CN103232849A - 氨基酸修饰的水溶性稀土上转换发光纳米粒子的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种氨基酸修饰的水溶性的稀土上转换发光纳米粒子的制备方法，该方法以高发光强度的油酸修饰的NaYF₄：Yb/Er上转换纳米粒子为基础，在pH3-5的酸性环境中，用溶剂萃取的方法将NaYF₄：Yb/Er上转换纳米粒子表面的油酸除去，再用氨基酸对去除了油酸的稀土上转换纳米粒子进行功能化，得到水溶性的稀土上转换发光纳米粒子。本发明制备的稀土上转换纳米粒子不仅继承了油酸修饰的NaYF₄：Yb/Er上转换纳米粒子的高发光强度，而且完全水溶性，表面带有可供交联生物分子的氨基和羧基官能团。本制备方法简便，容易操作，具有良好的应用前景。

Description

氨基酸修饰的水溶性稀土上转换发光纳米粒子的制备方法

技术领域

本发明涉及一种水溶性稀土上转换发光纳米粒子的制备方法，制备的上转换发光纳米粒子可用于生物标记、传感和成像，属于稀土上转换发光纳米材料制备领域。

背景技术

上转换发光是通过吸收多个长波长辐射的光子被激发后发射出短波长光的发光。与常用的荧光染料分子、量子点等发光标记物相比，稀土上转换发光材料具有Stokes位移大，发光强度高，对生物体毒性低的优点，其激发光源为近红外光源（通常是980nm），避免了紫外光激发引起的生物样品的各种背景荧光的干扰，此外，近红外光对生物组织的渗透能力强、无损伤，作为生物体内的标记物具有特别的优势。因此，上转换发光材料在生物医学、临床诊断等领域有着广泛的应用前景。

各种稀土上转换发光材料中NaYF₄：Yb/Er是发光效率最高的上转换材料之一，已有多种制备NaYF₄：Yb/Er上转换发光纳米粒子的方法报道，这些方法有共沉淀法、热分解法、溶剂热法等，其中溶剂热法制备简单，反应温和，粒子大小和形貌容易控制，不需要高温煅烧就可以获得高发光强度的上转换纳米粒子。溶剂热法可使用有机相反应和水相反应制备，有机相反应获得的常是疏水的有机分子修饰的油溶性上转换纳米粒子，油溶性的稀土上转换纳米粒子通常发光强度高，如油酸修饰的NaYF₄：Yb/Er上转换纳米粒子，不仅发光强度强，而且粒子的形状和尺寸容易控制，是目前最理想、最普遍使用的一种上转换纳米粒子。然而疏水性分子修饰的油溶性上转换纳米粒子在水溶液中会发生聚集，这限制了它们在水溶液中的各种应用。水相反应制备获得的是水溶性的上转换纳米粒子，水溶性上转换纳米粒子的制备方法已有报道，陈志钢，宋岳林，田启威等(材料导报，2010，24（8），5-8)报道了一种乙二醇修饰的水溶性NaYF₄上转换发光材料；陈欢，揣晓红，王丽丽等（发光学报，2010，31（4），538-542）报道了一种聚乙烯吡咯烷酮修饰的水溶性NaYF₄上转换纳米粒子；宋维业，石峰，赵丹等（发光学报，2012，33（7），688-692）报道了一种聚丙烯酸修饰的水溶性NaYF₄上转换纳米粒子；赵军伟，单含，石冬梅等（发光学报，2012，33（3），253-257）报道了一种枝状聚乙烯亚胺修饰的水溶性NaYF₄上转换纳米粒子的制备方法。中国专利公开号CN101928033A，2010年，胡俊青,宋岳林,田启威,陈志钢,邹儒佳,吴江红公开了一种溶剂热法制备聚乙烯吡咯烷酮修饰的水溶性的NaYF₄上转换发光材料；中国专利公开号CN101289616A，2008年，贾若琨，杨珊公开了一种以丙三醇为溶剂，EDTA为配体的水溶性NaYF₄:Er³⁺/Yb³⁺上转换纳米晶；中国专利公开号CN1539917A，2004年，贾若琨,白玉白,李铁津公开了一种以硝酸钇、稀土醋酸盐为前体，通过微波炉加热和高温灼烧除水制得的可溶性的上转换纳米晶粉末。虽然各种水溶性上转换纳米粒子的制备方法已有报道，但这些方法制备的上转换纳米粒子有的需要高温反应，有的在水溶液中发光强度大大降低，有的在水溶液中分散性仍不理想，而且制备的水溶性上转换发光材料大多表面缺少活性的官能团，不能偶联其它分子，需要进一步的功能化才有可能应用于各种生物应用。

