CN102703081B

CN102703081B - 水溶性稀土掺杂四氟钆钠荧光标记纳米晶及其制备方法

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Publication number: CN102703081B
Application number: CN201210166608.2A
Authority: CN
Inventors: 施展; 李菲菲; 李春光; 冯守华
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2012-05-25
Filing date: 2012-05-25
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2032-05-25
Also published as: CN102703081A

Abstract

本发明的水溶性稀土掺杂四氟钆钠荧光标记纳米晶及其制备方法属于微波多元醇化学方法合成技术的领域。稀土荧光纳米晶有双掺杂和三掺杂两种。双掺杂是在四氟钆钠中掺杂镱和铒、铥、钬三种稀土中的一种；三掺杂是在四氟钆钠中掺杂镱、铥和钬。制备方法是以氟化铵为氟源，氯化钠为钠源，以稀土的氯化物为稀土离子源，以聚乙烯亚胺为表面修饰大分子，在内衬为聚四氟乙烯的微波反应器中进行反应。本发明方法反应效率高，操作便捷，无环境污染，产物产率高及工艺重复性好；通过调变钆离子与氟离子的比例，得到热力学性质稳定、物相均匀、分散良好且水溶性高、荧光发光效率更强的四氟钆钠纳米晶基质，适用于多色生物标记。

Description

水溶性稀土掺杂四氟钆钠荧光标记纳米晶及其制备方法

技术领域

本发明属于微波多元醇化学方法合成技术的领域，特别是涉及一种稀土掺杂四氟钆钠多功能上转换荧光标记纳米晶及其制备方法。

背景技术

上转换材料[CN101550593A，CN101100604A]是一种由长波长激发发出短波长光的发光材料，即将低能光子转换成高能光子的材料。上转换发光成像使用的是近红外(如980nm)连续激光激发，具有相对较低的组织吸收和散射，而且生物体内的内源性荧光物质和下转换发光探针均不能被980nm连续激光激发，上转换发光成像可以完全消除生物背景荧光，以稀土上转换纳米晶为探针的上转换发光成像技术对生物成像非常有利。另外，稀土掺杂氟化物纳米晶具有较低的声子能量，低毒性，化学稳定性好，Stokes位移大且发射峰窄和强并具有较长的荧光寿命，组织穿透深度深和红外激发容易的优点，因此在氧化物，硫化物，磷化物等基质中脱颖而出，被广泛的应用于生物标记，医学成像，分析检测，临床治疗等相关的前沿热点领域。

在众多氟化物基质中，四氟钆钠(NaGdF₄)[CN102140344A，CN102191061A，CN101862463A]不仅可以通过掺杂不同的稀土离子调控出从可见到近红外一系列不同颜色的光，而且是具有高空间分辨率的核磁共振响应的磁性材料。钆离子(Gd³⁺)具有较大的能级间隔，常作为一种敏化离子而实现其它稀土离子的下转化发光；还可以通过敏化离子镱(Yb³⁺)和上转换稀土离子(Er³⁺，Tm³⁺，Ho³⁺)的双掺或三掺，在NaGdF₄基质中实现高效的稀土离子上转换发光；而且由于钆离子具有良好的磁性能，使得稀土掺杂NaGdF₄纳米材料可以作为一种有效的磁响应剂，在核磁共振生物成像等领域也有着潜在的应用价值。故而，稀土掺杂的NaGdF₄纳米晶有望成为一种集上转换、下转换发光和磁性能于一身的多功能生物标记纳米材料能广泛应用于生物标记和生物活体实验中。

应用于生物荧光标记的纳米材料，需要纳米粒子的粒径分布均匀且尽量的小，发光效率高，具有生物兼容性。颗粒的尺寸太大，与生物大分子结合时，很容易影响到生物分子的动力学行为，降低了探测极限。因此合成分散性好，粒径小并且均匀，水溶性的上转换NaGdF₄纳米晶对具有优良特性的新型荧光生物探针无疑具有重要意义。目前制备NaGdF₄纳米颗粒的方法有水热法，微乳液法，离子交换法，醇水溶液法和高温固相氧化还原法等。这些方法操作繁杂，温度等试验条件要求苛刻，且得到纳米粒子尺寸不均匀直接影响发光性能及其应用。其中，陈学元课题组[Adv.Mater.2010，22，3266-3271]采用一种独特的设计思路，将Tm³⁺、Yb³⁺和Eu³⁺分别掺入到NaGdF₄纳米晶的内核和壳层中，首次在单分散的六方相NaGdF₄纳米晶中实现了Eu³⁺的双模式发光。借助于内核中Tm³⁺和Yb³⁺的双敏化作用和核壳结构的优点，在980nm的近红外光照射下，实现了高效的Eu³⁺的红色上转换发光。同时，在273nm紫外光的照射下，能够获得强的Eu³⁺红色下转换发光。但是，由于选择油酸和十八烯的油相的化学反应环境，体系需要较高的热分解温度，为了进一步的生物应用，产物还需要集团交换以至于油相转水相的纳米晶表面修饰。

