CN102618280A - 一种稀土离子掺杂的纳米磷灰石探针及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种稀土离子掺杂的纳米磷灰石探针及其制备方法，该方法采用高速分散机及超声处理，在碱液控制pH值的含PVP和生物表面活性剂的乙醇/水溶剂的体系中，将稀土硝酸盐和含钙化合物、磷酸盐溶液或者磷酸充分进行混合，形成钙磷摩尔比达1.6～1.7:1的溶胶体系；再水热或超声或磁场陈化、洗涤，得到稀土离子掺杂的纳米磷灰石探针。本法制备过程中磷灰石的颗粒形貌和尺寸可控、分散性好，所制得的磷灰石探针具有良好的生物相容性，且具有良好的发光性能激发光稳定性等特点，本法工艺简单，操作简捷，易于推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种稀土离子掺杂的纳米磷灰石探针及其制备方法，具体涉及含高分子表面活性剂和生物表面活性剂的有机溶剂体系中的一种形貌可控的稀土掺杂的纳米磷灰石探针及其制备方法，属于生物医学材料和光功能材料技术领域。
背景技术
生物探针是生物染色和诊断的最有效的手段，目前主要有两类，一类是有机荧光分子，如罗丹明，荧光素等，但是这些有机分子的致命缺点是光致腿色，即其荧光强度随着时间的延长很快减退；另一类是新型的半导体纳米颗粒量子点探针，如CdSe、CdS、ZnS、InP和InAs等，与有机探针相比，他们在生物环境中的稳定性更高，且可以提供稳定的荧光发射，但是纳米半导体具有生物毒性，因而很难进入应用领域。相比之下，纳米羟基磷灰石具有良好的生物相容性和结构稳定性，且已广泛应用于生物材料领域，因此有望解决这一问题，但是羟基磷灰石本身没有明显的发光性能，因而很难进行监测和诊断。掺杂稀土离子制备的发光材料由于具有荧光寿命长、发射峰窄和Stokes位移大等发光性质，适合荧光成像及监测。因此，通过掺杂稀土离子制备具有发光性能的羟基磷灰石有望成为更符合实际需要的新型生物探针。
迄今，国内外已有一些稀土掺杂磷灰石晶体结构的发光材料的研究，但大多限于荧光粉材料，而生物探针材料的研究较少。例如：Ling Li，Yukan Liu，Jinhui Tao，少量Tb表面改性的羟基磷灰石纳米晶生物探针[J].物理化学学报C，（Surface Modification of Hydroxyapatite Nanocrystallite by a Small Amount of Terbium Provides a Biocompatible Fluorescent Probe [J]. Journal of Physics and Chemistry of Solids）2008, 112: 12219–12224，该文采用阳离子表面活性剂CTAB辅助以沉淀法合成，然后经真空干燥得到了铽掺杂具有荧光特性的HAP生物探针。中国发明专利申请号为 200810060400.6公开了“一种用Tb进行表面修饰的羟基磷灰石荧光纳米颗粒的制备方法”，以CTAB为添加剂制备了铽表面修饰的HAP生物探针。此外，A. Doat等，具有发光性能的生物磷灰石纳米颗粒生物探针的合成[J].固体化学学报，（Synthesis of luminescent bioapatite nanoparticles for utilization as a biological probe [J]. Journal of Solid State Chemistry）2004, 177: 1179–1187，该文报道了在37℃的乙醇-水介质中合成了弱结晶度的铕掺杂的缺钙型磷灰石，并证实其发光具有耐光性，适于用作生物探针。
上述方法虽然制备出了具有发光性能的纳米磷灰石，但是还存在两方面的问题：一方面是阳离子表面活性剂CTAB的使用可能使纳米磷灰石的表面具有一定的毒性；另一方面是常压干燥或真空干燥等过程会在一定程度上使得纳米颗粒团聚，这样引起颗粒间的光学梯度现象，而导致监测和诊断误差，但是团聚的颗粒由于尺寸较大，难以进入某些细胞，不能进行细胞监测，因此限制了其性能及应用。
