CN102676172A - 稀土掺杂氟镧化钾纳米荧光标记材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种水溶性稀土掺杂氟镧化钾纳米荧光标记材料及其制备方法。首先在油酸、油胺和十八烯混合溶剂中采用高温热分解三氟乙酸盐合成油溶性稀土掺杂氟镧化钾纳米晶，然后利用磷酸乙醇胺置换纳米晶表面的油酸从而使其转变为水溶性纳米晶。制备所得的油溶性稀土掺杂纳米晶尺寸为10nm左右，水溶性改善后的纳米晶水合粒径为20nm左右。本发明合成得到的稀土掺杂氟镧化钾纳米荧光标记材料可以利用其表面的氨基与生物分子进行连接，通过其中掺杂稀土离子的发光能实现其在生物检测或生物成像等荧光标记领域的应用。

Description

稀土掺杂氟镧化钾纳米荧光标记材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种合成稀土掺杂无机纳米荧光材料的方法，尤其是涉及一种两步法合成水溶性的表面氨基化稀土掺杂氟镧化钾纳米荧光标记材料的方法。
背景技术
经过多年发展，稀土掺杂纳米材料在合成方法、光谱理论等方向都取得了巨大的进展，在绿色照明光源、纳米光电子器件、平板显示等领域已有广阔的用途，但其作为生物标记材料是直到最近几年才备受关注。相对于量子点和有机荧光染料，稀土掺杂纳米晶具有窄带发射、长寿命(微妙至毫秒量级)、高稳定性和低毒性等优点，这些优点使得稀土掺杂纳米材料具有良好的生物应用前景。在稀土掺杂纳米晶中，由于无机氟化物具有比氧化物、磷酸盐、钒酸盐等更低的声子能量从而能最大程度减少稀土离子激发态的非辐射发射，因此稀土掺杂氟化物能得到更强的荧光发射，可以作为理想的上转换或者下转换荧光材料。目前关于稀土掺杂氟化物的研究主要集中在氟钇化钠(NaYF4)，氟钆化钠(NaGdF4)或氟钇化锂(LiYF4)等体系。最近，严纯华课题组报道了油溶性氟镧化钾基体纳米晶的合成，Nagarajan课题组报道了Eu3+和Er3+掺杂的团聚氟镧化钾纳米晶的合成(参考文献：Yan Chunhua et al.，Optically active uniform potassium and lithiumrare earth fluoride nanocrystals derived from metal trifluroacetateprecursors，Dalton Transactions，8574-8581(2009)；Neetu Tyagi et al.，KLaF4:Er3+an efficient upconversion phosphor，Optical Materials 33，42-47(2010))，但是目前尚没有关于单分散水溶性稀土掺杂氟镧化钾纳米荧光标记材料合成的报道。本发明通过三氟乙酸盐热分解方法，利用稀土离子掺杂能分别合成出具有上转换和下转换发光的氟镧化钾纳米晶，通过磷酸乙醇胺交换纳米晶表面的油酸可以使其修饰上大量的氨基官能团从而实现水溶性。这种具有单分散性，水溶性和较好荧光性能的稀土掺杂氟镧化钾纳米材料有望应用于生物荧光标记领域。
发明内容
本发明的目的在于合成单分散的水溶性稀土掺杂氟镧化钾纳米荧光标记材料。
本发明采用如下技术方案：
本发明所制备的荧光标记材料的组分为xLn3+-(1-x)KLaF4，0＜x≤50mol％，其中Ln3+为掺杂稀土离子，选自Ce3+、Yb3+、Gd3+、Tm3+、Ho3+、Tb3+、Nd3+、Pr3+、Dy3+和Sm3+中的一种或两种；或掺入Yb3+、Gd3+、Tm3+、Ho3+、Tb3+、Nd3+、Pr3+、Dy3+和Sm3+中的一种，且同时掺入Er3+。
所述的荧光标记材料优选掺入Er3+、Tm3+和Ho3+中的一种，且同时掺入Yb3+。
纳米荧光标记材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)稀土掺杂KLaF4的油溶性纳米晶的制备；
(2)制备水溶性纳米晶采用如下方法：将分散在环己烷中的纳米晶溶液与溶解有四氟硼酸亚硝的二氯甲烷溶液混合后，将得到的固体产物分散在二甲基甲酰胺中，加入磷酸乙醇胺混合后，洗涤所产生的固体产物即可得到水溶性稀土掺杂KLaF4纳米晶。
本发明所制备的荧光标记材料用于生物检测或生物成像。
