CN103194228A - 用于生物成像的具有光激励特性的长余辉发光材料及制备方法、应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有光激励特性的长余辉发光材料，在基体Zn_ZGa_YGe_XO_{（Z+1.5Y+2X）}中掺入0.001mol%～2mol%的Cr离子；其中，1≤X≤31≤Y≤3,1≤Z≤3。本发明还公开了上述材料的制备方法：分别称取含锌、镓、锗及铬的化合物原料，经研磨混匀后在1000℃预烧1～3小时后取出，再次研磨后，于1150～1250℃烧制2～5小时。本发明制备的有光激励特性的长余辉发光材料，以通过调节激发功率和激发波长来实现发射波长强度的调控，并且可以多次激发，从而能够被很好的应用于生物荧光标记成像，解决长余辉材料不能再次激发利用的世界性难题。

Description

用于生物成像的具有光激励特性的长余辉发光材料及制备方法、应用

技术领域

本发明涉及一种用于生物活体成像和生物荧光标记的材料，特别涉及一种具有光激励特性的长余辉发光材料。

背景技术

随着生物医学研究的发展，对研究对象的要求也越来越高，生物医学科研人员希望能够在活体或者小动物体内发生的生理生物学过程进行直接观察。目前生物医学研究主要采用取材后离体研究的方法，比如体外建立细胞株、做组织切片等。离体研究的方法为目前的研究提供了大量的信息和依据，也极大地促进了生物医学的进步。但是随着认识的深入，当前生物医学研究的结果已经向我们表明，生物对象的研究不能脱离它所在的环境，随对生物医学的主要研究对象、分子、细胞、组织来说更是如此，他们与周围的环境有着广泛的生物学作用，离体研究常常破坏了这些联系，使得体外研究的结果与体内的实际作用不相符合。为了更进一步地促进研究，近些年来许多基于活体成像的技术被发展起来。而其中光学技术由于其成熟性强，使用方便等优点被广泛应用于此类研究。

光学成像以光子作为信息源，代表了一个快速延伸的领域并被直接应用于药理学、分子细胞生物学和诊断学。但是这种技术仍然存在许多局限性，尤其是在体内光照时产生的组织自发荧光和在短波激发光照射下的弱的组织渗透性。为了克服这些困难，科学家研究了一系列无机发光材料，发射光是在近红外区域（NIR），分子发射近红外光（700～1000ｎｍ），可以用于活体分子目标的探测，因为生物体血液和组织在这个波长范围内内是相对透明的，从而减少了体内背景干扰造成的难题。但是由于不少荧光材料的激发光都是位于短波长区域，这样就既不便于激发荧光材料，更不便于观察现象。因此有不少的研究人员提出用近红外的长余辉材料来替代普通的荧光材料，从而实现在体外激发，注射到体内之后仍然存在的余辉依然可以用来做生物的荧光标记。而且相对于其他的成像标记材料，长余辉材料用以作为生物荧光标记材料独一无二的优点是可以用以观察标记材料的扩散，这是其他任何标记材料所不具备的。但是这又带来了新的问题，长余辉成像采用的是体外激发，体内发光成像的模式，而长余辉材料的特性则是发光强度随着时间的增长逐渐衰减，同时长余辉材料的长余辉有效激发光常常位于紫外光波段，而紫外光和可见光在体内的受到组织细胞的较强吸收，因此当标记材料的余晖强度降低到某一个检测设备不能响应的位置时，成像便不得不停止，如果此时检测仍未完成，则不得不重新注入标记材料，这不但增大了代谢负担和对人体脏器的伤害，同时也增加检测成本，延长了检测周期。因此一般的长余辉材料成像只能用来一次检验，无法实现多次检测。因此为了更有效的使用长余辉材料作为生物活体成像和荧光标记的基底材料，必须开发一种可以多次反复使用的长余辉材料。

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具有光激励特性的长余辉发光材料，当长余辉强度变弱时，通过在700-1000nm的生物透过窗口范围内选择激发光，从而使得长余辉发光重现，强度增强。从而实现长余辉材料的可以反复利用，其光激励发光特性能够被很好的应用于生物荧光标记成像，解决长余辉材料不能再次激发利用的世界性难题。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种用于生物成像的具有光激励特性的长余辉发光材料，在基体Zn_ZGa_YGe_XO_{（Z+1.5Y+2X）}中掺入0.001mol%～2mol%的Cr离子；其中，1≤X≤3,1≤Y≤3,1≤Z≤3。

