CN103571492B

CN103571492B - 上转换NaYF4空心纳米球及其制备方法、应用

Info

Publication number: CN103571492B
Application number: CN201310507287.2A
Authority: CN
Inventors: 尹文艳; 谷战军; 赵宇亮
Original assignee: Institute of High Energy Physics of CAS
Current assignee: Institute of High Energy Physics of CAS
Priority date: 2013-10-24
Filing date: 2013-10-24
Publication date: 2015-08-05
Anticipated expiration: 2033-10-24
Also published as: CN103571492A

Abstract

本发明公开了一种上转换NaYF₄空心纳米球及其制备方法、应用，包括以下步骤：将NH₄F溶于乙二醇中，得到NH₄F溶液；将聚乙烯亚胺溶于乙二醇中，再加入混合液，混合均匀后得到第一混合溶液；给第一混合溶液中加入NH₄F溶液，再加入NaCl，得到第二混合溶液；将第二混合溶液放入水热釜中,封装,加热，再经冷却后离心分离，然后经水洗后得到NaYF₄白色沉淀，即为上转换NaYF₄空心纳米球。本发明又提供一种上转换NaYF₄空心纳米球在生物标记、生物成像以及疾病治疗上的应用。采用本发明的方法简单易行，绿色环保，利用水热法一步合成出的上转换NaYF₄空心纳米球，尺寸小、在水相中分散性好、具有高载药量和多色发光性能。

Description

上转换NaYF4空心纳米球及其制备方法、应用

技术领域

本发明涉及一种纳米材料的合成方法，具体涉及一种上转换NaYF₄空心纳米球及其制备方法、应用。

背景技术

空心结构纳米材料由于其高的比表面积和良好的渗透性而在催化、传感、载药、生物医学诊疗（基因治疗和光动力治疗）等方面有着广泛的应用前景。尤其是对于载药而言，空心结构的优越性更加突出，这主要是因为具有大孔隙率的空心纳米球能存储比传统介孔材料更多的药物分子，尤其是破损的壳更有利于药物的负载。同时，空心结构能够控制壳的渗透能力以便孔隙和外界环境之间有更好的能量交换。目前为止，合成微米和纳米空心结构的主要方法有软硬模板和硬模板法两种。软模板法如微乳法、鼓泡法是最常用的；而硬模板法如硅球、聚合物往往需要较高的成本和复杂的合成过程如后续高温煅烧或刻蚀将模板去掉，从而限制了其应用范围。因此，人们一直在寻找利用简单的合成方法，无模板辅助一步反应得到空心纳米球。

上转换（upconversion）荧光纳米材料是一类重要的发光材料，它主要是通过多光子吸收机制将近红外的长波长的激发光转换成短波长的可见光。近年来，上转换纳米材料作为一种新型荧光探针在生物分子检测和医学临床检测领域的研究已备受关注。和传统的荧光染料和半导体量子点相比，上转换荧光纳米材料作为生物荧光探针能有效避免生物组织自身荧光的干扰和散射光，从而降低检测背景噪声,提高信噪比。另外，上转换纳米材料具有稳定性好、发光强度高等优势。目前，在所有的上转换纳米材料中，NaYF₄的声子能量最低，发光效率最高而受到了最广泛的研究。

根据文献报道的情况来看，结合空心球的特殊优势来设计和制备多功能上转换NaYF₄空心纳米球的报道还很少，目前只有用硬模板法两步合成NaYF₄空心球的报道，而且合成的纳米球尺寸大于100nm，实验中还用到了氢氟酸这种具有腐蚀性的酸，在生物体系中很难被广泛应用；另外，有文献报道NaYF₄纳米空心球可用两步法合成得到，但是空心球的尺寸是微米级的，很难被进入细胞内，从而也不利于后续的生物应用研究。

发明内容

在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

本发明实施例的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供一种能够得到小尺寸上转换NaYF₄空心纳米球的制备方法。

本发明的另一目的是提供一种上转换NaYF₄空心纳米球。

本发明还提供上述上转换NaYF₄空心纳米球在生物标记、生物成像以及疾病治疗上的应用。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种上转换NaYF₄空心纳米球的制备方法，包括以下步骤：