因此，直接水溶性，上转换发光强度高，分散均匀且粒径小的六方相NaGdF₄多功能上荧光标记纳米晶的合成还需要深入研究，对多功能生物标记技术的发展具有重大的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对背景技术中存在的不足，提供一种分散优良、高水溶性稀土掺杂四氟钆钠多功能上转换荧光标记纳米晶及其微波合成制备方法，可以解决现有制备方法中粒子结晶不好及荧光强度弱，溶剂中单分散性差，生物兼容性低等方面存在的问题。

本发明的稀土离子掺杂四氟钆钠稀土荧光纳米晶有双掺杂和三掺杂两种。双掺杂是在四氟钆钠中掺杂镱(Yb)和铒(Er)、铥(Tm)、钬(Ho)三种稀土中的一种；三掺杂是在四氟钆钠中掺杂镱(Yb)、铥(Tm)、钬(Ho)。本发明的稀土离子掺杂四氟钆钠稀土荧光纳米晶根据制备条件不同有两种物相，四方相，呈球状，直径约40nm，或者六方相，呈爆米花状，直径约65nm。

本发明纳米晶的具体技术方案如下。

一种水溶性稀土掺杂四氟钆钠荧光标记纳米晶，所述的稀土掺杂，稀土离子是Yb³⁺和Ln³⁺，其中Ln³⁺＝Er³⁺、Tm³⁺或Ho³⁺，按摩尔比Yb³⁺∶Ln³⁺∶Gd³⁺＝20～70∶0.2～3∶28～79.8，或者Ln³⁺＝Ho³⁺和Tm³⁺，按摩尔比Yb³⁺∶Ho³⁺∶Tm³⁺∶Gd³⁺＝20∶0.2∶0.2～2.0∶77.8～79.6；所述的纳米晶，具有六方相或/和四方相，纳米粒子呈球状或/和爆米花状，平均粒径40～65nm，聚乙烯亚胺(PEI)包覆在纳米晶的表面。

本发明还可以是表面包裹一层二氧化硅的稀土离子掺杂四氟钆钠纳米晶，即，在稀土离子掺杂四氟钆钠纳米晶的表面包覆有二氧化硅层。

本发明还可以是表面包裹一层二氧化硅的稀土离子掺杂四氟钆钠纳米晶修饰有氨基。

聚乙烯亚胺(PEI)包覆在制备的稀土离子掺杂四氟钆钠纳米晶的表面(参见图2)，使粒子具备良好的水溶性，可以控制产物的形貌，还能以共价键与生物蛋白分子偶联。

本发明制备四氟钆钠掺杂稀土离子纳米粒子的方法，以氟化铵为氟源，氯化钠为钠源，以三氯化钆为钆源，六水合三氯化镱、六水合三氯化铒、六水合三氯化铥、六水合三氯化钬为掺杂稀土离子的原料，以聚乙烯亚胺为表面修饰大分子，乙二醇(EG)为溶剂，以正硅酸乙酯[TEOS]为二氧化硅源，用正硅酸乙酯[TEOS]和3-氨丙基三乙氧基硅烷[APS，97％]进行氨基修饰，在内衬为聚四氟乙烯的微波反应器中，设置相应功率，时间在微波反应器中进行反应。

制备纳米晶的具体技术方案如下。

一种水溶性稀土掺杂四氟钆钠荧光标记纳米晶的制备方法，有以下步骤：

1)将氟化铵与乙二醇按摩尔比为1∶60～120的比例混合，搅拌至均匀，得到氟化铵的乙二醇溶液；

2)将三氯化钆、聚乙烯亚胺和乙二醇按摩尔比1∶4～8∶269～537的比例称量到容器中，加入氯化钠、六水合三氯化镱和其它稀土离子源，搅拌至均匀得到反应混合物；所述的其它稀土离子源，是六水合三氯化铒、六水合三氯化铥、六水合三氯化钬中的一种，或者是六水合三氯化铥和六水合三氯化钬；氯化钠与稀土盐的总量的摩尔比为1∶1；