用油酸修饰的NaYF₄：Yb/Er上转换纳米粒子不仅发光强度强，而且粒子的形状和尺寸容易控制，制备简便、可靠，将油酸修饰的NaYF₄：Yb/Er上转换纳米粒子转变成水溶性的上转换纳米粒子对水溶液中的各种应用具有重要意义。油酸修饰的NaYF₄：Yb/Er上转换纳米粒子转变成水溶性的上转换纳米粒子的研究已有报道，陈志钢等将表面油酸配体氧化成亲水的壬二酸配体（Z.Chen，H.Chen，H.Hu et al，J.Am.Chem.Soc.，2008，130，3023-3029），该法使用了较复杂的工艺；Boyer等用磷酸化的聚乙二醇做配体与油酸修饰的NaYF₄上转换纳米粒子表面的油酸交换得到水溶性的NaYF₄上转换纳米粒子（J-C.Boyer，M-P.Manseau，J.I.Murray，F.C.J.M.van Veggel，Langmuir，2010，26(2)，1157-1164），这种方法需要先将聚乙二醇磷酸化反应，制备配体。

本发明提出了一种氨基酸修饰的水溶性稀土上转换纳米粒子的制备方法，该方法以油酸修饰的NaYF₄：Yb/Er上转换纳米粒子为基础，将粒子表面的油酸修饰去除后再用氨基酸修饰，制备的上转换纳米粒子不仅继承了油酸修饰的NaYF₄：Yb/Er上转换纳米粒子的高发光强度，而且完全水溶性，粒子表面带有活性官能团可用于进一步的分子连接，国内外尚未见报道。

发明内容

本发明目的：现有技术存在如下不足：有机相中制备的油溶性的稀土上转换纳米粒子发光强度高，粒子的形状和尺寸均一，但在水溶液中易聚集，限制了其在水溶液中的各种应用；目前虽已有水溶性的上转换纳米粒子的制备方法报道，但这些方法制备的上转换纳米粒子在水溶液中常常发光强度大大降低，分散性仍不理想，且上转换纳米粒子表面缺少可供偶联的活性官能团，不能直接应用于各种生物应用。本发明的目的是提供一种水溶性的、高发光强度的、表面带有活性官能团的稀土上转换发光纳米粒子的制备方法。

本发明技术方案：一种氨基酸修饰的水溶性稀土上转换发光纳米粒子的制备方法，通过溶剂萃取去除油溶性的稀土上转换纳米粒子表面的修饰分子，使稀土上转换纳米粒子表面变成没有修饰的裸露的纳米粒子；再加入水溶性的氨基酸溶液，获得氨基酸修饰的水溶性的稀土上转换发光纳米粒子；具体步骤是：

第一步将油溶性的油酸修饰的NaYF₄：Yb/Er上转换纳米粒子分散于水溶液中，搅拌，加入萃取溶剂，用酸调节溶液的pH范围在3-5，充分混合，萃取2-4次；

第二步将去除了油酸的NaYF₄：Yb/Er上转换纳米粒子重新分散于水中，加入氨基酸水溶液，搅拌下反应，得到氨基酸修饰的水溶性的稀土上转换发光纳米粒子，离心分离后将纳米粒子分别用乙醇、水清洗，于70℃烘箱中干燥后备用。

第一步中溶剂萃取时使用的溶剂是二乙醚或乙醚中一种。

第一步中溶剂萃取时溶液的pH值范围控制在3-5。通过盐酸等无机酸调节溶液的pH值。

油酸修饰的NaYF₄：Yb/Er上转换纳米粒子可根据下列方法或文献报道的方法或其它方法制备。在三颈烧瓶中分别加入油酸和十八烯，随后加入78：20：2摩尔比例的YCl₃·6H₂O/YbCl₃·6H₂O/ErCl₃·6H₂O稀土化合物的混合物，在N₂保护下搅拌30min,升温到160℃，溶液变成黄色澄清透明的溶液后降到室温，逐滴加入含NH₄F的甲醇溶液，升温至80℃并保持30min，再升温至300℃，反应1h后自然冷却至室温，弃上层液体，沉淀部分（纳米晶）分别加乙醇、乙醇/水(1:1,v/v)清洗，重复3次，所得固体置于70℃烘箱中干燥，保存于干燥器中备用。

