Name: 用于可擦写显示器和照明应用的持久性发光纳米颗粒的合成 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2024-09-13T12:40:00.000+00:00
Duration: 7 min 12 s
Description: 了解持久发光纳米颗粒的水热合成方法及其与聚甲基丙烯酸甲酯的共聚技术，用于开发可擦写显示和生物成像应用。该方案为功能纳米材料的制备提供了可靠的实验流程。

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作者感谢国家自然科学基金（82001945）、上海市浦江人才计划（20PJ1410700）以及上海科技大学启动经费的支持。作者感谢上海科技大学物质科学与技术学院高水平电镜中心（ChEM）（编号：EM02161943）在材料表征方面提供的支持。作者感谢上海科技大学物质科学与技术学院分析测试平台（#SPST-AIC10112914）在光谱测试和X射线衍射（XRD）测试方面提供的支持。作者还感谢李剑锋教授在材料表征方面提供的帮助。

1. Zn2GeO4: Mn 荧光纳米颗粒的合成
<ol>
	<li>通过将 10 mM 氢氧化钠溶解于 5 mL 去离子水中，制备 2 M/L 氢氧化钠溶液。</li>
	<li>将 2 mM 二氧化锗加入 5 mL 氢氧化钠溶液中，制备 0.4 M/L 锗酸钠溶液，然后在室温下搅拌约 30 分钟。</li>
	<li>将 4 mM 氯化锌、0.01 mM 硝酸锰和 600 µL 硝酸（65%–68%，质量分数）加入含有 22 mL 去离子水的 100 mL 小烧杯中。 
	注意：添加硝酸必须严格在通风橱中进行，并确保周围无明火或加热源。</li>
	<li>剧烈搅拌，直至步骤 1.3 的溶液完全溶解。</li>
	<li>缓慢将 2 mM 锗酸钠溶液加入步骤 1.4 所得溶液中，再向溶液中加入 1 mL 聚乙二醇（PEG；300，分子量）。</li>
	<li>将校准后的 pH 计探头插入溶液中，以监测反应体系的 pH 值。设置较温和的搅拌速度，避免溶液飞溅以及搅拌子与探头发生碰撞。</li>
	<li>逐滴加入质量分数为 25%–28% 的氨水，根据所研究的发光性质将溶液 pH 值调节至 6.0、8.0 或 9.4。务必缓慢加入氨水，并持续监测溶液 pH 变化，防止体系过酸或过碱，以免影响纳米材料的形貌和发光性能。</li>
	<li>用封口膜覆盖烧杯，在室温下搅拌 1 小时。尽量避免体系暴露于空气中，以防灰尘进入和溶剂挥发；同时保持恒定转速搅拌，使体系充分混合时液面不发生飞溅。</li>
	<li>将溶液转移至聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，并置于 220 °C 的电热恒温干燥箱中反应 4 小时。 
	注意：应根据体系体积选择合适的聚四氟乙烯内衬高压反应釜，并保持反应釜清洁。加入的原料体积不得超过反应釜体积的 1/3rd。同时，在将反应釜放入电热恒温干燥箱前，务必确保其已完全密封。</li>
	<li>反应完成后关闭电热恒温干燥箱，等待体系冷却至室温后再取出反应釜。务必等到反应釜完全冷却且压力降至安全范围后再进行下一步操作，以避免高温直接接触皮肤。</li>
	<li>缓慢打开反应釜，将反应液转移至两个 50 mL 离心管中。用 40 mL 乙醇冲洗反应釜，随后将乙醇溶液也转移至相同的离心管中。</li>
	<li>涡旋振荡 30 秒，使溶液充分混匀，然后在室温下以 4000 x g 离心 15 分钟，并弃去上清液。</li>
	<li>向每个离心管中加入 10 mL 去离子水，超声处理 5 分钟（240 W，40 kHz），以重新分散产物。</li>
	<li>向每个离心管中加入 20 mL 乙醇，涡旋振荡 30 秒，使溶液充分混匀。</li>
	<li>继续按照前述条件（4000 x g，15 分钟）在室温下离心产物，并弃去上清液。</li>
	<li>在 2 mL 甲醇溶液中超声分散 5 分钟，用封口膜密封样品，并将其储存于 4 °C 冰箱中，以防止样品污染和溶剂挥发，供后续发光应用使用。</li>
</ol>
2. ZnGa2O4: Cr 荧光纳米颗粒的合成
<ol>
	<li>将 12 mM Ga(NO3)3.xH2O、7.2 mM ZnCl2 和 0.024 mM Cr(NO3)3.9H2O 溶解于 30 mL 去离子水中。</li>
	<li>向溶液中加入 1 mL 聚乙二醇（PEG，分子量 300），然后滴加氨水（25%–28% 质量分数），轻轻搅拌使溶液 pH 值达到 9.0–9.4。注意控制搅拌速度，确保溶液充分混合，同时避免溅出至 pH 计上。</li>
	<li>用封口膜覆盖烧杯，在室温下搅拌 1 小时。尽量减少体系与空气的接触，以防止灰尘进入和溶剂挥发。同时控制搅拌速度，使体系在充分混合的同时不发生飞溅。</li>
	<li>将溶液转移至聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，在 220 °C 下反应 6 小时。待温度降至室温后取出容器。确保反应釜已完全冷却，压力降至安全范围后再进行后续操作，避免高温直接接触皮肤。</li>
