CN101205461A - 镧系掺杂氟化物发光纳米微粒的原位表面修饰方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种镧系掺杂氟化物发光纳米微粒的原位表面修饰方法。本发明涉及的材料由无机纳米微粒以及表面包覆层组成，其中无机纳米微粒为镧系离子掺杂的氟化物，表面包覆层为具有亲水、生物相容(无细胞毒性)、且含有氨基或羧基等化学官能团的高分子材料。制备方法采用室温共沉淀法或水热法。采用本发明制备的发光纳米微粒性能稳定、具有非常优良的光学性能和生物相容性，能广泛应用于生物标记等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种镧系掺杂氟化物发光纳米微粒的原位表面修饰方法。
背景技术
生物学研究的一个主要目标就是在细胞、组织和活体等不同层面上认识生物分子间复杂的时空相互作用，研究这些作用的一个有效手段就是引入外来发光标记材料进行体内细胞呈像和体外分析检测等。在过去几十年中，发光标记材料极大的促进了生物学研究的进步和发展，而这些进展反过来对发光标记材料也提出了越来越高的要求，因此长期以来不断开发新的、性能更好的新型发光标记材料也一直都是一个热点研究方向。经过多年发展，发光标记材料得到了极大的丰富和发展，除了早期的有机大分子类发光物质以及由其发展形成的复合发光微球，新型半导体纳米晶(量子点)也已被成功应用与生物标记。近年来，考虑到镧系掺杂发光纳米微粒具有化学稳定性好、毒性低、发光效率高、Stokes位移大、不会光漂泊(Photobleaching)和闪烁(间歇性发光，Blinking)等一系列特点，这类材料也已被发展成为一类新型的具有巨大发展前景的生物发光标记材料。
生物标记实验大多在水溶液中进行，因此要求纳米微粒必须具有亲水的表面；另外，实验中常常需要在纳米微粒表面连接上蛋白质、抗体/抗原或生物素等生物分子，以便使其选择性地结合到细胞或生物组织中的特定部位对其进行成像，这又要求纳米微粒表面具有一定的化学官能团；此外，在活细胞或活生物体标记实验中，还要进一步保证纳米微粒具备生物相容性(即没有细胞毒性)。镧系掺杂发光纳米微粒通常都不具备上述性质，目前常用的方法是在纳米微粒合成好之后，通过表面化学修饰赋予其相应的物理化学性质。然而，由于表面化学修饰方法极大地依赖于待修饰微粒的初始表面物理化学属性，包覆之前一般要对微粒表面进行预处理，或使用特殊的包覆原料，因此包覆工艺通常比较复杂且费时费力。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述缺点，提供一种简单易行的生物标记用镧系掺杂氟化物发光纳米微粒的原位表面修饰方法。
本发明的原理是在制备纳米微粒的初始反应溶液中加入表面包覆剂，利用表面包覆剂与金属离子的作用在纳米微粒的生长过程中使表面包覆剂原位结合在纳米微粒表面，形成表面包覆层，最终赋予纳米微粒相应的物理化学性质。
本发明的镧系掺杂氟化物发光纳米微粒的原位表面修饰方法，包括以下步骤：
1)将具有亲水和生物相容性的含氨基或羧基化学官能团的高分子材料溶于盐酸、水或乙醇中，配制质量浓度为0.5-5％的表面包覆剂溶液；
2)向表面包覆剂溶液中加入稀土氯化物以及镧系氯化物，稀土氯化物∶镧系氯化物∶表面包覆剂的重量比为60～93∶2～20∶5～20，搅拌10-30分钟后，再加入NH4F，稀土氯化物+镧系氯化物∶NH4F的摩尔比为1∶3或1∶2，调节混合液的pH值在5-7之间；
