CN103468260A

CN103468260A - 具有上转换发光性质的pH纳米传感材料及其制备方法

Info

Publication number: CN103468260A
Application number: CN2013103436126A
Authority: CN
Inventors: 赵强; 黄维; 张利利; 许文娟; 刘淑娟; 张幸林; 赵新
Original assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Current assignee: Nanjing Post and Telecommunication University; Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2013-08-08
Filing date: 2013-08-08
Publication date: 2013-12-25

Abstract

本发明涉及一种具有上转换发光性质的pH纳米传感材料及其制备方法。本发明以氟化物为基质通过掺杂三价稀土离子得到稀土上转换发光纳米晶，为了拓宽稀土上转换发光纳米晶体在生物体环境中的应用，从纳米晶表面配体的亲/疏水性、配体电荷及配位能力等角度出发对其进行表面改性，通过在纳米晶体表面进行二氧化硅包覆，使之氨基功能化以后，与有机染料二甲酚橙进行偶联得到复合纳米晶，尺寸为44-80nm，水分散性好，能在水溶液中稳定存在。本发明所述的复合纳米晶材料尺寸可控，粒径均匀，生物相容性好，可应用于溶液和活细胞内pH值的检测。

Description

具有上转换发光性质的pH纳米传感材料及其制备方法

技术领域：

本发明属于发光纳米材料技术领域。具体涉及一类有机荧光染料偶联的无机稀土上转换发光纳米粒子的制备及其在生物检测和生物成像中的应用。

背景技术：

化学反应的进行或完成，细胞和细胞器的许多重要的生理过程等都与pH值密切相关，在正常的生理条件下，细胞外液需要一个恒定的氢离子浓度，酸性和碱性过强会导致心、肺病或神经类疾病，严重时甚至会有生命危险。因此，pH值的精确测量对化学生物学研究十分重要。

众所周知，一些有机化合物的荧光或吸收性质会随着pH的变化，基于有机染料的pH荧光探针也得到了长足发展，但利用荧光探针分析生物样品存在的一个重要问题是如何消除生物基体背景荧光的干扰，因此随着纳米技术的飞速发展，设计合成新型的pH纳米探针可解决在生物化学研究中所遇到的难题。

目前的研究中，有报道采用荧光素及其衍生物、金属配合物等做为pH探针材料的，但是荧光素及其衍生物易于从细胞内流失的缺陷，使其不适用于一些细胞参数与组分的表征。而许多过渡金属离子如钌、稀土离子（Eu³⁺,Tb³⁺等）具有较长的荧光寿命，但其荧光量子产率过低。目前已报道一些纳米材料结合荧光染料分子制备得到pH探针，大部分报道采用量子点结合荧光染料分子，但是量子点有很大的生物毒性，无法应用到生物体系中，也有报道利用稀土离子功能化后的金纳米颗粒与荧光染料分子结合构造pH 探针（Angew. Chem. Int. Ed. 2012，51，9624-9627）。但是如何降低金纳米粒子的尺寸，改善其形貌，制备出尺寸均一，形貌可控的金纳米粒子仍是今后的研究热点，而对金纳米粒子性能和应用的研究仍处于初步阶段。也有报道采用稀土上转换发光纳米棒与荧光染料分子结合构造pH探针（Chem. Commun. 2009, 5000-5002）。但是纳米棒的尺寸过大，并且表面结合的荧光染料分子的量也很有限，很大程度的影响其响应灵敏度，也很难应用到生物体系中。因此如何制备更先进更有效利用于生物体系并且检测准确度高的pH探针仍是一个很有挑战力的工作。

在一系列新型的纳米发光探针中，相对于有机染料和量子点而言，稀土元素原子结构特殊，内层4f轨道未成对电子多、原子磁矩高、电子能级特别丰富，几乎可以与所有元素发生反应，形成多价态、多配位数的化合物，具有许多优异的光、电、磁、核等特性，被称为“现代工业的维生素”。稀土上转换发光材料作为新一代生物发光标记拥有许多优点，例如发光谱带窄、色纯度高、色彩鲜艳、转换效率高，发射光谱分布范围广，覆盖紫外到红外的光谱范围，荧光寿命能从纳秒跨越到毫秒级，磷光最长达十多个小时；而且稀土上转换发光材料的物理化学性能稳定，另外，以近红外激光作为其激发源具有光穿透深度大、对生物组织无损伤、无生物背景荧光干扰、激光器造价低、易于普及等优点；这些优势使稀土上转换发光材料拥有巨大的生物应用前景。

