CN103045250A - 一种近红外发光生物荧光标记材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种近红外发光生物荧光标记材料，其晶体结构为菱形六面体结构，分子式为Ba3[P(1-x)MnxO4]2，其中0.002≤x≤0.025。本发明还公开了上述材料的制备方法，包括以下步骤：（1）按元素摩尔比称取含有钡、磷及的锰化合物原料；（2）经过研磨混匀后，控制温度在300～500℃条件下预烧3～8小时；（3）将预烧后的样品取出，再次研磨混匀后，在温度为900～1100℃下烧制10～20小时，制得近红外发光的荧光粉末。本发明制备的荧光标记材料具有发光强、化学稳定性好、耐水性能优良、宽激发、发射峰较窄、寿命长、生物相容性好等优点。
Description
技术领域
本发明涉及近红外发光材料，特别涉及一种近红外发光生物荧光标记材料及制备方法。
背景技术
荧光探针技术由于高灵敏度、高选择性、特性参数多、动态范围宽而在许多学科领域的研究工作中发挥着重要作用。随着荧光探针合成技术的不断发展，其应用也愈加广泛。
传统的有机荧光团主要有：荧光素类染料、罗丹明类染料、菁染料、其他荧光染料等。这些有机染料吸收光谱较窄，发射光谱宽且交叠，水溶性较差，容易发生分解，不易与生物分子偶联，稳定性较差；另外，生物体系的复杂性经常需要同时观察几种组分，如果用染料分子染色，则需要用不同波长的光来激发。因此，应用于生物等领域中就有一定的局限性。
量子点与传统的有机荧光染料相比，具有宽激发、发射峰较窄并且对称、发射波长可通过控制它的尺寸大小和组成来调节、荧光强度及稳定性是普通荧光染料的100倍左右、生物体系中几乎没有光漂白现象、生物相容性好等优点，这些特性使它们克服了有机荧光团作为探针而难以解决的问题，但是，量子点一般具有生物毒性，虽然通过包覆方法可以减弱毒性，可同时也减弱了它的光学性能，所以关于量子点在生物等领域中应用还在研究和探索中。稀土掺杂发光材料相对于有机染料和量子点材料，毒性低，但随着稀土价格提升，使其研究和生产成本也越来越高。
传统的有机荧光团、量子点和稀土掺杂发光材料除了上述优缺点外，它们发光区域主要在可见光区域或1100nm以下的近红外区域。目前，随着生物医学影像技术的不断发展，近红外荧光成像技术在生物医学研究领域得到了越来越多的关注和应用。其中，近红外二区（1000nm～1400nm）荧光对生物组织穿透能力强，成像信噪比高，故该区域荧光成像技术在生物活体成像领域已展现出巨大潜力。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种近红外发光生物荧光标记材料，是采用价格低的锰离子作为激活剂，无毒、发光强、化学稳定性好、耐水性能优良，其近红外发光主要是在近红外二区（1000nm～1400nm），具有宽激发、发射峰较窄、寿命长、荧光强度及稳定性超过有机染料和量子点、生物体系中几乎没有光漂白现象、生物相容性好等优点。本发明的另一目的在于提供上述近红外发光生物荧光标记材料的制备方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种近红外发光生物荧光标记材料，其晶体结构为菱形六面体结构，分子式为Ba3[P(1-x)MnxO4]2，其中0.002≤x≤0.025。
一种近红外发光生物荧光标记材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）按元素摩尔比Ba：P：Mn=3：2(1-x)：2x，其中0.002≤x≤0.025，准确称量含钡化合物原料、含磷化合物原料及含锰化合物原料；
（2）经过研磨混匀后，在温度为300～500℃的条件下预烧3～8小时；