	<li>将反应液转移至两个 50 mL 离心管中。用 40 mL 乙醇冲洗反应釜，再将乙醇冲洗液转移至相同的离心管中。</li>
	<li>涡旋振荡 30 秒以混匀溶液，然后在室温下以 4000 × g 离心 15 分钟，弃去上清液。</li>
	<li>向每支离心管中加入 10 mL 去离子水，超声处理 5 分钟以重新分散产物。</li>
	<li>向每支离心管中加入 20 mL 乙醇，涡旋振荡 30 秒使溶液充分混匀。随后按前述条件（4000 × g，15 分钟）在室温下继续离心，并弃去上清液。</li>
	<li>在 2 mL 去离子水中超声分散产物 5 分钟，用封口膜密封样品后储存。</li>
</ol>
3. 原材料的纯化
<ol>
	<li>按以下方法通过柱层析纯化甲基丙烯酸甲酯（MMA）。
	<ol>
		<li>用碱性氧化铝（100–200 目）填充柱体的一半，并用玻璃棒轻轻压实。填充氧化铝时，应注意填料分布均匀、压紧程度一致，以提高分离效率。</li>
		<li>加入少量 MMA，打开下方的聚四氟乙烯节流活塞。待溶剂层润湿整个氧化铝并有液体流出后，再加入更多 MMA，并重复此过程多次。当加入的 MMA 总质量与碱性氧化铝的质量比达到 1:50 时，表示该过程结束。</li>
		<li>将最终收集的 MMA 样品放入玻璃瓶中，用封口膜密封，并在 4 °C 下保存。 
		注意：由于 MMA 挥发性强，整个操作应在通风橱中进行。同时，操作人员应佩戴口罩和实验服。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>按以下方法通过重结晶纯化偶氮二异丁腈（AIBN）。
	<ol>
		<li>配制 50 mL 乙醇与蒸馏水按体积比 7:3 混合的溶液，并加热该溶液。</li>
		<li>当溶液沸腾时，加入 5 g AIBN，并搅拌使其充分混合均匀。</li>
		<li>通过热过滤去除不溶性杂质，具体步骤如下：
		<ol>
			<li>将滤纸紧贴三角漏斗内壁，并确保滤纸边缘低于漏斗边缘。</li>
			<li>将玻璃棒靠在滤纸的三层部分。若玻璃棒未靠在滤纸三层处，可能刺破滤纸，导致过滤效率降低。</li>
			<li>将盛有溶液的烧杯嘴靠近玻璃棒，并趁热倾倒。此步骤的目的是防止液体飞溅。</li>
			<li>用 10 mL 冷蒸馏水冲洗烧杯，并再次进行上述过滤操作；重复 3 次。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>溶液在冷却过程中因溶解度降低而变为过饱和状态，从而析出晶体。将收集的溶液置于 4 °C 冰箱中冷却结晶。样品将呈现为白色针状晶体。</li>
		<li>用铝箔密封样品，并在 4 °C 下保存。 
		注意：由于 AIBN 具有毒性，操作时应采取防护措施，同时避免接触明火、高温及氧化剂。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 甲基丙烯酸甲酯（MMA）的共聚反应
<ol>
	<li>将水浴温度设定为 80 °C。 
	注意：水温对聚合反应速率有显著影响，从而影响最终产物的形成。因此，必须严格确保水浴温度不宜过高。</li>
	<li>称取 20 g MMA 至一个 100 mL 梨形瓶中。实验前保持容器干燥。 
	注意：选择梨形瓶有助于水浴加热以及用氮气置换体系中的空气。称量时应尽量在通风良好的环境中进行，并佩戴口罩。</li>
	<li>将预先配制好的 Zn2GeO4: Mn 甲醇溶液加入反应容器中。</li>
	<li>在室温下借助超声处理约 10 分钟（240 W，40 kHz），使样品在 MMA 中充分溶解。保持反应容器密封，以防止溶剂挥发，并避免超声过程中温度过高。</li>
	<li>向溶液中加入 0.012 g AIBN，并充分混合溶液。 
	注意：AIBN 应在无水条件下使用，确保实验操作周围无明火。务必佩戴防护装备。</li>
	<li>将烧瓶置于 80 °C 水浴中，并用 N2 对反应体系吹扫约 35 分钟。当反应接近结束时，轻轻摇动反应容器。若溶液不再剧烈晃动，则表明反应成功。 
	注意：反应时间会随水浴温度变化而改变。确保水浴温度达到 80 °C 后，再开始计时 35 分钟。</li>
	<li>反应结束后，迅速将反应容器转移至冰浴中，快速冷却。 
	注意：该过程应尽可能迅速，以避免 MMA 发生过度预聚合。可在反应过程中提前准备好冰浴。</li>
	<li>缓慢将溶液倒入二维或三维模具中，将模具放入电热恒温干燥箱中，依次在 40 °C 下处理 10 小时、70 °C 下处理 8 小时、100 °C 下再处理 2 小时，得到目标材料。</li>
	<li>反应停止后关闭电热恒温干燥箱，使其自然冷却至室温。待反应体系充分冷却后再打开干燥箱取出模具，以避免高温直接接触人体造成烫伤。</li>
	<li>小心脱模，并将聚合得到的 PMMA 样品（ZGO: Mn-PMMA）置于紫外灯下照射约 3 分钟。例如，当使用剪成字母 H 形状的黑色卡纸遮挡透明的 ZGO: Mn-PMMA 薄膜并进行紫外照射时，可获得相应的绿色磷光图案。该图案在 5 分钟后可消失。随后，可通过更换不同字母形状的黑色卡纸重复此过程，生成新的发光图案。</li>
</ol>