所述的用于生物成像的具有光激励特性的长余辉发光材料的制备方法，包括以下步骤：

分别称取含锌、镓、锗及铬的化合物原料，经研磨混匀后在1000℃预烧1～3小时后取出，再次研磨后，于1150～1250℃烧制2～5小时。

所述的用于生物成像的具有光激励特性的长余辉发光材料应用于生物荧光标记成像。

本发明基于的理论为：长余辉材料一般都具有较多的陷阱，用来存贮吸收的能量。按照陷阱可以存储的能量来分，可以分为深陷阱和浅陷阱。而且我们知道一般的长余辉材料当浅陷阱存贮的能量在室温的扰动下，即可将自己储存的能量释放出来，但是深陷阱则不然，有些位置较深的深陷阱甚至因此成为了余辉发光的猝灭剂。但是正是这样的深陷阱存储了大量的能量和信息。如果材料具有连续的陷阱团簇，红外光正好可以激发这些位置的深陷阱，将他们的能量释放出来。若是释放的过程中再次被浅陷阱和深陷阱捕获，那样就会再一次激发产生长余辉现象。同时这样的光激励发光现象由于存在的多次的释放和捕获过程，可以使用多次激发和发光。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

本发明制备的有光激励特性的长余辉发光材料，可以重复使用，其光激励发光特性能够被很好的应用于生物荧光标记成像，解决长余辉材料不能再次激发利用的世界性难题。在可见光照射下，产生了698nm的长余辉发光，并具备一定的余辉发光时间。在余辉强度较弱时，发光已经减弱，再使用700-1000nm的近红外光（商用的808nm、980nm激光器，或者是800nm的红外LED灯）再次激发后，产生强烈的698nm发光重现，并且具备一定的余晖衰减时间。此材料可以通过调节激发功率和激发波长来实现发射波长强度的调控，并且可以多次激发，可应用于生物成像。

附图说明

图1为本发明的实施例1制备的样品的荧光光谱及激发光谱。

图2为本发明的实施例1制备的样品的长余辉发光衰减光谱。

图3为本发明的实施例1制备的样品的光激励发光光谱及激发光谱（样品放置10小时后，激发波长980nm，功率1.2W）。

图4为本发明的实施例1制备的样品的光激励发光衰减光谱（样品放置10小时后，监测波长698nm，激发波长980nm，功率1.2W）。

图5为本发明的实施例1制备的样品放大的光激励发光衰减光谱（样品放置10小时后，监测波长698nm，激发波长980nm，功率1.2W，时间为350s到750s）。

图6本发明的实施例1制备的样品在不同激发功率下的光激励发光光谱。样品放置10小时后，激发波长980nm）。

图7为本发明的实施例1制备的样品的光激励发光光谱（样品放置10小时后，激发波长800nm，功率0.05W）。

图8为放置有本发明的实施例1制备的样品的猪肉在太阳光照射后的第24小时的黑白成像图。

图9为放置有本发明的实施例1制备的样品的猪肉在太阳光照射后的第24小时，用800nm的LED灯照射猪肉后的黑白成像图。

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

按照以下成分：基体Zn_ZGa_YGe_XO_{（Z+1.5Y+2X）}；其中，x=1,Y=2,Z=3，Cr离子的掺杂量为0.1mol%；分别称取氧化锌、氧化镓、氧化锗、氧化铬，经研磨混匀后在1000℃预烧2小时后取出，再次研磨后，于1150～1250℃烧制3小时。

本实施例制备的样品的荧光光谱如图1所示显示，在290nm激发下发出了698nm的发光，698nm的发光对应着4个激发峰，分别是290nm、320nm、400nm、515nm。图2显示了本实施例制备的样品在太阳光下照射10分钟后，并停止激发后一小时的余辉衰减情况，指数衰减的曲线显示了陷阱的捕捉机制。图3显示了经过10小时后，样品的光激励发光光谱及其激发光谱，在980nm激光激发下得到了位于698nm的光激励发光峰，但是此光激励发光峰的激发波段位于近红外区域（780nm-900nm）。