此外，目前制备纳米磷灰石探针的方法几乎没有涉及探针的形貌和尺寸控制，而发光材料领域的研究证实颗粒的形貌、尺寸对材料的发光性能有较大的影响。例如：Bing Yan，Jianfeng Gu，溶剂热法合成形貌可控的NH4ZnPO4:Eu3+亚微米级荧光粉及其发光性能，（Morphology controlled solvo-thermal synthesis and luminescence of NH4ZnPO4:Eu3+ submicrometer phosphor [J]. Journal of Alloys and Compounds）2009，479: 536–540，该文证实了颗粒形貌对荧光粉的发光性能有很大影响。H.M.H. Fadlalla，ChengchunTang，溶胶凝胶法合成具有光致发光性能的Ce3+激活的 Y3Al5O12 纳米粉体，（Sol–gel preparation and photoluminescence properties of Ce3+-activated Y3Al5O12 nano-sized powders [J]. Journal of Crystal Growth）2009，311: 3737–3741，该文也证实了颗粒形貌对材料发光性能有很大影响。
聚乙烯吡咯烷酮（PVP）是一种双亲水溶性高分子化合物，具有优异的分散性能、络合能力及化学稳定性的特点，目前作为分散剂、模板剂和改性剂应用于金属纳米材料合成领域，可以很好的地控制纳米颗粒的形貌和尺寸。PVP的特色是其优异的生理相容性，在合成高分子中，PVP这样既溶于水，又溶于大部分有机溶剂的种类很少，其最早曾在二战时期广泛用于血浆增溶剂，目前已广泛应用于医用消毒剂和医药辅料，包括作为注射剂的稳定剂等。此外，新型的生物表面活性剂是由微生物产生的集亲水基和疏水基结构于一体的两性分子，与化学合成表面活性剂相比，具有可生物降解、生物相容性好、可耐受极端温度和极端pH值等优点，且其在水或电解质溶液中随浓度变化可形成胶束、双分子层脂质体，层状液晶相等聚集态，因此在在纳米材料的调控合成方面具有广阔的应用前景。然而，目前人们对生物表面活性剂的兴趣主要集中在石油开采、食品、化妆品、农业以及环境保护等领域，而对其在纳米材料合成以及生物医学领域的应用却并没有给予充分的了解和重视。
因此，在含PVP和生物表面活性剂的乙醇/水溶剂体系中控制合成稀土离子掺杂的纳米磷灰石，有望解决在乳液、微乳液及反相乳液体系中合成磷灰石由普通表面活性剂及有机溶剂引起的生理毒性问题，同时可以调控纳米磷灰石探针的形貌和尺寸，并改善其分散性，而目前基本未见相关的报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中颗粒形貌对材料发光性的影响，通过筛选能同时起模板作用、分散作用及生物相容性良好的含PVP和生物表面活性剂的乙醇/水溶剂体系，改进并优化工艺，从而提供一种颗粒形貌、尺寸和结晶程度可控，分散性好，具有良好生物相容性的稀土离子掺杂的纳米磷灰石生物探针及其制备方法，通过下列技术方案实现。
一种稀土离子掺杂的纳米磷灰石探针的制备方法，经过下列各步骤：
A．在室温下，将聚乙烯吡咯烷酮与生物表面活性剂的质量比为0.5～10︰1的混合固体，加入到无水乙醇与水的体积比为0.1～9︰1的乙醇/水混合溶液中，同时以超声溶解，至聚乙烯吡咯烷酮和生物表面活性剂在乙醇/水混合溶剂中的总质量浓度为0.001～0.06g/mL，得混合溶液Ⅰ；
B．取步骤A的混合溶液Ⅰ，加入含钙化合物和稀土硝酸盐，同时以超声溶解，至含钙化合物的摩尔浓度为0.01～2mol/L，稀土离子与（稀土离子+钙离子）的摩尔比为0.005～0.1︰1，得混合溶液Ⅱ；