3)在反应混合物中加入氟化铵的乙二醇溶液，装入微波反应器的内衬中，放入微波反应器里，在200～240℃下反应10～60分钟，反应结束后自然冷却至常温，得到反应产物；其中，稀土离子总摩尔数与氟离子摩尔数之比为1∶4～12；

4)反应产物直接离心，沉淀分别用水和乙醇洗涤，除去乙二醇和未反应的聚乙烯亚胺，再真空干燥，分散在乙醇中，制得水溶性稀土掺杂四氟钆钠荧光标记纳米晶(NaGdF₄:Yb³⁺，Ln³⁺纳米晶)。

在上述的稀土离子掺杂四氟钆钠稀土荧光纳米晶的制备过程中，溶剂乙二醇的用量在一定体积范围内对最终产品几乎没有影响，只影响后处理时的反复洗涤的次数。

在制得水溶性稀土掺杂四氟钆钠荧光标记纳米晶(NaGdF₄:Yb³⁺，Ln³⁺纳米晶)的基础上，为了提高生物兼容性和水溶性，还可以在纳米晶表面包裹一层二氧化硅，具体的制备过程如下。

取浓度0.2molL^-1稀土掺杂四氟钆钠荧光标记纳米晶的乙醇溶液和水、乙醇、氨水超声混合均匀，得到纳米晶混合溶液，其中纳米晶的乙醇溶液、水、乙醇、氨水按体积比为0.2∶15∶15∶0.5；将浓度0.06molL^-1正硅酸乙酯的乙醇溶液超声搅拌下滴加到纳米晶混合溶液中，至混合均匀，其中纳米晶的乙醇溶液与正硅酸乙酯的乙醇溶液体积比为0.2∶10；离心得到的产物用水洗涤两次，分散到乙醇中，制得表面包裹二氧化硅的稀土离子掺杂四氟钆钠荧光标记纳米晶(NaGdF₄:Ln³⁺SiO₂纳米晶)。

在制得水溶性稀土掺杂四氟钆钠荧光标记纳米晶(NaGdF₄:Ln³⁺纳米晶)的基础上，为了连接叶酸分子以及肿瘤癌细胞的荧光标记，还可以制备氨基修饰的表面包裹一层二氧化硅的纳米晶，具体的制备过程如下。

取3mL浓度为0.2molL^-1的表面包裹二氧化硅的稀土离子掺杂四氟钆钠荧光标记纳米晶的乙醇溶液与水、乙醇、氨水超声混合均匀，得到包裹二氧化硅纳米晶混合溶液，其中表面包裹二氧化硅的纳米晶的乙醇溶液、水、乙醇和氨水按体积比为3∶4∶20∶0.5；将0.02mL正硅酸乙酯(TEOS)、0.1mL 3-氨丙基三乙氧基硅烷(APS)和10mL乙醇溶液超声搅拌滴加到纳米晶混合溶液中，至均匀溶液；离心得到产物并用水洗涤两次，分散到二甲基亚砜(DMSO)中，制备得氨基修饰的表面包裹一层二氧化硅的稀土离子掺杂四氟钆钠荧光标记纳米晶(NaGdF₄:Ln³⁺SiO₂-NH₂纳米晶)。

一种水溶性稀土掺杂四氟钆钠荧光标记纳米晶的用途，用于多色生物荧光标记。

作为多色生物荧光标记的实例，可以按如下过程制备试验用溶液。在惰性气体保护下，将5mg叶酸，2.1mg1-乙基-3-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺(EDC)和6mgN-羟基硫代琥珀酰亚胺(NHS)溶解在20mL二甲基亚砜(DMSO)中混合均匀，然后将3mL NaGdF₄:Ln³⁺SiO₂-NH₂的DMSO溶液逐滴滴加到混合均匀的溶液中，室温下搅拌3h。离心得到产物并用磷酸盐缓冲溶液(PBS)洗涤两次，再分散到PBS缓冲溶液中。