水溶性稀土掺杂KLaF4纳米荧光标记材料的表征。通过X射线粉末衍射(XRD)检测表明制备出的KLaF4纳米颗粒为纯立方相结构。X射线能谱分析(EDS)结果证实合成出的材料中含有K、La、F以及所掺杂的稀土元素。透射电镜(TEM)测试显示得到的是10nm左右的均匀分散纳米晶。在980nm激光激发下，分散在环己烷中的KLaF4:Tm/Yb油溶性纳米晶具有较强的可见上转换发射。在290nm激发下，分散环在环己烷中的KLaF4:Ce/Tb油溶性纳米晶具有较强的可见下转换发射。
水溶性改性后的纳米晶可由红外、热重、ζ电势、水合粒径等表征。热重分析(TGA)结果显示了油溶性的纳米晶与磷酸乙醇胺(AEP)包覆的水溶性纳米晶有明显不同的失重温度范围，而配体交换后的纳米晶与纯AEP存在相同的失重温度范围，证实了纳米颗粒表面包覆有磷酸乙醇胺。另外，傅立叶变换红外光谱(FTIR)检测表明，配体交换过后纳米颗粒表面有很明显的对应于磷酸乙醇胺的红外振动吸收峰：1031和1082cm-1是对应于P-O的振动吸收峰；1637cm-1则是对应于-NH2的振动吸收峰，而对应于油酸长链的-CH2-的振动吸收峰2856及2927cm-1在配体交换过后强度明显减弱，这些也都表明纳米颗粒表面已经被成功修饰上了磷酸乙醇胺。ζ电势表明在配体交换后，纳米晶带有+43.8mV的正电势，证明磷酸乙醇胺能很好的包覆在纳米颗粒表面。通过动态激光散射测试得到纳米晶的水合粒径为～20nm，表明所获得的纳米晶能单分散于水中。
通过本发明合成的水溶性稀土掺杂KLaF4纳米荧光标记材料，制备过程简单、合成条件容易控制、重复性好。通过稀土掺杂能获得良好的上转换或者下转换发光性能，因此在生物分析领域有较好的应用潜力。
附图说明
附图1：KLaF4:Ce/Tb纳米晶的X射线粉末衍射图。仪器型号为MiniFlex2，厂家为Rigaku，铜靶辐射波长为λ＝0.154187nm。
附图2：KLaF4:Ce/Tb纳米晶的X射线能谱分析图。仪器型号为JEM-2010，厂家为JEOL。
附图3：KLaF4:Ce/Tb纳米晶的透射电镜图。仪器型号为JEM-2010，厂家为JEOL。
附图4：KLaF4:Tm/Yb纳米晶的上转换发射光谱图。仪器型号为FSP920-C，厂家为Edinburgh，激发光源为980-nm半导体激光器。
附图5：KLaF4:Ce/Tb纳米晶的下转换发射光谱图。仪器型号为FLS920，厂家为Edinburgh，激发光源为氙灯，激发波长为290nm。
附图6：水溶性改善前后KLaF4纳米晶的热重曲线。仪器型号为STA449C，厂家为NETZSCH。
附图7：水溶性KLaF4纳米晶的傅立叶变换红外光谱。仪器型号Magna 750，厂家为PerkinElmer。
附图8：水溶性KLaF4纳米晶的ζ电势。仪器型号为Nano ZSZEN3600，厂家为Malvern。
附图9：水溶性KLaF4纳米晶的水合粒径。仪器型号为Nano ZSZEN3600，厂家为Malvern。
具体实施方式
本发明所提供的水溶性表面氨基化稀土掺杂KLaF4纳米荧光标记材料的制备方法，其实质特点可以通过以下实施例子进一步予以体现。
实例1：KLaF4:0.05Ce/0.05Tb纳米晶的制备，首先称取0.1730gCF3COOK，0.4788g La(CF3COO)3，0.0266g Ce(CF3COO)3和0.0266g Tb(CF3COO)3至三孔烧瓶中，然后加入8mL油酸，10mL油胺和2mL十八烯溶剂。接着在通入N2的条件下升温到100℃保持10min，使固体反应物溶解至透明，之后加热到320℃反应1h。降温到室温后加入20mL乙醇沉淀，经过离心，洗涤后即可得到油溶性KLaF4:0.05Ce/0.05Tb纳米晶。将纳米晶分散在20mL环己烷中，向其中加入15mL溶有20mg四氟硼酸亚硝的二氯甲烷溶液，混合反应1h后离心将得到的沉淀重新分散在二甲基甲酰胺中，加入0.1g磷酸乙醇胺搅拌反应交换1h后，离心得到沉淀，用二甲基甲酰胺和水交替洗涤数遍即可得到水溶性KLaF4:0.05Ce/0.05Tb纳米晶。
