露于环境气氛是可以接受的，只要在纯化后将其保存在惰性气氛中即可。该合成方法的一个局限性在于，难以量化产物中原子的产率与投入化学品之间的关系。离心后，大规模纳米胶囊合成应得到约10 g的膏状产物，小规模合成则应得到约1.0 g的胶囊膏状物。目前尚不清楚有多少正硅酸乙酯（TEOS）被整合到UCNC壳层的形成中。第一次离心后弃去的沉淀物包含未被整合进UCNCs的大分子量二氧化硅。第二次离心后，上清液可再次离心以提高收集的质量。不建议将离心时间延长超过16小时，因为柔软的胶囊膏状物会固化为致密薄膜，无法再分散于其他溶剂中。尽管如此，批次间收集到的胶囊膏状物质量具有一致性，足以满足后续使用和表征的需求。

UCNC的耐久性因溶剂种类及储存条件而异。通过离心收集的UCNC浆料在48小时后因水分蒸发而无法使用，但纳米胶囊在多种溶剂中具有良好的稳定性。在水中，UCNC的耐久性可达数月之久。在丙烯酸中，其耐久性则缩短至数天，主要原因是丙烯酸溶剂本身不稳定，在无氧条件下储存时可能发生聚合反应^10,26。目前仍在开展更多关于UCNC耐久性与溶剂依赖性的研究。

小规模合成特别适用于不同配方之间上转换光致发光的相对比较。第二次离心后收集的纳米晶体（NC）浆料应分散于水中，浓度为100–200 mg mL^-1，并用丙酮（或其他所需溶剂）稀释。溶液中水的体积比例至少需达到25%（例如25/75 水/丙酮 v/v），以保持纳米晶体悬浮状态，防止沉淀形成。为确定本方案中敏化剂和湮灭剂的浓度，需比较不同批次间的相对上转换发射强度。可能与直觉相反的是，为在3D打印用上转换纳米胶囊中实现最大光输出所需的敏化剂与湮灭剂比例，可能并不等同于在油酸储备溶液中实现最大上转换量子产率²⁷的比例。

综上所述，本文逐步详细阐述了上转换纳米胶囊合成的实验方案及最佳实践¹⁰。由于其他用于封装上转换材料以应用于实际场景的方法仅适用于水相环境¹⁶，而该合成方法具有重要意义，因为它使得上转换材料能够被应用于多种化学环境，例如有机溶剂中。这些方法将有助于拓展实现体积三维打印的途径，推动高精度增材制造，以及任何需要在表面以下提供高能光的应用领域。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
化学品
(3-aminopropyl)triethoxysilane, anhydrous	Acros Organic/Fisher Scientific	AC430941000
10K MPEG-Silane	Nanosoft Polymers	2526
油酸 (99%)	Beantown Chemical	126125
Pd (II) meso-tetraphenyl tetrabenzoporphine (PdTBTP)	Frontier Scientific	41217
原硅酸四乙酯, 无水	Millipore Sigma	86578
TIPS-蒽	Millipore Sigma	731439
用于纳米胶囊纯化的代表性超速离心机			虽然可以使用较小的离心机，但超速离心机在进行12–14小时离心以分离上转换纳米胶囊膏体时更为方便。
500 mL 聚碳酸酯瓶带盖组件，69 × 160 mm - 6只装	Beckman-Coulter	355605
Avanti J-26S XP 高性能离心机	Beckman-Coulter	Avanti J-26S XP
JA-10 固定角铝转子 - 6 × 500 mL；10,000 rpm；17,700 × g	Beckman-Coulter	369687
专用制备设备与耗材
3M 03429NA 051131034297 Scotch 电工胶带，3/4英寸 × 66英尺，黑色，1卷，3/4英尺	Amazon
40 mL 闪烁瓶（外径28 mm × 高度95 mm，螺纹尺寸24-400）	Fisher Scientific	CG490006	小规模合成
500 mL 单颈圆底烧瓶，24/40外接头	Chemglass	CG-1506-20	大规模合成
用于500 mL圆底烧瓶的卵形搅拌子（直径6.35 mm，长度16 mm）	Fisher Scientific	14-512-122	大规模合成
手套箱	Mbraun	LabStar Pro	作者使用的是此型号手套箱。但只要能将氧气浓度维持在约10 ppm以下，任何型号均可接受。
磁力搅拌器——置于手套箱内	任意品牌
带温度控制的磁力搅拌器（油浴或加热块）——置于手套箱外	任意品牌
用于40 mL闪烁瓶的八角形搅拌子（直径3 mm，长度12 mm）	VWR	58947-140	小规模合成
Parafilm M 封口膜	Fisher Scientific	S37440
Precision Seal 橡胶隔垫	Millipore Sigma	Z554103-10EA	大规模合成
Vitamix 搅拌机	Vitamix.com	E310	大规模合成
Vortex Genie 2 涡旋振荡器	Millipore Sigma	Z258415	小规模合成
代表性表征仪器及配件
Brookhaven Instruments 90Plus 纳米粒径分析仪	Brookhaven Instruments
M 系列 635 nm 激光器 300–500 mW	Dragon Lasers		用于上转换光致发光表征的入射波长。该激光器仅可由经过培训的研究人员在专用光学实验区域并遵循适当安全规程的情况下使用。应使用透镜聚焦激光以提高入射功率密度。
P50-1-UV-VIS	Ocean Insight	P50-1-UV-VIS	QE Pro 光纤跳线
QE Pro 光谱仪	Ocean Insight	QEPRO-VIS-NIR	用于采集上转换光致发光光谱。
Supra55VP 场发射扫描电子显微镜 (FESEM)	Zeiss