Hydrothermal Synthesis of Persistent Luminescent Nanoparticles

无任何披露内容。

本文介绍了一种用于显色应用的持久发光纳米材料的合成方法及其聚合工艺。该材料在停止紫外光激发后表现出极为稳定的光学性质和可见的余辉发光。采用水热法在不同pH条件下制备了持久发光纳米材料（Zn2GeO4: Mn）（图1A）。透射电子显微镜（TEM）图像显示，pH为9.4时的ZGO:Mn PLNPs呈棒状结构，平均直径约为65 nm（图1B）。高分辨率透射电子显微图像表明纳米材料具有良好的结晶性，沿棒状方向相邻晶格条纹的间距为0.70 nm，与Zn2GeO452的（110）晶面间距高度一致，表明所有Zn2GeO4: Mn均具有高度结晶性（图1C）。
此外，去离子水中 ZGO:Mn 的动态光散射（DLS）数据经对数正态函数拟合后显示，其计算得到的流体动力学直径为 63 nm，且分散性良好（图 2A）。Zeta 电位结果也表明 ZGO:Mn 表面带负电（图 2B），说明该 PLNPs 在水溶液中具有良好的溶解性和稳定性。ZGO:Mn 的 XRD 谱图可归属于 Zn2GeO4 的三方晶相（图 2C）。
通过调节前驱体溶液的pH值，可以改变PLNPs的光学性质。在365 nm激发3分钟后，ZGO:Mn溶液的余辉可见发射光谱显示，当前驱体溶液由酸性变为碱性时，PLNPs的主发射峰出现红移（图3A）。余辉强度随时间的衰减曲线也受到pH值的影响，但在任何情况下，当余辉时间达到300 s时仍可检测到发射强度，这证实了具有不同光学性质的PLNPs成功合成（图3B）。通过相机拍摄了不同pH条件下PLNPs的光致发光图像（图3C）和余辉图像（图3D）。结果表明，随着溶液碱性的增强，溶液呈现出更明亮的绿色发光。
为了突出该水热法的多功能性，合成了以ZnGa2O4为基质、Cr为发光中心的持久发光纳米粒子（ZnGa2O4: Cr）。透射电子显微镜（TEM）图像显示，ZnGa2O4: Cr粒径较小且均匀分散（图4A）。X射线衍射（XRD）结果表明，所有衍射峰均与立方尖晶石结构的ZnGa2O4完全吻合（图4B）。余辉发射光谱显示，在经紫外光激发3分钟后，ZnGa2O4: Cr表现出明显的近红外发射（图4C）。监测了ZnGa2O4: Cr在697 nm处的发射强度随时间的变化，结果表明，余辉发射在300秒后仍可被检测到（图4D）。
在PLNPs的水热合成过程中有几个关键步骤。首先，在PLNPs的合成过程中必须严格控制水溶液的pH值。溶液的酸碱性可能对余辉的持续时间甚至余辉的颜色产生显著影响。其次，在监测溶液pH值时，需调节适当的搅拌速度，以确保搅拌过程中搅拌子不会与pH探针发生碰撞，同时保证溶液混合均匀。最后，当溶液在目标pH值环境下搅拌1小时后，应尽可能保持反应体系的密封，以避免氨水挥发带来的影响。
此外，通过将PLNPs与MMA共聚，制备了二维和三维发光艺术品，从而使PLNPs具备更多功能（图5A）。研究发现，无论是薄膜还是三维小鸭，该材料均表现出良好的余辉发光能力（图5B、C）。在紫外光激发停止后，二维和三维材料均呈现出明亮的绿色发光，且绿色余辉图像在5秒后仍清晰可见（图4D、E），表明PLNPs在紫外灯激活下可产生有效的余辉发光。
进行甲基丙烯酸甲酯（MMA）聚合时需要注意一些过程。首先，原料（即MMA和AIBN）需要纯化，以免影响聚合反应。其次，在将甲醇分散的Zn2GeO4: Mn加入MMA溶液时，需对整个体系进行超声均匀分散。第三，需始终观察溶液状态；若轻轻摇动烧瓶仅引起溶液轻微震动，则表明预聚合成功。第四，预聚合完成后应立即将烧瓶置于冰浴中，以防止过度聚合。最后，在电热恒温干燥箱中进行聚合反应时，应程序控温，以形成均一的基质。
总之，我们预期本方案不仅为长余辉纳米材料的水热合成提供了详细的实验步骤，还介绍了一种将PLNPs与MMA共聚的方法，从而进一步实现紫外光调控的可重写和发光应用。更重要的是，基于该方法，通过调节不同的缺陷、发光中心和pH值，可进一步调控PLNPs的光学性质，使其产生多种颜色的余辉。此外，PLNPs与聚合物的共聚方法还可进一步应用于艺术创作领域。这些优势使PLNPs成为发光与成像应用的理想材料。另一方面，由于水热合成法需要较高的反应温度，可能限制某些材料的应用，特别是对温度敏感的物质。因此，应根据具体的应用需求选择合适的合成方法。