优点及效果：本发明通过简单易行的微波合成法，微波是电磁波的一种，会在空间中产生电场和磁场的变化，引起物质内极性分子改变极化方向，使分子运动加剧获得热能。微波法作为合成纳米粒子的一种新方法具有其特有的突出的优点：高反应效率，操作方法简单便捷，物相均匀，无环境污染且产物产率高及工艺重复性好等。合成体系中，氟离子的量决定形貌和物相的转变，通过调变钆离子与氟离子的比例，本发明得到了热力学性质稳定的，荧光发光效率更强的六方相(如图1)四氟钆钠纳米晶基质。选用聚乙烯亚胺做表面修饰大分子制备出分散良好且水溶性高的稀土离子掺杂四氟钆钠稀土荧光纳米晶。通过红外光谱表征了洗涤干燥后的四氟钆钠掺杂稀土离子纳米晶，证明了聚乙烯亚胺包覆在制备的四氟钆钠掺杂稀土离子纳米晶的表面(如图2)，包裹作用一方面能使更多的发光分子连接在生物分子上起到信号放大作用，另一方面可克服外界环境对发光试剂的影响(如猝灭作用等)，增加发光试剂的稳定性。本发明利用敏化离子镱离子对980nm激光的高效吸收以及与激活离子之间有效的能量传递使激活离子发出特征峰，详细研究了各发光峰对应能级的跃迁及其发光机理，并分析了不同激活离子的掺杂浓度对产物荧光强度的影响。因此在980nm激光激发下，双掺杂或三掺杂不同稀土离子的样品能够发射出具有不同颜色的明亮可见光直至白色复合光，非常适用于多色生物标记。本发明更深入的对制备的四氟钆钠掺杂稀土离子纳米晶做了二氧化硅核壳结构及氨基功能化的粒子表面改性，然后连接叶酸，通过其对肿瘤细胞的靶向选择性，实现生物荧光标记癌变细胞。而且由于钆离子具有良好的磁性能，使得稀土掺杂NaGdF₄纳米材料可以作为一种有效的磁响应剂(如图8)，在核磁共振生物成像等领域也有着潜在的应用价值。这就更好的说明了本发明所制得的四氟钆钠掺杂稀土离子纳米晶具有较好的水溶性和生物应用价值。

附图说明

图1是本发明掺杂镱离子和铒离子的四氟钆钠纳米晶的XRD图。

其中(a)为实施例1制得的纯的四方相四氟钆钠母体掺杂镱离子和铒离子纳米晶的XRD图；

(b)为实施例2制得的四方相和六方相混合的四氟钆钠掺杂镱离子和铒离子纳米晶的XRD图；

(c)为实施例3制得的四方相和六方相混合的四氟钆钠掺杂镱离子和铒离子纳米晶的XRD图；

(d)为实施例4制得的纯的六方相混合的四氟钆钠掺杂镱离子和铒离子纳米晶的XRD图。

图2是本发明制得的纯的六方相混合的四氟钆钠掺杂镱离子和铒离子纳米晶的红外吸收光谱。

图3是本发明实施例1制得的纯的四方相掺杂镱离子和铒离子的四氟钆钠纳米晶低倍的透射电镜(TEM)图片。

图4是本发明实施例4制得的纯的六方相掺杂镱离子和铒离子的四氟钆钠纳米晶低倍的透射电镜(TEM)图片。

图5是本发明实施例4制得的纯的六方相NaGdF₄:Yb³⁺，Er³⁺(20，2mol％)上转换荧光发射光谱。

图6为本发明实施例5制得的纯的六方相NaGdF₄:Yb³⁺，Tm³⁺(20，0.2mol％)上转换荧光发射光谱。

图7为本发明实施例6制得的纯的六方相NaGdF₄:Yb³⁺，Ho³⁺，Tm³⁺(20，0.2，2.8mol％)NCs分散在3mL的乙醇中的上转换荧光发射光谱。

图8是本发明制得的纯的六方相四氟钆钠掺杂镱离子和铒离子纳米晶的磁性测试数据。图中是由NaGdF₄:Yb³⁺，Er³⁺纳米晶的核磁共振(MRI)的弛豫时间(T1)计算得出的弛豫率(R)值。

图9是本发明制得的表面修饰后的纯六方相四氟钆钠掺杂镱离子和铒离子纳米晶链接叶酸的细胞荧光标记共聚焦显微镜下的叠加场、明场、暗场的比较图像。图中用的是NaGdF₄:Yb³⁺，Er³⁺SiO₂-NH₂纳米晶链接叶酸后，标记的宫颈癌细胞(HeLa细胞)。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明中稀土离子掺杂四氟钆钠纳米晶的制备作进一步说明，其目的仅在于更好理解本发明的内容而非限制本发明的保护范围。