C．取步骤A的混合溶液Ⅰ，加入磷酸盐或磷酸，同时以超声溶解，至磷酸盐或磷酸的摩尔浓度为0.006～1.2mol/L，得混合溶液Ⅲ；
D．将步骤B和C所得混合溶液Ⅱ和混合溶液Ⅲ在搅拌速度为5000～15000转/分下进行混合，同时加入碱溶液调节pH值为10～12，再以超声处理10分钟，形成含稀土离子掺杂的纳米磷灰石溶胶的悬浮体系Ⅳ；此时该悬浮体系Ⅳ中钙磷摩尔比达1.6～1.7︰1；
E．将步骤D的悬浮体系Ⅳ在20～200℃下，经常规陈化24～36小时，再用去离子水洗涤，然后经离心处理，即得到稀土离子掺杂的纳米磷灰石探针。
所述步骤A中的聚乙烯吡咯烷酮的类型为K15、K30、K60或K90。
所述步骤A中的生物表面活性剂为卵磷脂或鼠李糖脂。
所述步骤B中的含钙化合物为硝酸钙、氯化钙或氢氧化钙。
所述步骤B中的稀土硝酸盐为硝酸铕、硝酸铽、硝酸铥或硝酸镝。
所述步骤C中的磷酸盐为磷酸氢二铵、磷酸氢二钠或磷酸氢二钾。
所述步骤D中的碱溶液为氨水、氢氧化钾或氢氧化钠溶液。
所述步骤D中的陈化是将悬浮体系Ⅳ置于高压釜陈化、超声场或磁场中陈化。
所述超声溶解是在功率为20～100W的条件下进行超声处理10分钟。
本发明的另一目的在于提供一种稀土离子掺杂的纳米磷灰石探针，是通过上述工艺步骤获得的稀土离子掺杂的纳米磷灰石探针。
本发明与现有技术相比较有如下突出的优点：
（1）本发明改进并优化了工艺，制备过程中磷灰石的形貌、尺寸和结晶程度可控、高度分散，解决了现有技术方法制备纳米磷灰石探针易团聚而引起监测和诊断误差的问题。采用本方法制备的纳米磷灰石探针具有颗粒形貌、尺寸和结晶度可控，高度分散，生物相容性好，且具有光学稳定性和良好的发光性能等特点；
（2）本发明采用含具有良好生物相容性的PVP和生物表面活性剂的乙醇/水溶剂体系，其可以通过调整体系中各组分的比例及浓度从而兼具模板剂及分散剂的作用，解决了乳液、微乳液及反相乳液体系中合成磷灰石由普通表面活性剂及有机溶剂引起的生理毒性问题；
（3）由于本发明制备的纳米羟基磷灰石探针能够实现颗粒形貌、尺寸可控，并具有荧光寿命长、发射峰窄和Stokes位移大等发光性质，因此用途广泛，特别适用于生物医学材料及其临床的诊断和监测领域；
（4）本发明制备工艺简单，操作简捷，易于推广应用。
附图说明
图1为实施例1制备的稀土离子掺杂的纳米磷灰石探针在394nm光激发下的发射光谱图；
图2为实施例1制备的稀土离子掺杂的纳米磷灰石探针的X射线衍射图；
图3为实施例1制备的稀土离子掺杂的纳米磷灰石探针的透射电镜图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但实施方式并不仅限于此。
实施例1
A．在室温下，将0.05g聚乙烯吡咯烷酮（K15）与0.05g卵磷脂的混合固体，加入到无水乙醇与水的体积比为0.1︰1的乙醇/水混合溶液中，同时在功率为20W的条件下进行超声溶解10分钟，至聚乙烯吡咯烷酮和卵磷脂在乙醇/水混合溶剂中的总质量浓度为0.001g/mL，得混合溶液Ⅰ；
B．取步骤A的混合溶液Ⅰ，加入氢氧化钙和硝酸铕，同时在功率为20W的条件下进行超声溶解10分钟，至含钙化合物的摩尔浓度为0.01mol/L，稀土离子与（稀土离子+钙离子）的摩尔比为0.005︰1，得混合溶液Ⅱ；
C．取步骤A的混合溶液Ⅰ，加入磷酸，同时在功率为20W的条件下进行超声溶解10分钟，至磷酸的摩尔浓度为0.006mol/L，得混合溶液Ⅲ；
D．将步骤B和C所得混合溶液Ⅱ和混合溶液Ⅲ在搅拌速度为5000转/分下进行混合，同时加入氨水调节pH值为10，再以超声处理10分钟，形成含稀土离子掺杂的纳米磷灰石溶胶的悬浮体系Ⅳ；此时该悬浮体系Ⅳ中钙磷摩尔比达1.67︰1；
E．将步骤D的悬浮体系Ⅳ在100℃下，置于高压釜陈化24小时，再用去离子水洗涤，然后经离心处理，即得到稀土离子掺杂的纳米磷灰石探针。