持久发光（PL）是一种独特的光学过程，能够储存来自紫外光、可见光、X射线或其他激发源的能量，并以光子发射的形式持续释放数秒、数分钟、数小时，甚至数天1. 连续发光现象的发现起源于约1000年前中国古代宋朝，当时一位画家偶然发现一幅画在黑暗中发光。后来发现，某些天然原料和矿物能够吸收阳光，随后在黑暗中发光，甚至可被制成迷人的发光珍珠2然而，关于持久性磷光体的首个充分记录需要追溯到17世纪初对博洛尼亚石（Bologna stone）中光致发光现象的发现th 世纪，其在黑暗中发出从黄色到橙色的余辉1,2,3,4. 后来发现，铜中的天然杂质+ 在该持久发光现象中，BaS 起到了重要作用1,4直到20世纪90年代中期，持久性磷光体的生产主要局限于硫化物51996年，Matsuzawa等人报道了一种新型金属氧化物（SrAl2O4:Eu2+，Dy3+) 磷光体，表现出极其明亮的余辉，极大地推动了持久发光研究的发展6.
长余辉材料的独特性质主要来源于两类活性中心：发光中心和陷阱中心1,7,8。其中，前者决定发射波长，而余辉的持续强度和时间则主要由陷阱中心决定。因此，为了实现所需的发射波长和长持续发光，PL材料的设计必须同时考虑这两个方面9,10。发光中心可以是具有5d到4f或4f到4f跃迁的镧系离子、具有d到d跃迁的过渡金属离子，或具有p到s跃迁的后过渡金属离子1,11,12,13。另一方面，陷阱中心由晶格缺陷或各种共掺杂离子形成14,15，通常不发射辐射，而是暂时储存激发能，并通过热或其他物理活化方式逐渐将能量释放给发光中心16,17。已有大量报道涉及不同基质和掺杂离子的荧光粉。迄今为止，已发现无机金属化合物18、金属有机框架8、某些有机复合物19以及聚合物20具有PL性质。近年来，具有可控能量存储和光子释放特性的深陷阱长余辉材料在信息存储21、多层防伪22和先进显示23等领域展现出巨大的应用潜力。
基于上述组成，已成功设计并合成了多种基质的持久发光纳米粒子（PLNPs），例如 BaZrSi3O97、Y2O2S24、Ca14Mg2(SiO4)825、CaAl2O426、SrAl2O426,27 和 Sr2MgSi2O728，这些材料含有多种掺杂的发光中心，其中发光中心的性质强烈依赖于主体晶格的晶体场效应，而通过不同掺杂引入或优化的缺陷则作为辅助中心，用于调控余辉的强度和持续时间。除了共掺杂体系外，仅含单一激活剂时也可观察到持久发光，例如基质为 Y3Al2Ga3O1229、BaGa2O430、Ca2SnO431、CdSiO332 和 Zn3Ga2Ge2O1033 的异质 PLNPs。锗酸盐类三元氧化物包括 Ca2Ge7O16、Zn2GeO4、BaGe4O9 等，是一类典型的宽禁带半导体材料，具有可调发射、可重复且稳定的发光性能、高量子产率、环境友好性以及资源丰富等优点34,35,36。这些优势使其成为一种优良的激活剂型光致发光载体。近年来，已通过传统的固相反应或化学溶液法合成了多种微观结构的锗酸盐材料35,37，这些特性使 Zn2GeO4 在杀菌38、防伪39、催化40、发光二极管41、生物传感42、电池负极43、探测器44,45 等领域具有广泛应用。
为了拓展持久发光（PL）材料的应用，人们已开发出可控制备均匀且持久发光的纳米粒子的方法。十年前，持久性磷光体主要通过固相合成法制备46。然而，该方法在合成过程中反应时间长且退火温度高，导致所得磷光体颗粒尺寸大、形貌不规则，限制了其在生物医学等其他领域的应用。2007年，Chermont 等人首次采用溶胶-凝胶法合成了纳米颗粒，并制备了Ca0.2Zn0.9Mg0.9Si2O6: Eu2+, Dy3+, Mn2+，开启了持久发光纳米粒子（PLNPs）研究的新时代47。然而，自上而下的合成策略常伴随粒径和形貌难以控制的问题，因此研究人员在发展可控的自下而上合成方法方面开展了大量工作。自2015年以来，多种合成方法相继涌现，包括模板法、水热/溶剂热法、溶胶-凝胶法以及其他湿化学合成方法，用于制备均匀且结构可控的PLNPs47,48,49,50。其中，水热合成法是制备纳米材料最常用的方法之一，能够提供一种可调节且温和的合成途径，用于制备具有特殊结构和性能的化合物或材料51。
本文介绍了一种通过水热法合成具有1D纳米棒形貌的Zn2GeO4: Mn持久发光纳米粒子（PLNPs），并为其提供刚性环境以用于进一步照明应用的详细实验步骤。研究发现，通过调节前驱体溶液的pH值，可以改变PLNPs的发光特性，包括发射波长和余辉衰减曲线。另一方面，为了突出该方法的通用性，我们还以ZnGa2O4为基质、Cr为发光中心合成了PLNPs（ZnGa2O4: Cr），该材料在365 nm紫外光激发后可在近红外区域产生余辉发射（697 nm）。本文主要聚焦于前驱体溶液pH值为9.4的Zn2GeO4: Mn材料，用于二维和三维艺术作品的制作与可视化。Zn2GeO4: Mn是一类以Mn离子为发光中心的纳米材料，在365 nm紫外光激发下可发出强烈的绿色光（~537 nm）。同时，在停止激发后仍可持续观察到绿色余辉。为了促进PLNPs在甲基丙烯酸甲酯中的聚合，在水热合成过程中加入了配体（聚乙二醇），随后将PLNPs与甲基丙烯酸甲酯（MMA）在二维或三维模具中进行聚合，从而在顺利脱模的同时形成发光的艺术作品。
本方案提供了一种可行的方法，用于PLNP在高显色性方面的水热合成、聚合反应及发光应用。在纳米晶体生长过程中，pH值、温度和化学试剂的任何差异均会影响PLNP纳米结构的尺寸和光学性质。该详细方案旨在帮助该领域的新研究人员提高采用水热法合成PLNP的可重复性，以实现更广泛的应用。