各实施例中所述的稀土盐的总量，是包括三氯化钆在内的所有稀土盐的合计用量。所述的稀土离子掺杂，是指镱、铒、铥、钬离子的掺杂；所有实施例中都有稀土离子镱的掺杂。

实施例1

①将2.4mmol氟化铵与6mL乙二醇混合在称量瓶中，室温搅拌2h至均匀，得到NH₄F/EG混合溶液。

②先称取0.15g聚乙烯亚胺到另一称量瓶中，然后按比例加入氯化钠、三氯化钆，六水合三氯化镱，六水合三氯化铒；三氯化钆与聚乙烯亚胺按摩尔比1∶6的比例计算，六水合三氯化铒、六水合三氯化镱和三氯化钆的摩尔比为2％∶20％～70％∶28％～78％的比例计算；稀土盐的总量为0.6mmol，氯化钠与稀土盐的总量的摩尔比为1∶1。在同一称量瓶中，注射入9mL乙二醇。

③当混合至均匀溶液时，快速注入已制备好的氟化铵的乙二醇溶液，搅拌约10min，将溶液装入微波反应釜衬中，放入微波反应器中200℃，反应10min，冷却至常温。

④反应产物直接离心，沉淀用水和乙醇分别反复洗涤，除去反应中的乙二醇和未反应的多余的聚乙烯亚胺，然后分散在乙醇中，即可制备分散性良好的水溶性的NaGdF₄:Yb³⁺，Er³⁺稀土荧光纳米粒子。

产物经X射线粉末衍射鉴定为四方相NaGdF₄:Yb³⁺，Er³⁺纳米晶(如图1中a)；透射电镜(TEM)检测产物形貌，氟化铈纳米粒子为类球状，大小约40nm(如图3)。

实施例2

①将4.8mmol氟化铵与6mL乙二醇混合在称量瓶中，室温搅拌2h至均匀，得到NH₄F/EG混合溶液。

②先称取0.24g聚乙烯亚胺到另一称量瓶中。然后按比例加入氯化钠、三氯化钆，六水合三氯化镱，六水合三氯化铒；六水合三氯化钆与聚乙烯亚胺按摩尔比1∶8的比例计算，六水合三氯化铒、六水合三氯化镱和三氯化钆的摩尔比为2％∶20％～70％∶28％～78％，稀土盐的总量为0.6mmol，氯化钠与稀土盐的总量的摩尔比为1∶1。在同一称量瓶中，注射入9mL乙二醇。

产物经X射线粉末衍射鉴定为四六方混合相NaGdF₄:Yb³⁺，Er³⁺纳米晶(如图1中b)。

实施例3

①将6.0mmol氟化铵与6mL乙二醇混合在称量瓶中，室温搅拌2h至均匀，得到NH₄F/EG混合溶液。

②先称取0.30g聚乙烯亚胺到另一称量瓶中。然后按比例加入氯化钠、三氯化钆，六水合三氯化镱，六水合三氯化铒；三氯化钆与聚乙烯亚胺按摩尔比1∶10的比例计算，六水合三氯化铒、六水合三氯化镱和三氯化钆的摩尔比为2％∶20％～70％∶28％～78％，稀土盐的总量为0.6mmol，氯化钠与稀土盐的总量的摩尔比为1∶1。在同一称量瓶中，注射入9mL乙二醇。

产物经X射线粉末衍射鉴定为四六方混合相NaGdF₄:Yb³⁺，Er³⁺纳米晶(如图1中d)。

实施例4

①将7.2mmol氟化铵与6mL乙二醇混合在称量瓶中，室温搅拌2h至均匀，得到NH₄F/EG混合溶液。

②先称取0.36g聚乙烯亚胺到另一称量瓶中。然后按比例加入氯化钠、三氯化钆，六水合三氯化镱，六水合三氯化铒；六水合三氯化钆与聚乙烯亚胺按摩尔比1∶12的比例计算，六水合三氯化铒、六水合三氯化镱和三氯化钆的摩尔比为2％∶20％～70％∶28％～78％，稀土盐的总量为0.6mmol，氯化钠与稀土盐的总量的摩尔比为1∶1。在同一称量瓶中，注射入9mL乙二醇。

⑤取0.2mL，0.2molL^-1NaGdF₄:Yb³⁺，Er³⁺纳米晶的乙醇溶液和15mL水，15mL乙醇，0.5mL氨水超声混合均匀，将已经制备好的10mL，0.06molL^-1TEOS的乙醇溶液逐滴滴加到混合均匀的溶液中，超声后搅拌至均匀溶液。离心得到产物并用水洗涤两次，分散到乙醇中，制备得表面包裹一层二氧化硅的稀土离子掺杂四氟钆钠纳米晶(NaGdF₄:Yb³⁺，Er³⁺SiO₂纳米晶)。

