CN102199428A

CN102199428A - 基于稀土掺杂的上转换纳米晶体的荧光编码微球及其制备方法

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Publication number: CN102199428A
Application number: CN2011100890813A
Authority: CN
Inventors: 张凡
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2011-04-11
Filing date: 2011-04-11
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2031-04-11
Also published as: CN102199428B

Abstract

本发明属于纳米生物材料技术领域，具体为基于稀土掺杂的上转换纳米晶体的荧光编码微球及其制备方法。根据不同稀土离子掺杂的上转换材料在红外光源激发下发出不同波长的荧光原理，本发明以不同波长的发射荧光的强度比作为荧光编码。即在纳米晶体合成过程中通过改变稀土离子掺杂的种类和掺杂量，改变荧光编码的数量，或者通过控制微球载体材料中不同种类上转换纳米晶体的比例来调节荧光编码。本发明可以进一步提高检测的灵敏度和检测数量，多个不同颜色的荧光报告分子可以同时使用。本发明的编码微球在基因表达、蛋白质间相互作用、生物样品高通量筛选、多通道生物学检测、疾病诊断和组合化学等方面具有广阔的应用前景。

Description

基于稀土掺杂的上转换纳米晶体的荧光编码微球及其制备方法

技术领域

本发明属于纳米生物材料技术领域，具体涉及一种基于红外上转换纳米晶体的荧光编码微球及其制备方法。

背景技术

自从人类基因组解码开始，研究人员一直期望从各类复杂生物体系中的生物样品获得更多的信息，从而为疾病的诊断和治疗提供更多的科学依据。生物分析、疾病诊断和生物医药研究领域需要蛋白和基因靶向识别的更多信息。而多重检测实现了核酸和蛋白的快速信号识别。然而目前所采用的多重检测手段都是基于多孔板技术的多重检测。尽管这项技术已经得到了广泛的应用，但是日益增大的高通量检测需求需要更加先进的多重检测手段来满足。而近年来出现的荧光编码微球技术^[41]，即悬浮阵列技术，由于在流式细胞仪等检测仪器中具有更好的流动性，并且具有在单位体积内能够提供更多分析识别位点的优势，因此在生物多元分析、基因表达、疾病诊断、药物高通量筛选和组合化学等发面都具有很好的应用前景。

荧光编码微球是在微米级的微球内部装入精确比例的不同发光波长的荧光染料或者量子点纳米晶，由不同的荧光强度与波长构成多个荧光编码的微球系列，每组编码微球具有一个唯一的光谱编码，用以对分析物进行定性。在编码树脂表面接上探针，如DNA或抗体，将在编码波长区以外的另一波长下发光的荧光物质标记于靶DNA或目标抗原，根据杂交原理检测互补的DNA的序列，或根据免疫特异性相互作用原理检测各种抗原，用以对分析物进行定量。将不同编码微球混合后顺序通过检测器，就可以同时获得微球的编码信号与连接于微球上的生物物质的浓度信号，实现生物物质的高度集成的、高通量、多组分同时在线检测。该技术可将编码、分离富集纯化、生化反应、结果检测等过程缩微到很小的树脂球上完成，因此被称为树脂球上的实验室（Lab-on-a-bead），或“液态生物芯片”。是一种比固态生物芯片更简便、灵活与廉价的方法。

目前的制备方法为了达到多色编码的目的，首先要制备得到发射波长不同的多种荧光染料或者量子点材料，然后再将他们按照比例包埋于交联的高分子聚合物微球当中。因此制备过程的工作量非常巨大，并且在包埋的过程中经常会有偏差进而导致最终产物的荧光编码值和最初的设计值偏差较大。由于有机荧光染料和量子点的荧光发射峰较宽，相互之间重叠严重，随着样品数量的增多其精确性也就开始下降。此外，在多重检测过程中除了荧光编码微球外还需要荧光报告分子来对检测物质进行识别，大多数报告分子也是使用了有机荧光染料，而在检测过程中有机报告分子的发射峰如果和荧光编码微球的发射峰又重叠的话，会极大的干扰测试结果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备工艺简单、可用于多重检测且检测精度高的荧光编码微球及其制备方法。