（3）将预烧后的样品取出，再次研磨混匀后，在温度为900～1100℃下烧制10～20小时，制得近红外发光的锰掺杂荧光体粉末。
步骤（3）之后还进行以下步骤：
（4）把制备好的近红外发光荧光体粉末分散在乙醇中，用飞秒激光在500～1000mW的功率下进行激光粉碎，得到直径为20～80nm颗粒。
所述含钡化合物原料为碳酸钡、碳酸氢钡、硝酸钡、氯化钡、氧化钡、草酸钡和醋酸钡等中的任一种。
所述含磷化合物原料为磷酸铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵中的任一种。
所述含锰化合物原料为三氧化二锰、锰粉、碳酸锰、氯化锰、硝酸锰、醋酸锰及草酸锰等中的任一种。
与现有技术相比，本发明具有以下有优点与有益效果：
（1）本发明制备的近红外发光生物荧光标记材料，具有在紫外区域和500～1000nm光谱区吸收，在激发波长为200～400nm和550～900nm光谱区的激发光激发下具有覆盖1100～1300nm区间的近红外荧光，其荧光寿命为约为500～600微秒；宽的激发光谱区、窄的发射光区域、在1183nm附近处有很强的近红外发光；无毒、发光强、化学稳定性好、耐水性能优良，稳定性超过有机染料和量子点、生物体系中几乎没有光漂白现象、生物相容性好。
（2）本发明的近红外发光生物荧光标记材料，以价格低的锰离子作为激活剂，制备成本低。
（3）本发明的近红外发光生物荧光标记材料的制备方法，可以在空气中低温（≤1100℃）烧制。
附图说明
图1为本发明的实施例1制备的锰离子掺杂磷酸钡的紫外-可见-近红外吸收光谱。
图2为本发明的实施例1制备的锰离子掺杂磷酸钡在发射波长为1183nm下的激发光谱。
图3为本发明的实施例1制备的锰离子掺杂磷酸钡在激发波长为680nm下的发射光谱。
图4为本发明的实施例1制备的锰离子掺杂磷酸钡分别在激发波长为260、300、690和800nm下的发射光谱。
图5为本发明的实施例1制备的不同浓度的锰离子（0.2、0.5、1、1.5、2.0、2.5mol%）掺杂磷酸钡的发射光谱，监测波长为1183nm，激发波长为680nm。
图6为本发明的实施例1制备的不同浓度的锰离子（0.2、0.5、1、1.5、2.0、2.5mol%）掺杂对磷酸钡的发光强度的影响。
图7为本发明的实施例1制备的锰离子掺杂磷酸钡的荧光衰减曲线，监测波长为1183nm，激发波长为680nm。
图8为本发明的实施例1制备的锰离子掺杂磷酸钡的荧光寿命和锰离子掺杂浓度（0.2、0.5、1、1.5、2.0、2.5mol%）的关系。
图9为本发明的实施例1制备的锰离子掺杂磷酸钡荧光强度与荧光寿命与温度（10~300K）的关系。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
选取碳酸钡、磷酸铵及三氧化二锰作起始原料，按照Ba3[P(1-x)MnxO4]2（x=0.2、0.5、1、1.5、2.0、2.5mol%）所示摩尔比，分别准确称取三种原料，控制混合物总重为50克左右。50克混合物经球磨混匀后，放入刚玉坩埚，然后将坩埚放入高温电炉。精确控制升温速率，控制硫酸铵化合物分解反应速度，防止混合物从坩埚中溢出，样品在400℃预烧5小时。将预烧后的样品取出，再次研磨混匀，放入坩埚，在1000℃烧制14小时，即得到五价锰离子掺杂磷酸钡近红外发光材料。把制备好的近红外发光荧光体粉末分散在乙醇中，运用飞秒激光技术，在功率为800mW左右条件下进行激光粉碎，得到直径为20～80纳米颗粒。X射线衍射分析表明样品为Ba3(PO4)2纯相。