<table><tbody><tr><td>偶氮二异丁腈（99%）</td><td>Macklin</td><td>A800354</td><td>需要进一步纯化</td></tr><tr><td>甲基丙烯酸甲酯（99%）</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>M55909</td><td>需要进一步纯化</td></tr><tr><td>去离子水</td><td>Merck</td><td>ZEQ7016T0C</td><td>Milli-Q&amp;nbsp;Direct Water Purification System</td></tr><tr><td>碱性氧化铝（100-200目）</td><td>Macklin</td><td>A800033</td><td></td></tr><tr><td>&amp;nbsp;氢氧化铵&amp;nbsp;（25%-28%，wt）</td><td>Macklin</td><td>A801005</td><td></td></tr><tr><td>烧杯&amp;nbsp;</td><td>Synthware</td><td>B220100</td><td></td></tr><tr><td>硝酸铬九水合物（99.95%）</td><td>Aladdin</td><td>C116448</td><td></td></tr><tr><td>离心机</td><td>ThermoFisher Scientific</td><td>75004250</td><td></td></tr><tr><td>层析柱</td><td>Synthware</td><td>C184464CR</td><td></td></tr><tr><td>数码相机</td><td>&amp;nbsp;Canon</td><td>EOS M50 Mark II</td><td></td></tr><tr><td>电热恒温干燥箱</td><td>Longyue</td><td>LDO-9036A</td><td></td></tr><tr><td>乙醇（99.7%）</td><td>Greagent</td><td>1158566</td><td></td></tr><tr><td>水合硝酸镓（99.9%）</td><td>Aladdin</td><td>G109501</td><td></td></tr><tr><td>二氧化锗（99.99%）</td><td>Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd</td><td>51009860</td><td></td></tr><tr><td>玻璃棒</td><td>Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd</td><td>91229401</td><td></td></tr><tr><td>X射线粉末衍射仪</td><td>D2 PHASER DESKTOP XRD</td><td>BRUKER</td><td></td></tr><tr><td>硝酸锰（98%）</td><td>Macklin</td><td>M828399</td><td></td></tr><tr><td>甲醇（99.5%）</td><td>Greagent</td><td>1226426</td><td></td></tr><tr><td>硝酸（65.0-68.0%，wt）</td><td>Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd</td><td>10014508</td><td></td></tr><tr><td>pH计</td><td>上海雷磁传感器技术有限公司</td><td>PHS-3C</td><td></td></tr><tr><td>聚乙二醇（300，Mw）</td><td>Adamas</td><td>01050882(41713A)</td><td></td></tr><tr><td>封口膜</td><td>Parafilm</td><td>2025722</td><td></td></tr><tr><td>氢氧化钠（GR）</td><td>Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd</td><td>10019764</td><td></td></tr><tr><td>光谱仪</td><td>Horiba</td><td>Fluorolog-3&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>透射电子显微镜</td><td>JEOL&amp;nbsp;</td><td>JEM-1400 Plus</td><td></td></tr><tr><td>透射电子显微镜</td><td>JEOL</td><td>2100 Plus&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>三角漏斗</td><td>Synthware</td><td>F181975</td><td></td></tr><tr><td>超声波清洗机</td><td>centrifuge</td><td>JP-040S</td><td></td></tr><tr><td>氯化锌（98%）</td><td>Greagent</td><td>01113266/G81783A</td><td></td></tr></tbody></table>