3)将步骤2)制得的混合液在敞开体系下加热到60-95℃保温1-5小时或置于密闭容器中加热到150-230℃保温20-30小时，反应过程需要持续对反应溶液进行搅拌，反应完毕过滤或离心分离，并经反复洗涤，即可。
上述的含氨基的高分子材料可以为聚乙烯亚胺，含羧基的高分子材料可以是壳聚糖。
所说的稀土氯化物可以是LaCl3、GdCl3或YCl3中的一种，或者是LaCl3、GdCl3、YCl3分别与NaCl按摩尔比1∶1的混合物。
镧系氯化物可以是CeCl3、TbCl3、EuCl3、SmCl3、NdCl3、TmCl3、YbCl3、ErCl3或DyCl3中的一种或几种。
本发明的有益效果在于：
1)制备过程简单易行，快速方便。
2)适用范围广，能适应具有不同组成的镧系掺杂发光纳米微粒的表面修饰，通过改变镧系掺杂发光纳米微粒的组成可获得具有不同光学性质的发光纳米微粒，以适应不同的生物标记需要。
3)表面包覆层为具有亲水、生物相容(无细胞毒性)、且含有氨基或羧基等化学官能团的高分子材料。通过改变包覆剂的成分能适应不同的合成环境。
附图说明
图1是Nd3+掺杂LaF3纳米颗粒在980nm激发下的发射光谱。
具体实施方式
实施例1：
1)按质量比1∶100将固态的壳聚糖(Chitosan)加入到0.05M的盐酸溶液中，每隔一段时间摇晃一次，两天后，得澄清的壳聚糖溶液。用去离子水将壳聚糖液稀释一倍。配制质量浓度为0.5％的表面包覆剂溶液；
2)向100ml壳聚糖溶液中加入9.3克LaCl3和0.2克NdCl3，搅拌10分钟后，再加入NH4F，使LaCl3+NdCl3∶NH4F的摩尔比为1∶3，并用稀氨水调节混合液的pH值为6.5左右；
3)将步骤2)制得的混合液在敞开体系下加热到95℃保温1小时，反应过程中持续进行磁力搅拌。反应结束后，将所得样品离心分离，先用0.5％的乙酸溶液洗涤一次，然后再用去离子水洗涤3次，得到壳聚糖包覆的镧系Nd离子掺杂的LaF3发光纳米微粒。附图1所示为Nd3+掺杂LaF3纳米颗粒在980nm激发下的发射光谱，呈现了明显的红外发光，激发位置和主要发射峰都位于近红外区域，非常适用于超灵敏的生物检测和生物呈像。
以EuCl3、CeCl3、TbCl3或NdCl3等作为镧系氯化物，制备壳聚糖包覆的镧系离子掺杂的LaF3纳米微粒，可以产生从可见到近红区域的发光，能适用于多种不同的生物标记。
实施例2：
1)按质量比5∶100将粘稠的聚乙烯亚胺(Polyethylenimine)溶于去离子水制成粘度较低的溶液。制备样品时，首先用乙醇将聚乙烯亚胺溶液稀释五倍，配制质量浓度为1％的表面包覆剂溶液；
2)向100ml聚乙烯亚胺溶液中加入8克NaCl+YCl3(NaCl∶YCl3摩尔比为1∶1)和1克ErCl3+YbCl3(ErCl3∶YbCl3摩尔比为1∶5)，搅拌10分钟后，再加入NH4F，使NaCl+YCl3+ErCl3+YbCl3∶NH4F的摩尔比为1∶2，并用稀氨水调节混合液的pH值为6.5左右；
3)将步骤2)制得的混合液转移到高压反应釜内加热到150℃保温30小时，反应过程中持续搅拌。反应结束后，将所得样品离心分离，分别用去离子水和乙醇洗涤数次，即可得到聚乙烯亚胺包覆的Er3+和Yb3+掺杂的NaYF4纳米微粒。