基于稀土上转换发光材料的优势，本发明所提供的是一种具有上转换发光性质的pH纳米传感材料，它把有机荧光染料与稀土上转换发光材料的优势结合起来，拓宽了pH探针在生物医学领域的应用前景。

但是，尽管稀土上转换发光纳米材料的研究取得了很多的成果，但是他们在生命科学研究中的应用却很少，主要原因是很难制备出粒径小且上转换发光效率高、具有较好水溶性和生物兼容性的纳米材料。

发明内容

技术问题： 本发明的目的是针对以上技术缺陷，提供一种具有好的生物相容性、高上转换发光效率的具有上转换发光性质的pH纳米传感材料及其制备方法。

技术方案：本发明所述的具有上转换发光性质的pH纳米传感材料，包括稀土上转换发光纳米晶层和包覆在稀土上转换发光纳米晶层表面并含有二甲酚橙的二氧化硅层。

所述稀土上转换发光纳米晶包括镱、钇、铥、铒、钬、钕、镥中的任意两种或多种的的组合。

所述稀土上转换发光纳米晶粒径为30-70 nm。

所述具有上转换发光性质的pH纳米传感材料表面通过二氧化硅包覆和氨基修饰以后整个包覆层厚度为5-10 nm。

所述具有上转换发光性质的pH纳米传感材料中含有的二甲酚橙通过共价键连接于二氧化硅层表面。

所述具有上转换发光性质的pH纳米传感材料在化学、生物检测和成像中的应用。

本发明具有上转换发光性质的pH纳米传感材料的制备方法包括如下步骤：

S1.制备稀土上转换发光纳米晶，并在所述稀土上转换发光纳米晶包覆一层油酸配体；

S2.通过有机硅烷在步骤S1中所制备的所述稀土上转换发光纳米晶上的水解，制备包覆二氧化硅的稀土上转换发光纳米晶；

S3.通过氨基硅烷的水解作用，在步骤S2中所制得的所述包覆有二氧化硅的稀土上转换发光纳米晶外表面接枝氨基；

S4.经氨基与羧基间的缩合反应，在所述包覆有二氧化硅的稀土上转换发光纳米晶外表面包覆二甲酚橙层，制得所述具有上转换发光性质的pH纳米传感材料。

步骤S1中所述稀土上转换发光纳米晶通过溶剂热法制备。

有益效果：本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：所制备的纳米材料粒径小而且均一、水溶性好、上转换效率高，可应用于生物检测和生物成像。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1是本发明提供的一种有机无机杂化的稀土上转换发光纳米材料的制备示意图。其中， OA为油酸，TEOS为正硅酸乙酯，APTES为3-氨丙基三乙基硅烷，XO为二甲酚橙，EDC为1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐，NHS为N-羟基丁二酰亚胺，UCNPs为上转换纳米粒子。

图2是本发明提供的一种有机染料二甲酚橙对pH值响应的紫外-可见吸收光谱图。

图3是本发明提供的一种有机无机杂化的稀土上转换发光纳米材料对pH值响应的上转换发射光谱图。

图4是本发明提供的一种有机无机杂化的稀土上转换发光纳米材料的Zeta电位值。

图5是本发明提供的一种有机无机杂化的稀土上转换发光纳米材料和所述稀土上转换发光纳米晶的傅里叶红外光谱图。

图6是本发明提供的一种有机无机杂化的稀土上转换发光纳米材料和所述稀土上转换发光纳米晶的透射电镜照片。

图7是本发明提供的一种稀土上转换发光纳米晶的动态光散射数据图。

图8是本发明提供的一种稀土上转换发光纳米材料表面通过二氧化硅包覆和氨基功能化以后的动态光散射数据图。

图9是本发明提供的一种具有上转换发光性质的pH纳米传感材料的动态光散射数据图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

下述实施例中所述（稀土氧化物、油酸、十八烯、正乙氧基硅烷、壬基酚聚氧乙烯醚、3-氨丙基三乙氧基硅烷、N-羟基丁二酰亚胺、1-乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳二亚胺盐酸盐、二甲酚橙）均为市售，使用前未经任何处理。