本发明提供的荧光编码微球，是一种稀土掺杂的上转换纳米晶体的红外上转换荧光编码微球。其中，上转换材料主要是掺杂稀土元素的无机固体化合物，利用稀土元素的亚稳态能级特性，可以吸收多个低能量的长波辐射，经多光子加和后发出高能的短波辐射，从而可将近红外激发光转变为近红外光以及可见光区的发射光。而红外光的长波长光子不易被生物分子吸收，对生物分子的光毒性减少，此外该类材料还具有吸光度大、化学稳定性高以及生物毒性低等优点，因此对生物应用具有重要的意义。

在上转换材料中，掺杂的稀土离子部分地取代氧化物或氟化物基质材料的阳离子，掺杂的稀土离子包括敏化离子和激活离子。其中以掺杂离子Er³⁺（摩尔含量0.01%~10%）、Tm³⁺ （摩尔含量0.01%~10%）、Ho³⁺（摩尔含量0.01%~10%）、 Nd³⁺ （摩尔含量0.01%~10%）、Pr³⁺（摩尔含量0.01%~10%）、 Dy³⁺（摩尔含量0.01%~10%）中的一种或者几种作为激活离子。以Yb³⁺（摩尔含量0.1%~60%）为敏化剂。在红外光源（800nm~1600nm）的照射下稀土掺杂的上转换材料由于稀土激活离子的能级跃迁可以发出不同波长的可见光、紫外光或者红外光。

本发明涉及的上转换纳米晶体的基质材料包括：氟化物（如CaF₂，BaF₂，LaF₃，YF₃，ZnF₂，NaYF₄，LiYF₄，KYF₄，BaYF₄，NaGdF₄，或NaLuF₄等），氧化物（如La₂O₃, Y₂O₃, Gd₂O₃, 或Lu₂O₃等）, 硫氧化物（如Y₂O₂S, CaS₂, 或La₂S₃等）和卤化物（如Cs₃Lu₂Br₉等）。

本发明荧光编码微球的载体材料可以选择惰性材料，如高分子聚合物（如聚苯乙烯等）、多孔氧化硅、多孔玻璃微球或多孔陶瓷等。

本发明的荧光编码微球制备方法如下：

对于稀土氟化物上转换纳米晶体的制备，可采用高温溶剂分解法或水热法。高温溶剂分解法是采用油酸、油氨、三正辛基氧膦（TOPO）或十八烯为高温溶剂，稀土原料可以采用稀土氯化物（如YCl₃，YbCl₃，ErCl₃，TmCl₃，GdCl₃，或LaCl₃等），稀土三氟乙酸盐（如Y(CF₃COO)₃，Yb(CF₃COO)₃，Er(CF₃COO)₃Tm(CF₃COO)₃，Gd(CF₃COO)₃，或La(CF₃COO)₃等），稀土硝酸盐（如Y(NO₃)₃，Yb(NO₃)₃，Er(NO₃)₃，Tm(NO₃)₃，Gd(NO₃)₃，或La(NO₃)₃等），或者稀土醋酸盐（如Y(Ac)₃，Yb(Ac)₃，Er(Ac)₃，Tm(Ac)₃，Gd(Ac)₃，或La(Ac)₃等）；反应物可以选择氟化铵氟化钠或者氟化钾。在280--320℃温度（优选反应温度为300℃）、氮气气氛下反应0.8—1.2小时（优选反应时间为1小时），得到分散性和均匀性较好的上转换氟化物纳米晶体。此外可以利用同样的稀土原料和反应物，以油酸、乙醇或水为溶剂，在160--200℃温度（优选反应温度为180℃）条件下，水热反应，制备得所述上转换氟化物纳米晶体。