本实施例制备的锰离子掺杂磷酸钡近红外发光生物荧光标记材料在紫外区域和500～1000nm光谱区具有吸收（见图1）；其激发光谱峰带在紫外区域（200～400nm）和500～900nm光谱区，三个激发峰峰位位于～260nm、300nm和680nm（见图2）；在激发波长为680nm的激发下可以产生峰位位于1183nm的近红外发光，荧光覆盖1100～130nm光谱区（见图3）；分别在260nm、300nm、690nm及800nm的激发光激发下，荧光覆盖1100～130nm光谱区，发射峰峰位位于都在1183nm（见图4）。不同浓度的锰离子掺杂磷酸钡发射光谱（见图5）及锰离子浓度对本发明制备的近红外发光生物荧光标记材料的发光强度的影响（见图6），从图6可知，锰离子的最佳掺杂浓度为1mol%左右。图7显示了锰离子掺杂磷酸钡近红外发光生物荧光标记材料荧光寿命曲线，图8显示了锰离子掺杂磷酸钡近红外发光生物荧光标记材料荧光寿命与锰离子掺杂浓度的关系。图9显示了温度在10～300K范围内变化对本发明制备的近红外发光生物荧光标记材料的荧光寿命和荧光强度的影响。
实施例2
选取硝酸钡、磷酸氢二铵和硝酸锰作起始原料，按照Ba3[P(1-x)MnxO4]2（x=0.2、0.5、1、1.5、2.0、2.5mol%）所示摩尔比，分别称取三种原料，控制混合物总重为50克左右。50克混合物经球磨混匀后，放入刚玉坩埚，然后将坩埚放入高温电炉。精确控制升温速率，控制硫酸铵化合物分解反应速度，防止混合物从坩埚中溢出，样品在400℃预烧5小时。将预烧后的样品取出，再次研磨混匀，放入坩埚，在1000℃烧14小时，即得到五价锰离子掺杂磷酸钡近红外发光荧光体。把制备好的近红外发光荧光体粉末分散在乙醇中，运用飞秒激光技术，在功率为500mW左右条件下进行激光粉碎，得到直径为20～80nm颗粒。X射线衍射分析表明样品为Ba3(PO4)2纯相。锰离子掺杂磷酸钡近红外发光材料的光谱性质及性能同实施例1中类似。
实施例3
选取氯化钡、磷酸二氢铵及氯化锰作起始原料，按照Ba3[P(1-x)MnxO4]2（x=0.2、0.5、1、1.5、2.0、2.5mol%）所示摩尔比，分别称取三种原料，控制混合物总重为50克左右。50克混合物经球磨混匀后，放入刚玉坩埚，然后将坩埚放入高温电炉。精确控制升温速率，控制硫酸铵化合物分解反应速度，防止混合物从坩埚中溢出，样品在400℃预烧5小时。将预烧后的样品取出，再次研磨混匀，放入坩埚，在1000℃烧14小时，即得到五价锰掺杂磷酸钡近红外发光荧光体。运用现代飞秒激光技术，在功率为1000mW左右条件下进行激光粉碎，得到直径为20～80纳米颗粒。X射线衍射分析表明样品为Ba3(PO4)2纯相。锰离子掺杂磷酸钡近红外发光材料的光谱性质及性能同实施例1中类似。
实施例4
选取碳酸氢钡、磷酸铵及草酸锰作起始原料，按照Ba3[P(1-x)MnxO4]2（x=0.2、0.5、1、1.5、2.0、2.5mol%）所示摩尔比，分别称取三种原料，控制混合物总重为50克左右。50克混合物经球磨混匀后，放入刚玉坩埚，然后将坩埚放入高温电炉。精确控制升温速率，控制硫酸铵化合物分解反应速度，防止混合物从坩埚中溢出，样品在400℃预烧5小时。将预烧后的样品取出，再次研磨混匀，放入坩埚，在1000℃烧14小时，即得到五价锰离子掺杂磷酸钡近红外发光荧光体。把制备好的近红外发光荧光体粉末分散在乙醇中，运用现代飞秒激光技术，在功率为800mW左右条件下进行激光粉碎，得到直径为20～80纳米颗粒。X射线衍射分析表明样品为Ba3(PO4)2纯相。锰离子掺杂磷酸钡近红外发光材料的光谱性质及性能同实施例1中类似。
实施例5