用于可重写显示与照明应用的持久发光纳米颗粒的合成

Synthesis of Persistent Luminescent Nanoparticles for Rewritable Displays and Illumination Applications

持久发光纳米颗粒（PLNPs）即使在激发光源关闭后，仍具备维持长时间发光和强发射的能力。PLNPs 已广泛应用于多个领域，包括信息显示、数据加密、生物成像以及具有持续且鲜明发光效果的艺术装饰，为各类创新科技与艺术项目提供了无限可能。本实验方案聚焦于 PLNPs 的水热合成方法。通过以 Mn2+ 或 Cr3+ 作为发光中心，成功合成了 Zn2GeO4: Mn（ZGO: Mn）和 ZnGa2O4: Cr 等持久发光纳米材料，凸显了该合成方法的普适性。另一方面，通过调节前驱体溶液的 pH 值，可改变 ZGO: Mn 的光学性质，展示了该方案的可调性。当使用波长为 365 nm 的紫外光（UV）照射 3 分钟后关闭光源，PLNPs 能够高效且持续地产生余辉，使其成为制备二维可重写显示器和三维透明发光艺术作品的理想材料。本文所述方案为持久发光纳米颗粒的合成提供了一种可行的方法，有望进一步推动其在照明与成像领域的应用，为科学与艺术领域开辟新的前景。