对于稀土氧化物纳米晶体的制备，可以采用高温溶剂分解法或共沉淀法。高温溶剂分解法是采用油酸，或十八烯为高温溶剂，稀土原料可以采用稀土醋酸盐（如Y(Ac)₃，Yb(Ac)₃，Er(Ac)₃，Tm(Ac)₃，Gd(Ac)₃，或La(Ac)₃），在280--320℃温度（优选反应温度为300℃）、氮气气氛下反应小时（优选反应时间为1小时），得到分散性和均匀性较好的上转换氧化物纳米晶体。此外，共沉淀法可以利用稀土氯化物（如YCl₃，YbCl₃，ErCl₃，TmCl₃，GdCl₃，或LaCl₃），稀土硝酸盐（如Y(NO₃)₃，Yb(NO₃)₃，Er(NO₃)₃，Tm(NO₃)₃，Gd(NO₃)₃，或La(NO₃)₃），或者稀土醋酸盐（如Y(Ac)₃，Yb(Ac)₃，Er(Ac)₃，Tm(Ac)₃，Gd(Ac)₃，或La(Ac)₃）为原料，利用氨水、尿素或氢氧化钠等碱性反应物作用生成氧化稀土前驱体，然后通过600℃--800℃焙烧，得到上转换氧化物纳米晶体。

对于稀土硫氧化物纳米晶体的制备，类似于稀土氧化物纳米晶体的制备，可以采用高温溶剂分解法和共沉淀法。区别在于在高温热分解反应过程中引入硫粉或者Na₂S等硫源。而对于稀土卤化物上转换纳米晶体的制备，可以采用卤化物原料混合焙烧的方法来制备。

荧光编码微球的载体材料可以选择高分子聚合物（如聚苯乙烯等）、多孔氧化硅、多孔玻璃微球或多孔陶瓷等惰性材料。材料的选择要保证不影响上转换材料的发光性质。

对于高分子聚合物微球，可以采用亲水或者疏水溶剂溶胀的方法，将上转换纳米晶体引入微球中形成多色编码微球。对于多孔氧化硅、多孔玻璃微球以及多孔陶瓷等惰性材料可以直接将纳米晶体通过浸渍的方法引入到载体中，形成多色编码微球。

不同稀土离子掺杂的上转换材料在红外光源激发下发出不同波长的荧光，以不同波长的发射荧光的强度比作为荧光编码。在纳米晶体合成过程中通过改变稀土离子掺杂的种类和掺杂量可以改变荧光编码的数量。也可以通过控制微球载体材料中不同种类上转换纳米晶体的比例来调节荧光编码的数量。对于多色编码微球，其编码的数量可以根据发射荧光的种类（即不同颜色的荧光）和发射强度料调整，通常m种颜色，n中强度的体系可以形成（n^m-1）个编码。例如3种颜色10个强度的编码体系可以形成（10³-1），即999个编码信号。

红外光激发产生的荧光编码不会与可见光激发的荧光报告分子发生重叠，从而可以进一步提高检测的灵敏度和检测数量，多个不同颜色的荧光报告分子可以同时使用。本发明的编码微球在基因表达、蛋白质间相互作用、生物样品高通量筛选、多通道生物学检测、疾病诊断和组合化学等方面具有广阔的应用前景。

附图说明

图1.（A）NaYF₄: Yb/Ho/Tm 上转换纳米晶负载荧光编码微球，Yb掺杂量为20 mol%, Tm 掺杂量为0.2 mol%，Ho 掺杂量分别为：2.0 mol% (i), 1.5 mol% (ii), 1.0 mol% (iii), 0.5 mol% (iv) 和0.2 mol% (v); (B) 不同波长发射的绝对强度比和相对强度比用于荧光编码，如图(C)中所示相对强度比（365）、（687）和（677）为不同的荧光编码。

图2. 980nm红外激光激发下10种不同上转换荧光编码材料。其中，(a) NaYF₄: Yb/Tm(20 mol%/0.2 mol %), (b-f) NaYF₄: Yb/Ho/Tm(Yb = 20 mol%, Tm = 0.2 mol %, Ho 分别= 0.2 mol %, 0.5 mol %, 1.0 mol %, 1.5 mol %, 2.0 mol %), (g-j) NaYF₄: Yb/Ho (Yb 分别=20, 30, 40, 60/2.0 mol %,)。

图3. NaYF₄: Yb/Ho/Tm, NaYF₄: Yb/Ho和NaYF₄: Yb/Tm上转换荧光编码微球双光子荧光共聚焦显微镜图像（这里NaYF₄: Yb/Ho/Tm, NaYF₄: Yb/Ho和NaYF₄: Yb/Tm的表示方法是通用的表示方法，其中不同元素的参杂量改变，颜色会不同，图中微球是多色微球得混合，由软件区分，该图只是证明多色微球可以被显微镜识别）。