本实施例提供一种有机无机杂化的稀土上转换发光纳米材料，包括稀土上转换发光纳米晶和包覆在稀土上转换发光纳米晶上的二甲酚橙层。所述稀土上转换发光纳米晶粒径为50-70 nm。所述稀土上转换发光纳米晶粒由包括镱、钇、铥、铒中的任意两种或多种的组合。具体制备路线如下式所示：

S1、将795 μL三氯化钇（0.1 mol/L）、1000 μL三氯化镱（0.2 mol/L）、50 μL三氯化铥（0.1 mol/L）加入到100 mL三口瓶中，加入6 mL油酸和15 mL十八烯，150 ^oC加热搅拌至溶液澄清，加入10 mL含有100毫克氢氧化钠和148毫克氟化铵的甲醇溶液，在50 ^oC下加热搅拌半小时，后升温至 100 ^oC继续加热搅拌 30分钟，在100 ^oC下抽真空 40 分钟，298 ℃真空加热 1小时，用环己烷反复离心洗去溶剂和杂质粒子，即可得到表面包覆油酸配体的稀土上转换发光纳米晶。

S2、对稀土上转换发光纳米材料的表面改性的方法具体是将以上制备的纳米粒子溶解在环己烷中超声分散，加入壬基酚聚氧乙烯醚(CO-520)超声分散, 加入氨水和水（1：1，v/v），摇床震荡（28 ^oC，120 r/min），加入8 μL正硅酸乙酯，在相同温度下摇床震荡 36 小时，制得包覆有二氧化硅的稀土上转换发光纳米晶。

S3、加入2 μL3-氨丙基三乙氧基硅烷，在相同条件下继续摇床震荡 36 小时，将得到的溶液用乙醇反复离心洗涤，即得到表面氨基功能化的包覆有二氧化硅的稀土转换发光晶。

S4、经氨基与羧基之间的缩合反应，在所述包覆有二氧化硅的稀土上转换发光纳米晶外表面包覆二甲酚橙层，制得所述有机无机杂化的稀土上转换发光纳米材料。制备路线如下式所示：

具体是将二甲酚橙（5.723 mg）与N-羟基丁二酰亚胺（NHS）（2.678 mg）和1-乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳二亚胺盐酸盐（EDC·HCl）（3.487 mg）在3:1， v/v的N，N-二甲基甲酰胺（1.5 mL）和二甲基亚砜（0.5 mL）的混合溶剂中25 ^oC反应24小时，将得到的氨基功能化以后的纳米粒子加入此反应体系，室温搅拌12小时，用乙醇和水反复交替离心洗去未反应的二甲酚橙和溶剂中的杂质粒子。

为了更好地理解本实施例提供的有机无机杂化的稀土上转换发光纳米材料的性能，通过以下测试进行表征，发光性能测试使用UV—3600紫外分光光度计；结构表征使用IRPrestige-21傅里叶变换红外光谱仪；Zeta电位测试和粒径分布数据使用Brookhaven激光粒度仪。

1、光谱测试

二甲酚橙在不同pH值水溶液中的紫外-可见光谱测试：配置10^-5mol/L的不同pH值的二甲酚橙水溶液，移取2 mL不同pH值二甲酚橙水溶液与荧光比色皿中分别测得紫外-可见吸收光谱图，如图2。

有机无机杂化的稀土上转换发光纳米材料的荧光发射光谱测试：配置2.2 mg/mL的不同pH值的有机染料偶联后的稀土上转换发光纳米材料的水溶液，移取2 mL配合物溶液于荧光比色皿中，分别测得配合物的荧光发射光谱图，如图3。

有机染料二甲酚橙是一种酸碱指示剂，在水环境中它对pH的响应是在碱性环境中最大吸收峰在580 nm，而在酸性环境下它的最大吸收峰蓝移到435 nm，同时也伴随着颜色的变化（有紫色变到橙黄色）。而对于掺杂Tm³⁺的稀土上转换发光纳米材料在980 nm激发光源的激发下在475 nm处有发射峰，这样就可以再二甲酚橙与稀土上转换发光纳米材料之间构建一个FRET体系，从光谱数据分析，在近红外光激发光源的激发下可以实现一个从稀土上转换发光纳米材料到有机染料之间的能量传递，在酸性环境下能量传递效率高，稀土上转换发光纳米晶在475 nm处的发射峰变弱，而在碱性环境下能量传递效率低，稀土上转换发光纳米晶在475 nm处的发射峰变强。进而可以实现稀土上转换发光纳米材料在活细胞内pH值检测方面的应用。