实施例2
A．在室温下，将0.05g聚乙烯吡咯烷酮（K30）与0.1g卵磷脂的混合固体，加入到无水乙醇与水的体积比为0.67︰1的乙醇/水混合溶液中，同时在功率为50W的条件下进行超声溶解10分钟，至聚乙烯吡咯烷酮和卵磷脂在乙醇/水混合溶剂中的总质量浓度为0.0015g/mL，得混合溶液Ⅰ；
B．取步骤A的混合溶液Ⅰ，加入硝酸钙和硝酸铽，同时在功率为50W的条件下进行超声溶解10分钟，至含钙化合物的摩尔浓度为0.1mol/L，稀土离子与（稀土离子+钙离子）的摩尔比为0.01︰1，得混合溶液Ⅱ；
C．取步骤A的混合溶液Ⅰ，加入磷酸氢二钠，同时在功率为50W的条件下进行超声溶解10分钟，至磷酸盐的摩尔浓度为0.0625mol/L，得混合溶液Ⅲ；
D．将步骤B和C所得混合溶液Ⅱ和混合溶液Ⅲ在搅拌速度为8000转/分下进行混合，同时加入氢氧化钠溶液调节pH值为10.5，再以超声处理10分钟，形成含稀土离子掺杂的纳米磷灰石溶胶的悬浮体系Ⅳ；此时该悬浮体系Ⅳ中钙磷摩尔比达1.6︰1；
E．将步骤D的悬浮体系Ⅳ在20℃下，置于超声场陈化24小时，再用去离子水洗涤，然后经离心处理，即得到稀土离子掺杂的纳米磷灰石探针。
实施例3
A．在室温下，将0.5g聚乙烯吡咯烷酮（K90）与0.2g卵磷脂的混合固体，加入到无水乙醇与水的体积比为1︰1的乙醇/水混合溶液中，同时在功率为60W的条件下进行超声溶解10分钟，至聚乙烯吡咯烷酮和卵磷脂在乙醇/水混合溶剂中的总质量浓度为0.007g/mL，得混合溶液Ⅰ；
B．取步骤A的混合溶液Ⅰ，加入硝酸钙和硝酸铥，同时在功率为60W的条件下进行超声溶解10分钟，至含钙化合物的摩尔浓度为0.5mol/L，稀土离子与（稀土离子+钙离子）的摩尔比为0.05︰1，得混合溶液Ⅱ；
C．取步骤A的混合溶液Ⅰ，加入磷酸氢二钾，同时在功率为60W的条件下进行超声溶解10分钟，至磷酸盐或磷酸的摩尔浓度为0.3mol/L，得混合溶液Ⅲ；
D．将步骤B和C所得混合溶液Ⅱ和混合溶液Ⅲ在搅拌速度为10000转/分下进行混合，同时加入氢氧化钾溶液调节pH值为11，再以超声处理10分钟，形成含稀土离子掺杂的纳米磷灰石溶胶的悬浮体系Ⅳ；此时该悬浮体系Ⅳ中钙磷摩尔比达1.67︰1；
E．将步骤D的悬浮体系Ⅳ在200℃下，置于高压釜陈化36小时，再用去离子水洗涤，然后经离心处理，即得到稀土离子掺杂的纳米磷灰石探针。
实施例4
A．在室温下，将5g聚乙烯吡咯烷酮（K90）与1g卵磷脂的混合固体，加入到无水乙醇与水的体积比为4︰1的乙醇/水混合溶液中，同时在功率为100W的条件下进行超声溶解10分钟，至聚乙烯吡咯烷酮和卵磷脂在乙醇/水混合溶剂中的总质量浓度为0.06g/mL，得混合溶液Ⅰ；
B．取步骤A的混合溶液Ⅰ，加入氯化钙和硝酸镝，同时在功率为100W的条件下进行超声溶解10分钟，至含钙化合物的摩尔浓度为0.8mol/L，稀土离子与（稀土离子+钙离子）的摩尔比为0.05︰1，得混合溶液Ⅱ；
C．取步骤A的混合溶液Ⅰ，加入磷酸氢二铵，同时在功率为100W的条件下进行超声溶解10分钟，至磷酸盐的摩尔浓度为0.47mol/L，得混合溶液Ⅲ；
D．将步骤B和C所得混合溶液Ⅱ和混合溶液Ⅲ在搅拌速度为12000转/分下进行混合，同时加入氢氧化钠溶液调节pH值为11.5，再以超声处理10分钟，形成含稀土离子掺杂的纳米磷灰石溶胶的悬浮体系Ⅳ；此时该悬浮体系Ⅳ中钙磷摩尔比达1.7︰1；
E．将步骤D的悬浮体系Ⅳ在20℃下，置于超声场中陈化24小时，再用去离子水洗涤，然后经离心处理，即得到稀土离子掺杂的纳米磷灰石探针。
实施例5
A．在室温下，将3g聚乙烯吡咯烷酮（K60）与0.3g鼠李糖脂的混合固体，加入到无水乙醇与水的体积比为9︰1的乙醇/水混合溶液中，同时在功率为20W的条件下进行超声溶解10分钟，至聚乙烯吡咯烷酮和鼠李糖脂在乙醇/水混合溶剂中的总质量浓度为0.033g/mL，得混合溶液Ⅰ；