Zn2GeO4: Mn (ZGO: Mn) 荧光纳米颗粒（PLNPs）的合成示意图见图1。添加两亲性聚合物聚乙二醇（PEG）对无配体的 Zn2GeO4: Mn (ZGO: Mn) 纳米棒进行修饰，以提高其在甲基丙烯酸甲酯（MMA）介质中的溶解性。首先，收集 pH 值为 9.4 的 ZGO: Mn 的透射电子显微镜（TEM）和高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像（图1），随后进行动态光散射（DLS）、zeta 电位测定以及 X 射线衍射（XRD）分析（图2）。对在不同 pH 条件（pH = 6.0、8.0、9.4）下、以 365 nm 激发 3 分钟后，ZGO: Mn 在水溶液中的余辉光谱、时间依赖性衰减曲线，以及光致发光图像和余辉图像进行了表征（图3）。获得了 ZnGa2O4: Cr 的 TEM、XRD、余辉光谱及余辉衰减曲线（图4）。pH 值为 9.4 的 ZGO: Mn 与 MMA 的共聚示意图见图5。将基于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的发光材料（ZGO: Mn-PMMA）用 365 nm 光照射 3 分钟后停止激发，可获得其余辉发射光谱及余辉强度随时间的变化情况。在 2D 或 3D 模具中，使用 365 nm 紫外光激发 3 分钟后，可通过相机捕捉可重写显示和暗处发光艺术加工材料的图像（图5），表明 PLNPs 已成功聚合到 PMMA 基质中，可用于照明应用。
为获得高分辨率透射电子显微镜（TEM）图像，在加速电压为200 kV的透射电子显微镜上进行测量。采用X射线衍射（XRD）系统对PLNPs的XRD数据进行表征。余辉发射光谱及余辉强度随时间的衰减曲线通过荧光分光光度计测定。使用数码相机记录PLNPs以及二维和三维发光材料的光致发光和持久发光图像。
<img alt="纳米颗粒合成过程示意图；pH变化、沉淀物转移；透射电镜图像、晶格测量。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65956/65956fig01.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图1"> 
图1：Zn2GeO4: Mn（ZGO:Mn）光致发光纳米颗粒的合成。（A）ZGO:Mn纳米棒的合成示意图。（B）pH为9.4时ZGO:Mn纳米结构的透射电子显微镜（TEM）图像。比例尺：50 nm。（C）pH为9.4时ZGO:Mn的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像。比例尺：6 nm。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65956/65956fig01large.jpg" target="_blank">请点击此处查看本图的放大版本。</a>
<img alt="水动力直径图、Zeta电位图、XRD图谱；纳米颗粒表征结果。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65956/65956fig02.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图2"> 
图2：功能化Zn2GeO4: Mn纳米结构的合成。（A）Zn2GeO4: Mn-聚乙二醇（ZGO: Mn-PEG）在去离子水中的分散液的动态光散射（DLS）分析，以及拟合的对数正态函数以获得粒径分布。（B）ZGO: Mn-PEG的Zeta电位结果。（C）Zn2GeO4: Mn的X射线衍射（XRD）分析。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65956/65956fig02large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="光致发光光谱、强度衰减；pH影响；荧光比色皿；发射分析。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65956/65956fig03.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图3"> 
图3：ZGO:Mn在水溶液中的表征。（A）ZGO:Mn-PEG在不同pH值（pH = 6.0、8.0、9.4）下经365 nm光照3分钟后产生的余辉发射光谱。（B）ZGO:Mn在水中于537 nm处的时间依赖性余辉衰减曲线（使用365 nm紫外光照射3分钟）。（C）ZGO:Mn纳米棒的光致发光图像。（D）ZGO:Mn的余辉发光衰减图像。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65956/65956fig03large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="纳米颗粒、XRD 和光致发光光谱分析；显微图像、衍射图样、光致发光图表。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65956/65956fig04.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图 4"> 
图 4：水溶液中 ZnGa2O4: Cr 的表征。（A）ZnGa2O4: Cr 纳米颗粒的透射电子显微镜（TEM）图像。比例尺：50 nm。（B）ZnGa2O4: Cr 的 X 射线衍射（XRD）分析。（C）ZnGa2O4: Cr 在 365 nm 激发 3 分钟后的余辉发射光谱。（D）ZnGa2O4: Cr 在水中于 697 nm 处的时间依赖性余辉衰减曲线。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65956/65956fig04large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的高清版本。</a>
<img alt="Zn2GeO4:Mn的聚合过程示意图；光谱分析、光致发光结果。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65956/65956fig05.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图5"> 
图5：用于可重写显示和三维照明应用的PLNPs。（A）pH为9.4的ZGO:Mn与甲基丙烯酸甲酯（MMA）之间共聚反应的示意图。（B）ZGO:Mn-PMMA在365 nm光照3分钟后产生的余辉发射光谱。（C）ZGO:Mn-PMMA在537 nm处的余辉强度随时间变化的情况（以365 nm紫外光照射3分钟激发）。（D）通过紫外光照射实现的可重写显示与数据存储的光激活余辉。（E）透明三维鸭形样品中含有ZGO:Mn-PMMA，在紫外照射后的发光照片。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65956/65956fig05large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>