2、结构表征

有机无机杂化的稀土上转换发光纳米材料和稀土上转换发光纳米晶的红外光谱测试：具体步骤首先是纯KBr压片，先进行背景扫描，然后将样品与KBr按照质量比为1:200进行研磨，然后压片，测样，如图5所示，有机无机杂化的稀土上转换发光纳米材料和稀土上转换发光纳米晶在1063 cm^-1处的峰归因于Si-O键的特征吸收带，有机无机杂化的稀土上转换发光纳米材料在1635 cm^-1处的吸收峰归因于羰基的伸缩振动吸收带，563 cm^-1和1519 cm^-1处的吸收带归因于甲基的弯曲振动吸收带和苯环的伸缩振动吸收带。

有机无机杂化的稀土上转换发光纳米材料和稀土上转换发光纳米晶的表面Zeta电位测试：具体步骤是取洁净的塑料表面皿，将粒子分散在良溶剂中，设置好仪器参数，测样，如图4所示，纯的稀土上转换发光纳米晶表面的Zeta电位值为24.5 mV，表面包覆二氧化硅层后的Zeta 电位值为 -48.3 mV, 表面接枝上氨基后的Zeta 电位值为24.6 mV, 在接枝上二甲酚橙后的Zeta 电位值为 -8.5 mV。

有机无机杂化的稀土上转换发光纳米材料和稀土上转换发光纳米晶的形貌测试：具体步骤是分别制备样品浓度为1 mg/mL，取20 μL左右滴在铜网上，待干燥后进行形貌测试，如图6所示，稀土上转换发光纳米晶的TEM 照片显示其粒径大小为40 nm左右，表面包覆二氧化硅和接枝上氨基以后的粒径大小为65 nm左右，其中硅层厚度为13 nm左右，接枝上二甲酚橙以后粒径大小没有明显改变，从TEM照片显示结果可以看出本发明所提供的有机无机杂化的稀土上转换发光纳米材料和稀土上转换发光纳米晶的分散性和均一性良好。

有机无机杂化的稀土上转换发光纳米材料和稀土上转换发光纳米晶的粒径测试：具体步骤是取洁净的塑料表面皿，将粒子分散在良溶剂中，设置好动态光散射仪的仪器参数，测样，稀土上转换发光纳米晶的粒径主要分布区为44 nm左右如图7所示，表面包覆上二氧化硅和接枝氨基以后的粒径主要分布区为80 nm 左右如图8所示，修饰上二甲酚橙以后粒径也主要分布在80 nm 左右如图9所示。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims

1.一种具有上转换发光性质的pH纳米传感材料，其特征在于，所述纳米传感材料包括稀土上转换发光纳米晶层和包覆在稀土上转换发光纳米晶层表面并含有二甲酚橙的二氧化硅层。

2.根据权利要求1所述的具有上转换发光性质的pH纳米传感材料，其特征在于，所述稀土上转换发光纳米晶包括镱、钇、铥、铒、钬、钕、镥中的任意两种或多种的的组合。

3.根据权利要求1或2所述的具有上转换发光性质的pH纳米传感材料，其特征在于，所述稀土上转换发光纳米晶粒径为30-70 nm。

4.根据权利要求1或2所述的具有上转换发光性质的pH纳米传感材料，其特征在于，所述纳米传感材料表面通过二氧化硅包覆和氨基修饰以后整个包覆层厚度为5-10 nm。

5.根据权利要求1或2所述的具有上转换发光性质的pH纳米传感材料，其特征在于，所述纳米传感材料中含有的二甲酚橙通过共价键连接于二氧化硅层表面。

6.一种如权利要求3所述的具有上转换发光性质的pH纳米传感材料，其特征在于，该纳米传感材料在化学、生物检测和成像中的应用。

7.一种如权利要求3所述的具有上转换发光性质的pH纳米传感材料的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

8.根据权利要求7所述的具有上转换发光性质的pH纳米传感材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述稀土上转换发光纳米晶通过溶剂热法制备。