图4. 上转换荧光编码微球中纳米晶体数量与红、蓝、绿三种颜色发射强度的对应关系。

具体实施方式

实施例1：NaYF₄: 0.2 mol % Yb/0.2 mol % Ho/0.2 mol % Tm上转换纳米晶制备。具体步骤如下：

（1）取50 mL三口圆底烧瓶为反应容器，首先加入 1mmol CF₃COONa、0.4mmol Y(CF₃COO)₃、0.14mmol Yb(CF₃COO)₃、0.011mmol Ho(CF₃COO)₃以及0.011mmol Tm(CF₃COO)₃；随后加入10g 三正辛基氧膦（TOPO）。

（2）将步骤（1）中反应物搅拌加热至120^oC，真空脱水脱氧30分钟，最终得到透明混合溶液。

（3）将反应物在高纯氩气保护下以10^oC/min的速度升温至340^oC后保温反应1小时。

（4）将反应物冷却至50^oC后加入乙醇使产物从溶液中沉淀析出，随后离心，使用无水乙醇反复洗涤3-5次后得到产物。

此外，利用同样的合成方法可以制备NaYF₄: Yb，Er，Tm；NaYF₄: Yb，Pr，Tm；NaYF₄: Yb，Ho，Tm，Pr，Er；NaYF₄: Yb，Tm/Er/Tm等双掺杂或者多掺杂的稀土上转换纳米晶体。基质材料可以是CaF₂，BaF₂，LaF₃，YF₃，ZnF₂，NaYF₄，LiYF₄，KYF₄，BaYF₄，NaGdF₄，或NaLuF₄。

实施例2：NaYF₄: 0.2 mol % Yb/0.2 mol % Er/0.2 mol % Tm上转换纳米晶的制备。具体步骤如下：

（1）取50 mL三口圆底烧瓶为反应容器，首先加入0.4mmol YCl₃、0.14mmol YbCl₃、0.011mmol ErCl₃以及0.011mmol TmCl₃；随后加入10g 油酸（OA），10g 十八烯（ODE）。

（3）将2.25 mmolNH₄F溶解于5mL甲醇溶液中混合并且注入上述反应溶液中进行反应。连续搅拌20分钟后，将反应物在高纯氩气保护下以10^oC/min的速度升温至340^oC后保温反应1小时。

此外，利用同样的合成方法可以制备NaYF₄: Yb，Ho，Tm；NaYF₄: Yb，Pr，Tm；NaYF₄: Yb，Ho，Tm，Pr，Er；NaYF₄: Yb，Tm/Er/Tm等双参杂或者多参杂的稀土上转换纳米晶体。基质材料可以是CaF₂，BaF₂，LaF₃，YF₃，ZnF₂，NaYF₄，LiYF₄，KYF₄，BaYF₄，NaGdF₄，或NaLuF₄。

实施例3：Y₂O₃: 0.2 mol % Yb/0.2 mol % Er/0.2 mol % Tm上转换纳米晶制备。具体步骤如下：

（1）取50 mL三口圆底烧瓶为反应容器，首先加入0.4mmol Y(Ac)₃、 0.14mmol Yb(Ac)₃、0.011mmol Er(Ac)₃以及0.011mmol Tm(Ac)₃；随后加入10g 油酸（OA），10g 十八烯（ODE）。

此外，利用同样的合成方法可以制备Y₂O₃: Yb，Ho，Tm； Y₂O₃: Yb，Pr，Tm； Y₂O₃: Yb，Ho，Tm，Pr，Er； Y₂O₃: Yb，Tm/Er/Tm等双掺杂或者多掺杂的稀土上转换纳米晶体。基质材料可以是La₂O₃, Y₂O₃, Gd₂O₃, 或Lu₂O₃。

实施例4：Y₂O₃: 0.2 mol % Yb/0.2 mol % Er/0.2 mol % Tm上转换纳米晶的制备。具体步骤如下：

（1）取50 mL三口圆底烧瓶为反应容器，首先加入0.4mmol YCl₃、0.14mmol YbCl₃、0.011mmol ErCl₃以及0.011mmol TmCl₃；随后加入尿素5g。