⑥取3mL，0.2molL^-1 NaGdF₄:Yb³⁺，Er³⁺SiO₂纳米晶的乙醇溶液与4mL水，20mL乙醇，0.5mL氨水超声混合均匀，将0.02mL正硅酸乙酯(TEOS)、0.1mL 3-氨丙基三乙氧基硅烷(APS)和10mL乙醇溶液超声搅拌滴加到纳米晶混合溶液中，至均匀溶液。离心得到产物并用水洗涤两次，分散到DMSO中，制备得氨基化的表面包裹一层二氧化硅的稀土离子掺杂四氟钆钠纳米晶(NaGdF₄:Yb³⁺，Er³⁺SiO₂-NH₂纳米晶)。

⑦在惰性气体保护下，将5mg叶酸，2.1mg EDC和6mg NHS溶解在20mLDMSO中混合均匀，然后将3mL NaGdF₄:Yb³⁺，Er³⁺SiO₂-NH₂的DMSO溶液逐滴滴加到混合均匀的溶液中，室温下搅拌3h。离心得到产物并用磷酸盐缓冲溶液(PBS)洗涤两次，分散到PBS缓冲溶液中以备测试用。

产物经X射线粉末衍射鉴定为六方相NaGdF₄:Yb³⁺，Er³⁺纳米晶(如图1中d)；透射电镜(TEM)检测产物形貌，氟化铈纳米粒子为爆米花状，大小约65nm(如图4)。在980nm激光器照射下的荧光发射光谱如图5所示。NaGdF₄:Yb³⁺，Er³⁺SiO₂-NH₂纳米晶连接叶酸后标记癌细胞后的共聚焦荧光显微镜的叠加场，明场，暗场照片如图9。

实施例5

②先称取0.36g聚乙烯亚胺到另一称量瓶中。然后按比例加入氯化钠、六水合三氯化钆，六水合三氯化镱，六水合三氯化铥；三氯化钆与聚乙烯亚胺按摩尔比1∶12的比例计算，六水合三氯化铥、六水合三氯化镱和三氯化钆的摩尔比为0.2％～3％∶20％∶77％～79.8％，稀土盐的总量为0.6mmol，氯化钠与稀土盐的总量的摩尔比为1∶1。在同一称量瓶中，注射入9mL乙二醇。

④反应产物直接离心，沉淀用水和乙醇分别反复洗涤，除去反应中的乙二醇和未反应的多余的聚乙烯亚胺，然后分散在乙醇中，即可制备分散性良好的水溶性的NaGdF₄:Yb³⁺，Tm³⁺稀土荧光纳米粒子。

⑤取0.2mL，0.2molL^-1NaGdF₄:Yb³⁺，Tm³⁺纳米晶的乙醇溶液和15mL水，15mL乙醇，0.5mL氨水超声混合均匀，将已经制备好的10mL，0.06molL^-1TEOS的乙醇溶液逐滴滴加到混合均匀的溶液中，超声后搅拌至均匀溶液。离心得到产物并用水洗涤两次，分散到乙醇中，制备得表面包裹一层二氧化硅的稀土离子掺杂四氟钆钠纳米晶(NaGdF₄:Yb³⁺，Tm³⁺SiO₂纳米晶)。

⑥取3mL浓度为0.2molL^-1的NaGdF₄:Yb³⁺，Tm³⁺SiO₂纳米晶的乙醇溶液与4mL水，20mL乙醇，0.5mL氨水超声混合均匀，将0.02mL正硅酸乙酯(TEOS)、0.1mL 3-氨丙基三乙氧基硅烷(APS)和10mL乙醇溶液超声搅拌滴加到纳米晶混合溶液中，至均匀溶液。离心得到产物并用水洗涤两次，分散到DMSO中，制备得氨基化的表面包裹一层二氧化硅的稀土离子掺杂四氟钆钠纳米晶(NaGdF₄:Yb³⁺，Tm³⁺SiO₂-NH₂纳米晶)。

⑦在惰性气体保护下，将5mg叶酸，2.1mg EDC和6mg NHS溶解在20mLDMSO中混合均匀，然后将3mL NaGdF₄:Yb³⁺，Tm³⁺SiO₂-NH₂的DMSO溶液逐滴滴加到混合均匀的溶液中，室温下搅拌3h。离心得到产物并用磷酸盐缓冲溶液(PBS)洗涤两次，分散到PBS缓冲溶液中以备测试用。