实例2：KLaF4:0.01Nd3+纳米晶的制备，首先称取0.1730gCF3COOK，0.5267g La(CF3COO)3，0.0054g Nd(CF3COO)3至三孔烧瓶中，然后加入9mL油酸，9mL油胺和2mL十八烯溶剂。接着在通入N2的条件下升温到120℃保持10min，使固体反应物溶解至透明，之后加热到330℃反应1.5h。降温到室温后加入20mL丙酮沉淀，经过离心，洗涤后即可得到油溶性KLaF4:0.01Nd3+纳米晶。将纳米晶分散在30mL环己烷中，向其中加入30mL溶有30mg四氟硼酸亚硝的二氯甲烷溶液，混合反应1h后离心将得到的沉淀重新分散在二甲基甲酰胺中，加入0.2g磷酸乙醇胺搅拌反应交换1h后，离心得到沉淀，用二甲基甲酰胺和水交替洗涤数遍即可得到水溶性KLaF4:0.01Nd3+纳米晶。
实例3：KLaF4:0.02Er/0.18Yb纳米颗粒的制备，首先称取0.1730g CF3COOK，0.4256g La(CF3COO)3，0.0112g Er(CF3COO)3和0.1019g Yb(CF3COO)3至三孔烧瓶中，然后加入10mL油酸，8mL油胺和2mL十八烯溶剂。接着在通入N2的条件下升温到130℃保持10min，使固体反应物溶解至透明，之后加热到340℃反应0.5h。降温到室温后加入20mL丙酮沉淀，经过离心，洗涤后即可得到油溶性KLaF4:0.02Er/0.18Yb纳米晶。将纳米晶分散在10mL环己烷中，向其中加入10mL溶有10mg四氟硼酸亚硝的二氯甲烷溶液，混合反应0.5h后离心将得到的沉淀重新分散在二甲基甲酰胺中，加入0.05g磷酸乙醇胺搅拌反应交换0.5h后，离心得到沉淀，用二甲基甲酰胺和水交替洗涤数遍即可得到水溶性KLaF4:0.02Er/0.18Yb纳米晶。
实例4：KLaF4:0.01Tm/0.18Yb纳米颗粒的制备，首先称取0.1730g CF3COOK，0.4309g La(CF3COO)3，0.0056g Tm(CF3COO)3和0.1019g Yb(CF3COO)3至三孔烧瓶中，然后加入8mL油酸，8mL油胺和4mL十八烯溶剂。接着在通入N2的条件下升温到130℃保持10min，使固体反应物溶解至透明，之后加热到300℃反应3h。降温到室温后加入20mL乙醇沉淀，经过离心，洗涤后即可得到油溶性KLaF4:0.01Tm/0.18Yb纳米晶。将纳米晶分散在10mL环己烷中，向其中加入20mL溶有10mg四氟硼酸亚硝的二氯甲烷溶液，混合反应1h后离心将得到的沉淀重新分散在二甲基甲酰胺中，加入0.2g磷酸乙醇胺搅拌反应交换2h后，离心得到沉淀，用二甲基甲酰胺和水交替洗涤数遍即可得到水溶性KLaF4:0.01Tm/0.18Yb纳米晶。
实例5：KLaF4:0.01Dy3+纳米颗粒的制备，首先称取0.1730gCF3COOK，0.5267g La(CF3COO)3，0.006g Dy(CF3COO)3至三孔烧瓶中，然后加入9mL油酸，9mL油胺和2mL十八烯溶剂。接着在通入N2的条件下升温到130℃保持10min，使固体反应物溶解至透明，之后加热到340℃反应1h。降温到室温后加入20mL丙酮沉淀，经过离心，洗涤后即可得到油溶性KLaF4:0.01Dy3+纳米晶。将纳米晶分散在30mL环己烷中，向其中加入30mL溶有15mg四氟硼酸亚硝的二氯甲烷溶液，混合反应2h后离心将得到的沉淀重新分散在二甲基甲酰胺中，加入0.3g磷酸乙醇胺搅拌反应交换1h后，离心得到沉淀，用二甲基甲酰胺和水交替洗涤数遍即可得到水溶性KLaF4:0.01Dy3+纳米晶。

Claims (4)

1.一种荧光标记材料，其特征在于：该材料组分为xLn3+-(1-x)KLaF4，0＜x≤50mol％，其中Ln3+为掺杂稀土离子，选自Ce3+、Yb3+、Gd3+、Tm3+、Ho3+、Tb3+、Nd3+、Pr3+、Dy3+和Sm3+中的一种或两种；或掺入Yb3+、Gd3+、Tm3+、Ho3+、Tb3+、Nd3+、Pr3+、Dy3+和Sm3+中的一种，且同时掺入Er3+。
2.根据权利要求1所述的荧光标记材料，其特征在于：所述的掺杂稀土离子Ln3+选自Er3+、Tm3+和Ho3+中的一种，且同时掺入Yb3+。
3.合成权利要求1所述的纳米荧光标记材料的方法，包括如下步骤：
(1)稀土掺杂的油溶性纳米晶的制备；
(2)制备水溶性纳米晶：将分散在环己烷中的纳米晶溶液与溶解有四氟硼酸亚硝的二氯甲烷溶液混合后，将得到的固体产物分散在二甲基甲酰胺中，加入磷酸乙醇胺混合后，洗涤所产生的固体产物即可得到水溶性稀土掺杂KLaF4纳米晶。
4.权利要求1所述的荧光标记材料用于生物检测或生物成像。
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