（2）将步骤（1）中反应物常温搅拌30分钟，转入封口玻璃瓶中，随后放入90 ^oC烘箱中反应2小时。

（3）将反应物冷却至50^oC后离心，使用无水乙醇反复洗涤3-5次后得到产物。

（4）将产物干燥后600 ^oC空气气氛下焙烧5小时得到产物。

实施例5：Y₂O₂S: 0.2 mol % Yb/0.2 mol % Er/0.2 mol % Tm上转换纳米晶的制备。具体步骤如下：

（4）将干燥产物与1g 硫粉混合后600 ^oC空气气氛下焙烧5小时得到产物。

此外，利用同样的合成方法可以制备Y₂O₂S: Yb，Ho，Tm； Y₂O₃: Yb，Pr，Tm； Y₂O₂S: Yb，Ho，Tm，Pr，Er； Y₂O₂S: Yb，Tm/Er/Tm等双掺杂或者多掺杂的稀土上转换纳米晶体。基质材料可以是Gd ₂O₂S, 或Lu₂O₂S。

实施例6：NaYF₄: 0.2 mol % Yb/0.2 mol % Ho/0.2 mol % Tm上转换纳米晶负载荧光编码微球制备。

羧酸基团表面修饰的聚苯乙烯微球（直径5 μm）为载体。将亲油性的NaYF₄: Yb/Ho/Tm纳米晶体与5%（vol/vol）氯仿和95%（vol/vol）正丁醇混合溶液配制浓度为10 Nm溶液。取10 μL该溶液与溶解在10 mL正丁醇溶液中的100万聚苯乙烯微球混合，搅拌30分钟后分离取出微球，并且使用无水乙醇反复洗涤得到产物。该方法是利用高分子微球溶胀现象将NaYF₄: Yb/Ho/Tm纳米晶体均匀的负载到微球中形成上转换荧光编码微球。

实施例7：亲水性Y₂O₃: 0.2 mol % Yb/0.2 mol % Er/0.2 mol % Tm上转换纳米晶负载荧光编码微球制备。

多孔氧化硅或者玻璃微球（直径5 μm，孔径大小为200nm）为载体。Y₂O₃: 0.2 mol % Yb/0.2 mol % Er/0.2 mol % Tm纳米晶体与与乙醇溶液配制浓度为10 Nm溶液。取10 μL该溶液与溶解在10 mL乙醇的100万多孔氧化硅微球混合，搅拌30分钟后分离取出微球，待乙醇挥发彻底后得到产物。

Claims

1.一种基于稀土掺杂上转换纳米晶体的红外上转换荧光编码微球，其特征在于掺杂的稀土元素包括敏化离子和激活离子；其中，激活离子为Er³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺、 Nd³⁺、Pr³⁺、 Dy³⁺ 中的一种或者几种；敏化离子为Yb³⁺；Er³⁺的摩尔含量为0.01%~10%，Tm³⁺的摩尔含量为0.01%~10%，Ho³⁺的摩尔含量为0.01%~10%， Nd³⁺ 的摩尔含量为0.01%~10%，Pr³⁺的摩尔含量为0.01%~10%， Dy³⁺的摩尔含量为0.01%~10%，Yb³⁺的摩尔含量为0.1%~60%；

转换纳米晶体的基质材料包括：氟化物、氧化物,、硫氧化物或卤化物；其中，氟化物为：CaF₂，BaF₂，LaF₃，YF₃，ZnF₂，NaYF₄，LiYF₄，KYF₄，BaYF₄，NaGdF₄，或NaLuF₄；氧化物为：La₂O₃, Y₂O₃, Gd₂O₃, 或Lu₂O₃ ；硫氧化物为Y₂O₂S, CaS₂, 或La₂S₃，卤化物为Cs₃Lu₂Br₉。