在980nm激光器照射下的荧光发射光谱如图6所示。

实施例6

②先称取0.36g聚乙烯亚胺到另一称量瓶中。然后按比例加入氯化钠、三氯化钆，六水合三氯化镱，六水合三氯化钬，六水合三氯化铥；其中六水合三氯化镱，六水合三氯化钬，六水合三氯化铥，三氯化钆的摩尔比为20∶0.2∶0.2-2.0∶77.8-79.6，稀土盐的总量为0.6mmol，氯化钠与稀土盐的总量的摩尔比为1∶1。在同一称量瓶中，注射入9mL乙二醇。

④反应产物直接离心，沉淀用水和乙醇分别反复洗涤，除去反应中的乙二醇和未反应的多余的聚乙烯亚胺，然后分散在乙醇中，即可制备分散性良好的水溶性的NaGdF₄:Yb³⁺，Ho³⁺，Tm³⁺稀土荧光纳米粒子。

⑤取0.2mL，0.2molL^-1NaGdF₄:Yb³⁺，Ho³⁺，Tm³⁺纳米晶的乙醇溶液和15mL水，15mL乙醇，0.5mL氨水超声混合均匀，将已经制备好的10mL，0.06molL^-1TEOS的乙醇溶液逐滴滴加到混合均匀的溶液中，超声后搅拌至均匀溶液。离心得到产物并用水洗涤两次，分散到乙醇中，制备得表面包裹一层二氧化硅的稀土离子掺杂四氟钆钠纳米晶(NaGdF₄:Yb³⁺，Ho³⁺，Tm³⁺SiO₂纳米晶)。

⑥取3mL，0.2molL^-1 NaGdF₄:Yb³⁺，Ho³⁺，Tm³⁺SiO₂纳米晶的乙醇溶液与4mL水，20mL乙醇，0.5mL氨水超声混合均匀，将0.02mL正硅酸乙酯(TEOS)、0.1mL 3-氨丙基三乙氧基硅烷(APS)和10mL乙醇溶液超声搅拌滴加到纳米晶混合溶液中，至均匀溶液。离心得到产物并用水洗涤两次，分散到DMSO中，制备得氨基化的表面包裹一层二氧化硅的稀土离子掺杂四氟钆钠纳米晶(NaGdF₄:Yb³⁺，Ho³⁺，Tm³⁺SiO₂-NH₂纳米晶)。

⑦在惰性气体保护下，将5mg叶酸，2.1mg EDC和6mg NHS溶解在20mLDMSO中混合均匀，然后将3mL NaGdF₄:Yb³⁺，Ho³⁺，Tm³⁺SiO₂-NH₂的DMSO溶液逐滴滴加到混合均匀的溶液中，室温下搅拌3h。离心得到产物并用磷酸盐缓冲溶液(PBS)洗涤两次，分散到PBS缓冲溶液中以备测试用。

在980nm激光器照射下的荧光发射光谱如图7所示。

实施例7

在实施例4，实施例5，实施例6中，放入微波反应器里200℃反应10min-1h，均可得到分散性良好的水溶性的NaGdF₄:Yb³⁺，Ln³⁺稀土荧光纳米晶。增加反应时间会使粒径增大，纳米晶结晶化好以致荧光效率高。

实施例8

在实施例4，实施例5，实施例6中，放入微波反应器里220℃反应10min-1h，均可得到分散性良好的水溶性的NaGdF₄:Yb³⁺，Ln³⁺稀土荧光纳米晶。增加反应温度会使粒径增大，纳米晶结晶化好以致荧光效率高。

实施例9

在实施例1-8中氟化铵的量按与稀土盐的总量(即，三氯化钆，六水合三氯化镱和六水合三氯化铒/六水合三氯化钬/六水合三氯化铥的总量)摩尔比1∶4～12的比例计算，均可得到分散性良好的水溶性的NaGdF₄:Yb³⁺，Ln³⁺稀土荧光纳米晶。

实施例10

在实施例1-9中，氟化铵与乙二醇按摩尔比为1∶60～120的比例混合，稀土盐的总量(即，三氯化钆，六水合氯化镱和六水合氯化铒/六水合氯化钬/六水合氯化铥的总量)与乙二醇按摩尔比1∶269～537的比例混合，均可得到分散性良好的水溶性的NaGdF₄:Yb³⁺，Ln³⁺稀土荧光纳米晶。