图4～5显示了用980nm激光照射样品后得到的光激励发光谱（监测波长是698nm，功率为1.2W），起先样品发光已经很弱，On表示激光器开启的瞬间，off表示激光器关闭的瞬间；698nm发光重现，强度较大，但是随着照射时间的增长，衰减也比较快，在照射了300s后强度衰减到了初始强度的3/5，此时关闭激发光源后，展示了一个比0s时的发光强度大，但是比激光照射时强度小的余辉，时间持续为400s。在连续的开关激发光几个回合后，我们发现在激光开启时的强度减小到了原强度的2/5。

图6展示了放置了24小时后的样品在980nm激光激发下，光激励发光随激发功率（激发功率分别为1.0W、0.8W、0.4W、0.1W）的变化。随着时间的不断增长，浅能级的电子不断释放，电子数量较少，当我们使用980nm激发时，激发功率越大，能量越高，所能激发到导带的电子就越多，但是由于浅能级的电子数较少，并不足以维持长时间的激发，所以衰减比较快，同时由于刚被激发时较大的能量使得大量电子在前期就已经被激发出来，因此照射后期强度较弱。但是当采用较弱的激发光时，由于起初被激发的电子数较少，从而强度较弱，但是强度衰减的时间却较长。那么就给了我们多重选择，当我们需要一个强度较大，但是时间较短的发射光时，我们可以采用一个较大的激发功率；那么当我们需要一个较小的强度，但是时间较长的发射光时，我们可以采用一个较小的激发功率。

图7是样品放置24小时后，使用功率0.05W，波长808nm的激光器作为激发源，得到了光激励发光光谱。由于808nm所处的激发陷阱比980nm的陷阱还要深，因此在此时808nm所能激发的陷阱内电子数还很多，因此当样品受到激发时，强度增大非常明显，并且在10000s的时间内，可以多次激发。

称取1.5g的本样品粉末压制成直径1cm的圆片，在1300℃烧制5分钟后拿出。切取5cm*5cm*5cm的块状猪肉，并从中间切开一个小口。将制备的圆片在太阳光下照射10min后，放置到猪肉的小口中，将含有圆片的猪肉放置到成像设备中观察。图8是经过24小时后的猪肉的黑白成像图，我们发现圆片的发光已经变的很弱了。图9为24小时后用800nm的LED灯照射猪肉后的黑白成像图。我们发现发光重现，表明这种材料可以成功的应用于生物成像，并且在长余辉减弱时还能重新利用，从而解决长余辉材料不能再次激发利用的世界性难题。

实施例2

按照以下成分：基体Zn_ZGa_YGe_XO_{（Z+1.5Y+2X）}；其中，x=2,Y=1,Z=3，Cr离子的掺杂量为2mol%；分别称取氧化锌、氧化镓、氧化锗、氧化铬，经研磨混匀后在1000℃预烧3小时后取出，再次研磨后，于1150烧制5小时。

实施例3

按照以下成分：基体Zn_ZGa_YGe_XO_{（Z+1.5Y+2X）}；其中x=3,Y=3,Z=2，Cr离子的掺杂量为1mol%；分别称取氧化锌、氧化镓、氧化锗、氧化铬，经研磨混匀后在1000℃预烧1小时后取出，再次研磨后，于1200℃烧制2小时。

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，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 (3)

1.用于生物成像的具有光激励特性的长余辉发光材料，其特征在于，在基体Zn_ZGa_YGe_XO_{（Z+1.5Y+2X）}中掺入0.001mol%～2mol%的Cr离子；其中，1≤X≤3,1≤Y≤3,1≤Z≤3。

2.权利要求1所述的用于生物成像的具有光激励特性的长余辉发光材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

分别称取含锌、镓、锗及铬的化合物原料，经研磨混匀后在1000℃预烧1～3小时后取出，再次研磨后，于1150～1250℃烧制2～5小时。

3.权利要求1所述用于生物成像的具有光激励特性的长余辉发光材料应用于生物荧光标记成像。

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