本发明的有益效果：目前报道的水溶性上转换纳米粒子，一方面发光效率较油溶性的上转换纳米粒子低，分散性仍不够理想，另一方面纳米粒子的表面大多没有活性官能团，不能直接应用于生物分析，需要进一步功能化。本发明得到的水溶性稀土上转换纳米粒子①保留了油酸修饰的NaYF₄：Yb/Er上转换纳米粒子高发光强度的优点，是发光最强的上转换纳米粒子之一；②完全水溶性。由于溶剂萃取几乎去除了表面所有的疏水的油酸分子，表面水溶性氨基酸分子修饰彻底，较其它方法（如配体交换法）制得的水溶性更好；③粒子表面含有可供生物应用的氨基酸分子具备的活性氨基和羧基官能团,适合生物医学上的应用。此外，本发明使用的氨基酸可从商业渠道容易获得，价格便宜，避免了通常水溶性配体的复杂有机合成；制备的方法简便，容易操作和掌握。

四.附图说明

图1．赖氨酸修饰的NaYF₄：Yb/Er上转换纳米粒子的透射电镜图。

图2.NaYF₄：Yb/Er上转换纳米粒子的红外光谱图。（a）油酸修饰的，（b）无修饰裸露的，（c）赖氨酸修饰的。

图3.赖氨酸修饰的NaYF₄：Yb/Er上转换纳米粒子(0.5%,w/w)在水溶液中的荧光光谱图。

图4.油酸修饰的NaYF₄：Yb/Er上转换纳米粒子(a)和赖氨酸修饰的NaYF₄：Yb/Er上转换纳米粒子(b)在环己烷和水溶液中的溶解性。

图5.甘氨酸修饰的NaYF₄：Yb/Er上转换纳米粒子在环己烷(a)和水溶液(b)中的溶解性。

五.具体实施方式

油酸修饰的稀土上转换纳米粒子通过稀土氯化物为前驱体，油酸和十八烯分别为表面分散剂和溶剂，NH₄F为氟源合成，该纳米粒子的大小可以通过调节油酸、十八烯的比例来进行控制，生成的粒子直径通常在10-100纳米左右；然后在油酸修饰的上转换纳米粒子溶液中加入萃取溶剂并调节pH值除去上转换纳米粒子表面的油酸分子，洗涤，得到裸露的上转换纳米粒子；在含有裸露的上转换纳米粒子的水溶液中加入氨基酸，得到水溶性的氨基酸修饰的稀土上转换纳米粒子。

实施例1：赖氨酸修饰的稀土上转换（NaYF₄：Yb/Er）纳米粒子的制备

油酸修饰的NaYF₄：Yb/Er上转换纳米粒子（NaYF₄：Yb/Er）的制备：在100mL三颈烧瓶中分别加入3mL油酸和17mL十八烯，随后加入0.78mmolYCl₃·6H₂O，0.20mmol YbCl₃·6H₂O，0.02mmol ErCl₃·6H₂O，在N₂保护下搅拌30min,升温到160℃，溶液变成黄色澄清透明的溶液后降到室温，逐滴加入含NH₄F的甲醇溶液（0.148gNH₄F和0.1gNaOH溶于10mL甲醇）10mL，升温至80℃并保持30min，再升温至300℃，反应1h后自然冷却至室温，弃上层液体，沉淀部分（纳米晶）分别加乙醇、乙醇/水(1:1,v/v)清洗，重复3次，所得固体置于70℃烘箱中干燥，保存于干燥器中备用。

油酸修饰的NaYF₄：Yb/Er上转换纳米粒子表面油酸分子的去除，如静置：将上述所得油酸修饰的纳米粒子0.1克分散于10mL水溶液中，搅拌，加入5mL二乙醚，用盐酸调节pH至4.0，充分混合，静置撇除二乙醚，萃取3次。溶剂萃取时pH值范围控制在3.0-5.0。

赖氨酸修饰的NaYF₄：Yb/Er上转换纳米粒子的制备：将上述得到的去除了油酸的NaYF₄：Yb/Er上转换纳米粒子重新分散于10mL水中，加入1mL100μM赖氨酸水溶液，搅拌下反应3小时。得到的水溶性纳米晶用乙醇、水清洗后置于70℃烘箱中干燥，保存于干燥器中备用。