本文介绍了一种用于合成持久发光纳米材料（PLNPs）的方案，并展示了其在可重写显示和艺术加工中的潜在应用，这些应用利用了在紫外光（365 nm）照射下的余辉效应。

长余辉纳米颗粒（PLNPs）即使在激发停止后，仍具有维持长时间发光和强发射的能力……

我们的研究致力于开发功能性纳米材料。基于精确的生物技术，我们旨在利用具有发光、热学、磁性和声学特性的纳米复合材料，以微创且高度选择性的方式实现生物成像、疾病治疗及生理功能调控。我们已证明，以刚性骨架聚合物聚甲基丙烯酸甲酯作为基质时，纯多环芳烃可表现出稳定且极长的磷光寿命，展现出纯有机、室温磷光特性。我们预期本实验方案不仅能够为长余辉成像纳米材料的水热合成提供详细的实验步骤，还能介绍一种将长余辉发光纳米颗粒与甲基丙烯酸甲酯（MMA）共聚的方法，从而进一步实现紫外光调控的可重写及发光应用。由于水热合成法制备的长余辉发光纳米颗粒需要相对较高的反应温度，可能限制其在某些温度敏感物质中的应用。因此，合成方法的选择应根据具体的应用需求而定。本实验室的主要研究方向包括温度敏感型发光材料的开发、用于显微温度监测的纳米探针、免疫细胞、用于免疫成像与治疗的特异性纳米复合材料，以及新型声响应和磁响应材料的构建。首先，取5 mL去离子水，并加入10 mmol的氢氧化钠。然后向氢氧化钠溶液中加入2 mmol的二氧化锗，以制备锗酸钠溶液，并在室温下搅拌约30分钟。接下来，将四毫摩尔的氯化锌、0.01毫摩尔的硝酸锰和600微升的硝酸加入22毫升去离子水中，并搅拌至完全溶解。然后，缓慢将原硅酸钠溶液加入上述制备的溶液中，并加入1毫升聚乙二醇。随后，将校准好的pH计探头放入溶液中，以监测pH值。逐滴向溶液中加入质量分数为25%至28%的氢氧化铵，调节pH至6.0、8.0或9.4。用封口膜盖住烧杯，在室温下以恒定转速搅拌溶液一小时。随后，将溶液转移至聚四氟乙烯容器中进行高压灭菌，并置于电热恒温干燥箱中，在220摄氏度下处理四小时。反应结束后，关闭烘箱并让系统冷却至室温。取出反应器之前，缓慢打开反应器，将反应溶液转移至250毫升离心管中。用40毫升乙醇冲洗反应器，并将乙醇转移至离心管中。然后将溶液涡旋振荡30秒。在室温下以4,000 G离心15分钟，弃去上清液。接着向每根试管中加入10毫升去离子水，超声处理5分钟以重新分散产物。向每根试管中加入20毫升乙醇，涡旋振荡30秒以充分混匀。重复离心步骤，并弃去上清液。将产物用超声处理5分钟，使其分散于2毫升甲醇溶液中，密封后于4摄氏度保存样品。透射电子显微镜（TEM）图像显示，pH为9.4的锌锗酸锰PLMPs呈棒状，平均直径约为65纳米。高分辨率透射电子显微镜图像表明，该纳米材料具有良好的结晶性，晶格间距为0.70纳米。锌锗酸锰溶液的余辉可见光发射光谱显示，当前驱体溶液由酸性变为碱性时，PLNPs的主发射峰出现红移。此外，pH值对余辉强度随时间衰减曲线有影响。PMPs 的光致发光图像和余辉图像显示，随着溶液碱性的增强，溶液表现出更明亮的绿色发光。首先，将水浴温度设置为80摄氏度。将20克甲基丙烯酸（MMA）加入一个干燥的100毫升梨形瓶中。将预先配制的pH为9.4的甲醇溶液（含锌、锗酸锰）加入反应容器中。密封反应体系以防止溶剂挥发。将容器置于超声波振荡器中，在室温下处理约10分钟，使样品溶解于MMA中。随后，向溶液中加入0.012克偶氮二异丁腈，并充分混合。将烧瓶放入80°C的水浴中，并用氮气吹扫空气约35分钟。在反应接近结束时，轻轻摇动容器。反应结束后立即将反应容器转移至冰浴中冷却。然后缓慢将溶液倒入二维或三维模具中。将模具放入设定为特定温度的电热恒温干燥箱中，以获得目标材料。反应结束后，关闭电热恒温干燥箱，待其自然冷却至室温。必须在充分冷却后才能打开干燥箱取出模具，以防烫伤皮肤。小心脱模已聚合的PMMA样品，并将其暴露于紫外灯下约三分钟。

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Chemistry

化学

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