Claims

1.一种水溶性稀土掺杂四氟钆钠荧光标记纳米晶，其特征是，所述的稀土掺杂，稀土离子是Yb³⁺和Ln³⁺，其中Ln³⁺=Er³⁺、Tm³⁺或Ho³⁺，按摩尔比Yb³⁺∶Ln³⁺∶Gd³⁺=20～70∶0.2～3∶28～79.8，或者Ln³⁺=Ho³⁺和Tm³⁺，按摩尔比Yb³⁺∶Ho³⁺∶Tm³⁺∶Gd³⁺=20∶0.2∶0.2～2.0∶77.8～79.6；所述的纳米晶，具有四方相或/和六方相，纳米粒子呈球状或/和爆米花状，平均粒径40～65nm，聚乙烯亚胺包覆在纳米晶的表面，在聚乙烯亚胺包覆层的外面包覆有二氧化硅层。

2.根据权利要求1所述的水溶性稀土掺杂四氟钆钠荧光标记纳米晶，其特征是，表面包裹一层二氧化硅的稀土离子掺杂四氟钆钠纳米晶修饰有氨基。

3.一种水溶性稀土掺杂四氟钆钠荧光标记纳米晶的制备方法，有以下步骤：

1）将氟化铵与乙二醇按摩尔比为1∶60～120的比例混合，搅拌至均匀，得到氟化铵的乙二醇溶液；

2）将三氯化钆、聚乙烯亚胺和乙二醇按摩尔比1∶4～8∶269～537的比例称量到容器中，加入氯化钠、六水合三氯化镱和其它稀土离子源，搅拌至均匀得到反应混合物；所述的其它稀土离子源，是六水合三氯化铒、六水合三氯化铥、六水合三氯化钬中的一种，或者是六水合三氯化铥和六水合三氯化钬；氯化钠与稀土盐的总量的摩尔比为1∶1；

3）在反应混合物中加入氟化铵的乙二醇溶液，装入微波反应器的内衬中，放入微波反应器里，在200～240℃下反应10～60分钟，反应结束后自然冷却至常温，得到反应产物；其中，稀土离子总摩尔数与氟离子摩尔数之比为1∶4～12；

4）反应产物直接离心，沉淀分别用水和乙醇洗涤，除去乙二醇和未反应的聚乙烯亚胺，再真空干燥，分散在乙醇中，制得水溶性稀土掺杂四氟钆钠荧光标记纳米晶。

4.根据权利要求3所述的水溶性稀土掺杂四氟钆钠荧光标记纳米晶的制备方法，其特征是，在水溶性稀土掺杂四氟钆钠荧光标记纳米晶表面包裹一层二氧化硅，具体的制备过程如下：

取浓度0.2molL^-1稀土掺杂四氟钆钠荧光标记纳米晶的乙醇溶液和水、乙醇、氨水超声混合均匀，得到纳米晶混合溶液，其中纳米晶的乙醇溶液、水、乙醇、氨水按体积比为0.2∶15∶15∶0.5；将浓度0.06molL^-1正硅酸乙酯的乙醇溶液超声搅拌下滴加到纳米晶混合溶液中，至混合均匀，其中纳米晶的乙醇溶液与正硅酸乙酯的乙醇溶液体积比为0.2∶10；离心得到的产物用水洗涤两次，分散到乙醇中，制得表面包裹二氧化硅的稀土离子掺杂四氟钆钠荧光标记纳米晶。

5.根据权利要求4所述的水溶性稀土掺杂四氟钆钠荧光标记纳米晶的制备方法，其特征是，制备氨基修饰的表面包裹一层二氧化硅的水溶性稀土掺杂四氟钆钠荧光标记纳米晶，具体的制备过程如下：

取3mL浓度为0.2molL^-1的表面包裹二氧化硅的稀土离子掺杂四氟钆钠荧光标记纳米晶的乙醇溶液与水、乙醇、氨水超声混合均匀，得到包裹二氧化硅纳米晶混合溶液，其中表面包裹二氧化硅的纳米晶的乙醇溶液、水、乙醇和氨水按体积比为3∶4∶20∶0.5；将0.02mL正硅酸乙酯、0.1mL3-氨丙基三乙氧基硅烷和10mL乙醇溶液超声搅拌滴加到纳米晶混合溶液中，至均匀溶液；离心得到产物并用水洗涤两次，分散到二甲基亚砜中，制备得氨基修饰的表面包裹一层二氧化硅的稀土离子掺杂四氟钆钠荧光标记纳米晶。