图1是制备的赖氨酸修饰的NaYF₄：Yb/Er上转换纳米粒子的透射电镜图，纳米粒子的大小均一，直径约为70纳米。图2分别是油酸修饰、去除油酸的和赖氨酸修饰的NaYF₄：Yb/Er上转换纳米粒子的红外光谱图，图中油酸的亚甲基峰（2934、2853cm^-1）和羧基峰（1562、1449cm^-1）消失（a,b线），出现赖氨酸的羧基和氨基峰（1470、1660、2974、2906cm^-1）（c线）表明赖氨酸已成功修饰在NaYF₄：Yb/Er上转换纳米粒子的表面。图4是油酸和赖氨酸修饰的NaYF₄：Yb/Er上转换纳米粒子在环己烷和水溶液中的溶解性比较，油酸修饰的NaYF₄：Yb/Er上转换纳米粒子易溶于环己烷而不溶于水，赖氨酸修饰的NaYF₄：Yb/Er上转换纳米粒子不溶于环己烷而易溶于水，说明氨基酸修饰的NaYF₄：Yb/Er上转换纳米粒子具有很好的水溶解性。图3是赖氨酸修饰的NaYF₄：Yb/Er上转换纳米粒子水溶液（0.5%，w/w)的荧光光谱图，发光强度高，接近油酸修饰的NaYF₄：Yb/Er上转换纳米粒子的发光强度。

实施例2：甘氨酸修饰的稀土上转换纳米粒子（NaYF₄：Yb/Er）的制备

油酸修饰的NaYF₄：Yb/Er上转换纳米粒子的制备及其表面油酸分子的去除同实施例1

甘氨酸修饰的NaYF₄：Yb/Er上转换纳米粒子的制备：将得到的去除了油酸的NaYF₄：Yb/Er上转换纳米粒子0.1克重新分散于10mL水中，加入1mL100μM甘氨酸水溶液，搅拌下反应3小时。得到的水溶性纳米晶用乙醇、水清洗后置于70℃烘箱中干燥，保存于干燥器中备用。图5是甘氨酸修饰的NaYF₄：Yb/Er上转换纳米粒子在环己烷和水溶液中的溶解性比较，甘氨酸修饰的纳米粒子在环己烷中沉淀而在水溶液中澄清透明说明甘氨酸修饰的NaYF₄：Yb/Er上转换纳米粒子在水溶液中具有很好的溶解性。

萃取溶剂亦可以使用乙醚。采用半胱氨酸或胱氨酸修饰的稀土上转换纳米粒子的制备条件与上述条件相同，得到的结果亦相同。

Claims (5)

1.一种氨基酸修饰的水溶性稀土上转换发光纳米粒子的制备方法，其特征是通过溶剂萃取去除油溶性的稀土上转换纳米粒子表面的修饰分子，使稀土上转换纳米粒子表面变成没有修饰的裸露的纳米粒子；再加入水溶性的氨基酸溶液，获得氨基酸修饰的水溶性的稀土上转换发光纳米粒子；具体步骤是：

第一步将油溶性的油酸修饰的NaYF₄：Yb/Er上转换纳米粒子分散于水溶液中，搅拌，加入萃取溶剂，用盐酸调节溶液的pH范围在3-5，充分混合，萃取2-4次；

第二步将去除了油酸的NaYF₄：Yb/Er上转换纳米粒子重新分散于水中，加入氨基酸水溶液，搅拌下反应，得到氨基酸修饰的水溶性的稀土上转换发光纳米粒子，离心分离后将纳米粒子分别用乙醇、水清洗，于70℃烘箱中干燥后备用。

2.根据权利要求1所述的一种氨基酸修饰的水溶性稀土上转换发光纳米粒子的制备方法使用的油溶性的稀土上转换纳米粒子是油酸修饰的NaYF₄：Yb/Er上转换纳米粒子。

3.根据权利要求1所述的氨基酸修饰的水溶性稀土上转换发光纳米粒子的制备方法溶剂萃取使用的溶剂是二乙醚或乙醚中一种。

4.根据权利要求1所述的氨基酸修饰的水溶性稀土上转换发光纳米粒子的制备方法，其特征是溶剂萃取时溶液的pH值范围为3-5，通过包括盐酸的无机酸调节。

5.根据权利要求1所述的氨基酸修饰的水溶性稀土上转换发光纳米粒子的制备方法使用的氨基酸是赖氨酸、甘氨酸、半胱氨酸、胱氨酸中一种或几种。

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