B．取步骤A的混合溶液Ⅰ，加入氯化钙和硝酸镝，同时在功率为20W的条件下进行超声溶解10分钟，至含钙化合物的摩尔浓度为2mol/L，稀土离子与（稀土离子+钙离子）的摩尔比为0.1︰1，得混合溶液Ⅱ；
C．取步骤A的混合溶液Ⅰ，加入磷酸氢二钾，同时在功率为20W的条件下进行超声溶解10分钟，至磷酸盐的摩尔浓度为1.2mol/L，得混合溶液Ⅲ；
D．将步骤B和C所得混合溶液Ⅱ和混合溶液Ⅲ在搅拌速度为15000转/分下进行混合，同时加入氢氧化钠溶液调节pH值为12，再以超声处理10分钟，形成含稀土离子掺杂的纳米磷灰石溶胶的悬浮体系Ⅳ；此时该悬浮体系Ⅳ中钙磷摩尔比达1.67︰1；
E．将步骤D的悬浮体系Ⅳ在50℃下，置于10T的磁场中陈化30小时，再用去离子水洗涤，然后经离心处理，即得到稀土离子掺杂的纳米磷灰石探针。
Claims (10)
1.一种稀土离子掺杂的纳米磷灰石探针的制备方法，其特征在于经过下列各步骤：
A．在室温下，将聚乙烯吡咯烷酮与生物表面活性剂的质量比为0.5～10︰1的混合固体，加入到无水乙醇与水的体积比为0.1～9︰1的乙醇/水混合溶液中，同时以超声溶解，至聚乙烯吡咯烷酮和生物表面活性剂在乙醇/水混合溶剂中的总质量浓度为0.001～0.06g/mL，得混合溶液Ⅰ；
B．取步骤A的混合溶液Ⅰ，加入含钙化合物和稀土硝酸盐，同时以超声溶解，至含钙化合物的摩尔浓度为0.01～2mol/L，稀土离子与（稀土离子+钙离子）的摩尔比为0.005～0.1︰1，得混合溶液Ⅱ；
C．取步骤A的混合溶液Ⅰ，加入磷酸盐或磷酸，同时以超声溶解，至磷酸盐或磷酸的摩尔浓度为0.006～1.2mol/L，得混合溶液Ⅲ；
D．将步骤B和C所得混合溶液Ⅱ和混合溶液Ⅲ在搅拌速度为5000～15000转/分下进行混合，同时加入碱溶液调节pH值为10～12，再以超声处理10分钟，形成含稀土离子掺杂的纳米磷灰石溶胶的悬浮体系Ⅳ；
E．将步骤D的悬浮体系Ⅳ在20～200℃下，经常规陈化24～36小时，再用去离子水洗涤，然后经离心处理，即得到稀土离子掺杂的纳米磷灰石探针。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤A中的聚乙烯吡咯烷酮的类型为K15、K30、K60或K90。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤A中的生物表面活性剂为卵磷脂或鼠李糖脂。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤B中的含钙化合物为硝酸钙、氯化钙或氢氧化钙。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤B中的稀土硝酸盐为硝酸铕、硝酸铽、硝酸铥或硝酸镝。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤C中的磷酸盐为磷酸氢二铵、磷酸氢二钠或磷酸氢二钾。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤D中的碱溶液为氨水、氢氧化钾或氢氧化钠溶液。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤D中的陈化是将悬浮体系Ⅳ置于高压釜陈化、超声场或磁场中陈化。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述超声溶解是在功率为20～100W的条件下进行超声处理10分钟。
10.由权利要求1～9中任一制备方法所制得的稀土离子掺杂的纳米磷灰石探针。
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