2.根据权利要求1所述的荧光编码微球，其特征在于荧光编码微球的载体材料为惰性材料，该惰性材料选自高分子聚合物、氧化硅和陶瓷。

3.一种如权利要求1所述的荧光编码微球的制备方法，其特征在于：

（1）对于稀土氟化物上转换纳米晶体，用高温溶剂分解法或水热法制备；

所述高温溶剂分解法，是采用油酸、油氨、三正辛基氧膦或十八烯为高温溶剂，稀土原料采用稀土氯化物，稀土三氟乙酸盐，稀土硝酸盐，或者稀土醋酸盐；反应物选择氟化铵、氟化钠或者氟化钾；在280--320℃温度、氮气气氛下反应0.8—1.2小时，即得到分散性和均匀性较好的上转换氟化物纳米晶体；所述水热法是采用所述高温溶剂分解法同样的稀土原料和反应物，以油酸、乙醇或水为溶剂，在160--200℃温度条件下，水热反应，制备得所述上转换氟化物纳米晶体；其中，

所述稀土氯化物为：YCl₃，YbCl₃，ErCl₃，TmCl₃，GdCl₃，或LaCl₃；

所述稀土三氟乙酸盐为：Y(CF₃COO)₃，Yb(CF₃COO)₃， Er(CF₃COO)₃，Tm(CF₃COO)₃，Gd(CF₃COO)₃，或La(CF₃COO)₃；

所述稀土硝酸盐为：Y(NO₃)₃，Yb(NO₃)₃，Er(NO₃)₃，Tm(NO₃)₃，Gd(NO₃)₃，或La(NO₃)₃；

所述稀土醋酸盐为Y(Ac)₃，Yb(Ac)₃，Er(Ac)₃，Tm(Ac)₃，Gd(Ac)₃，或La(Ac)₃；

（2）对于稀土氧化物上转换纳米晶体，采用高温溶剂分解法或共沉淀法制备；

所述高温溶剂分解法，是采用油酸，或十八烯为高温溶剂，稀土原料采用稀土醋酸盐，在280--320℃温度、氮气气氛下反应0.8—1.2小时，即得到分散性和均匀性较好的上转换氧化物纳米晶体；其中，所述稀土醋酸盐为 Y(Ac)₃，Yb(Ac)₃，Er(Ac)₃，Tm(Ac)₃，Gd(Ac)₃，或La(Ac)₃，

所述共沉淀法，是采用稀土原料采用稀土氯化物，稀土硝酸盐，或者稀土醋酸盐，利用碱性反应物氨水、尿素或氢氧化钠作用，生成氧化稀土前驱体，然后通过600℃--800℃焙烧，得到上转换氧化物纳米晶体；其中，所述稀土氯化物为：YCl₃，YbCl₃，ErCl₃，TmCl₃，GdCl₃，或LaCl₃，所述稀土硝酸盐为Y(NO₃)₃，Yb(NO₃)₃，Er(NO₃)₃，Tm(NO₃)₃，Gd(NO₃)₃，或La(NO₃)₃，所述稀土醋酸盐为Y(Ac)₃，Yb(Ac)₃，Er(Ac)₃，Tm(Ac)₃，Gd(Ac)₃，或La(Ac)₃；

（3）对于稀土硫氧化物上转换纳米晶体，采用类似于稀土氧化物纳米晶体的制备方法，即采用高温溶剂分解法和共沉淀法；区别在于在高温热分解反应过程中引入硫粉或者Na₂S作为硫源；

（4）对于稀土卤化物上转换纳米晶体，采用卤化物原料混合焙烧的方法制备。

4.根据权利要求3所述的荧光编码微球的制备方法，其特征在于：

载体材料为高分子聚合物微球时，采用亲水或者疏水溶剂溶胀的方法，将所述上转换纳米晶体引入微球中，形成多色编码微球；

载体材料为多孔氧化硅微球、多孔玻璃微球以及多孔陶瓷微球时，直接将所述上转换纳米晶体通过浸渍的方法引入到载体中，形成多色编码微球。

5.根据权利要求4所述的荧光编码微球的制备方法，其特征在于：不同稀土离子掺杂的上转换材料在红外光源激发下发出不同波长的荧光，以不同波长的发射荧光的强度比作为荧光编码；在纳米晶体合成过程中通过改变稀土离子掺杂的种类和掺杂量，以改变荧光编码的数量；或者通过控制微球载体材料中不同种类上转换纳米晶体的比例来调节荧光编码的数量；

对于多色编码微球，其编码的数量根据发射荧光的种类和发射强度差异调整，设发射荧光的种类数为m，发射强度差异数为n，则形成n^m-1个编码。