由于NaYF4晶体比较容易实现上转换发光，制备过程中以YbCl3、ErCl3、和TmCl3等作为镧系氯化物，可以制备出掺杂不同离子对的聚乙烯亚胺包覆的NaYF4纳米微粒(NaYF4:Yb3+，Er3+和NaYF4:Yb3+，Tm3+)这些纳米微粒在600mW近红外二极管激光器的激发下就能产生明亮的黄绿色和蓝色上转换发光，非常适用于上转换生物检测和活体生物呈像。
实施例3：
1)按质量比5∶100将粘稠的聚乙烯亚胺(Polyethylenimine)溶于去离子水制成粘度较低的溶液。制备样品时，首先用乙醇将聚乙烯亚胺溶液稀释五倍，配制质量浓度为1％的表面包覆剂溶液；
2)向200ml聚乙烯亚胺溶液中加入6克NaCl+GdCl3(NaCl∶YCl3摩尔比为1∶1)和2克CeCl3+EuCl3(CeCl3∶EuCl3摩尔比为2∶1)，搅拌10分钟后，再加入NH4F，使NaCl+GdCl3+CeCl3+EuCl3∶NH4F的摩尔比为1∶2，并用稀氨水调节混合液的pH值为6.5左右；
3)将步骤2)制得的混合液转移到高压反应釜内加热到230℃保温20小时，反应过程中持续搅拌。反应结束后，将所得样品离心分离，分别用去离子水和乙醇洗涤数次，即可得到聚乙烯亚胺包覆的Ce3+和Eu3+掺杂的NaGdF4纳米微粒。
由于NaGdF4晶体比较有利于实现能量传递，因此比较适合用作敏化发光的基质材料。制备过程中以CeCl3、TbCl3、EuCl3、SmCl3、和DyCl3等作为镧系氯化物，可以制备出掺杂不同离子对的聚乙烯亚胺包覆的NaGdF4纳米微粒(NaGdF4:Ce3+，Tb3+、NaGdF4:Ce3+，Eu3+、NaGdF4:Ce3+，Sm3+、和NaGdF4:Ce3+，Dy3+)，当这些纳米微粒中的Ce3+离子受到激发后，能够通过基质晶格的辅助作用将激发能量传递给不同的激活离子(Tb3+、Eu3+、Sm3+、Dy3+)而引发后者的发光，因此在单一波长(254nm)紫外光的激发下，掺杂不同镧系激活离子的样品能够发射出具有不同颜色的明亮可见发光，非常适用于多色生物标记。
Claims (4)
1.镧系掺杂氟化物发光纳米微粒的原位表面修饰方法，其特征是包括以下步骤：
1)将具有亲水和生物相容性的含氨基或羧基化学官能团的高分子材料溶于盐酸、水或乙醇中，配制质量浓度为0.5-5％的表面包覆剂溶液；
2)向表面包覆剂溶液中加入稀土氯化物以及镧系氯化物，稀土氯化物∶镧系氯化物∶表面包覆剂的重量比为60～93∶2～20∶5～20，搅拌10-30分钟后，再加入NH4F，稀土氯化物+镧系氯化物∶NH4F的摩尔比为1∶3或1∶2，调节混合液的pH值在5-7之间；
3)将步骤2)制得的混合液在敞开体系下加热到60-95℃保温1-5小时或置于密闭容器中加热到150-230℃保温20-30小时，反应过程需要持续对反应溶液进行搅拌，反应完毕过滤或离心分离，并经反复洗涤，即可。
2.根据权利要求1所述的镧系掺杂发光纳米微粒的原位表面修饰方法，其特征是所说的含氨基的高分子材料为聚乙烯亚胺，含羧基的高分子材料为壳聚糖。
3.根据权利要求1所述的镧系掺杂发光纳米微粒的原位表面修饰方法，其特征是所说的稀土氯化物为LaCl3、GdCl3或YCl3中的一种，或者是LaCl3、GdCl3、YCl3分别与NaCl按摩尔比1∶1的混合物。
4.根据权利要求1所述的镧系掺杂发光纳米微粒的原位表面修饰方法，其特征是所说的镧系氯化物为CeCl3、TbCl3、EuCl3、SmCl3、NdCl3、TmCl3、YbCl3ErCl3或DyCl3中的一种或几种。
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