选取醋酸钡、磷酸氢二铵及醋酸锰作起始原料，按照Ba3[P(1-x)MnxO4]2（x=0.2、0.5、1、1.5、2.0、2.5mol%）所示摩尔比，分别称取三种原料，控制混合物总重为50克左右。50克混合物经球磨混匀后，放入刚玉坩埚，然后将坩埚放入高温电炉。精确控制升温速率，控制硫酸铵化合物分解反应速度，防止混合物从坩埚中溢出，样品在400℃预烧4小时。将预烧后的样品取出，再次研磨混匀，放入坩埚，在1000℃烧14小时，即得到五价锰离子掺杂磷酸钡近红外发光荧光体。把制备好的近红外发光荧光体粉末分散在乙醇中，运用现代飞秒激光技术，在功率为800mW左右条件下进行激光粉碎，得到直径为20～80纳米颗粒。X射线衍射分析表明样品为Ba3(PO4)2纯相。锰离子掺杂磷酸钡近红外发光荧光体的光谱性质及性能同实施例1中类似。
实施例6
选取硝酸钡、磷酸二氢铵及锰粉作起始原料，按照Ba3[P(1-x)MnxO4]2（x=0.2、0.5、1、1.5、2.0、2.5mol%）所示摩尔比，分别称取三种原料，控制混合物总重为50克左右。50克混合物经球磨混匀后，放入刚玉坩埚，然后将坩埚放入高温电炉。精确控制升温速率，控制硫酸铵化合物分解反应速度，防止混合物从坩埚中溢出，样品在400℃预烧3小时。将预烧后的样品取出，再次研磨混匀，放入坩埚，在1000℃烧14小时，即得到五价锰离子掺杂磷酸钡近红外发光荧光体。把制备好的近红外发光荧光体粉末分散在乙醇中，运用现代飞秒激光技术，在功率为800mW左右条件下进行激光粉碎，得到直径为20～80纳米颗粒。X射线衍射分析表明样品为Ba3(PO4)2纯相。锰离子掺杂磷酸钡近红外发光荧光体的光谱性质及性能同实施例1中类似。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，如含钡的化合物原料还可为氧化钡、草酸钡等，含锰的化合物原料还可碳酸锰等，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种近红外发光生物荧光标记材料，其特征在于，其晶体结构为菱形六面体结构，分子式为Ba3[P(1-x)MnxO4]2，其中0.002≤x≤0.025。
2.一种近红外发光生物荧光标记材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）按元素摩尔比Ba：P：Mn=3：2(1-x)：2x，其中0.002≤x≤0.025，称取含钡化合物原料、含磷化合物原料及含锰化合物原料；
（2）经过研磨混匀后，在温度为300～500℃的条件下预烧3～8小时；
（3）将预烧后的样品取出，再次研磨混匀后，在温度为900～1100℃下烧制10～20小时，制得近红外发光的荧光体粉末。
3.根据权利要求2所述的近红外发光生物荧光标记材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）之后还进行以下步骤：
（4）把制备好的近红外发光荧光体粉末分散在乙醇中，用飞秒激光在500～1000mW的功率下进行激光粉碎，得到直径为20～80nm颗粒。
4.根据权利要求2所述的近红外发光生物荧光标记材料的制备方法，其特征在于，所述含钡化合物原料为碳酸钡、碳酸氢钡、硝酸钡、氯化钡、氧化钡、草酸钡和醋酸钡中的任一种。
5.根据权利要求2所述的近红外发光生物荧光标记材料的制备方法，其特征在于，所述含磷化合物原料为磷酸铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵中的任一种。
6.根据权利要求2所述的近红外发光生物荧光标记材料的制备方法，其特征在于，所述含锰化合物原料为三氧化二锰、锰粉、碳酸锰、氯化锰、硝酸锰、醋酸锰及草酸锰中的任一种。
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