（1）将NH₄F溶于乙二醇中，得到NH₄F溶液；

（2）将聚乙烯亚胺溶于乙二醇中，再加入混合液，混合均匀后得到第一混合溶液；所述混合液为Y³⁺溶液与Yb³⁺溶液、Er³⁺溶液或Tm³⁺溶液中至少一种溶液的混合溶液；

（3）给第一混合溶液中加入NH₄F溶液，再加入NaCl，得到第二混合溶液；

（4）将第二混合溶液放入水热釜中,封装,加热，再经冷却后离心分离，然后经水洗后得到NaYF₄白色沉淀，即为上转换NaYF₄空心纳米球。

本发明还提供一种上转换NaYF₄空心纳米球，按照上述的制备方法生产得到。

本发明又提供一种上转换NaYF₄空心纳米球在生物标记、生物成像以及疾病治疗上的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明具有如下的优点：

(1).本发明所提供的方法简单易行，绿色环保，不需要加其他硬模板，更不需要高温煅烧，通过简易的少量的聚乙烯亚胺（PEI）的加入，利用水热法一步合成出尺寸小、分散性好、具有高载药量和多色发光性能的NaYF₄上转换空心纳米球。

(2).一步法水相合成过程避免了传统油相合成再转移到水相过程中表面修饰带来的荧光淬灭，合成的产物荧光强度强，细胞毒性实验表明该空心纳米球在一定剂量范围内在生物体内是无毒性的，从而有利于后续的荧光成像等生物应用研究。

(3).空心球这一特殊结构由于比传统的实心球具有较高的比表面积，尤其是壳表面破损结构的产生利用药物分子的吸附，从而使得其载药量具有大幅度的提升，最大负载量可达142mg/g。

(4).这种尺寸较小，载药量高、具有多色发光性能的多功能空心上转换纳米球在生物标记、生物成像以及疾病治疗等领域有潜在的应用前景。

采用本发明的方法制备的NaYF₄上转换空心纳米球，具有较小尺寸（50nm左右），且具有高的载药量和多色发光性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种上转换NaYF₄空心纳米球的制备方法的流程图；

图2a为本发明实施列提供的NaYF₄:Yb,Er空心纳米球的扫描电子显微镜图；

图2b为本发明实施列提供的NaYF₄:Yb,Er空心纳米球的透射电子显微镜图；

图3为本发明实施例提供的NaYF₄:Yb,Er空心纳米球的X-射线粉末衍射图。

图4a为本发明实施例提供的不同稀土离子掺杂比下的多色荧光谱图；

图4b为对应图4a荧光谱图的荧光照片；

图5a为本发明实施例提供的NaYF₄:Yb,Er空心纳米球在不同pH值下负载阿霉素药物(DOX)量曲线；

图5b为本发明实施例提供的NaYF₄:Yb,Er空心纳米球在不同pH值下的药物缓释曲线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，一种上转换NaYF₄空心纳米球的制备方法，包括以下步骤：

S101：配置NH₄F溶液：

将NH₄F溶于乙二醇中，得到NH₄F溶液；

S102：配置第一混合溶液：

将聚乙烯亚胺溶于乙二醇中，再加入混合液，混合均匀后得到第一混合溶液；所述混合液为Y³⁺溶液与Yb³⁺溶液、Er³⁺溶液或Tm³⁺溶液中至少一种溶液的混合溶液；

S103：配置第二混合溶液：

给第一混合溶液中加入NH₄F溶液，再加入NaCl，得到第二混合溶液；

S104：加热、离心、水洗：

将第二混合溶液放入水热釜中,封装,加热，再经冷却后离心分离，然后经水洗；

S105：得到NaYF₄白色沉淀：

水洗后得到NaYF₄白色沉淀，即为上转换NaYF₄空心纳米球。

本发明的方法简单易行，不需要加其他硬模板，更不需要高温煅烧，通过简易的少量的PEI的加入，利用水热法一步合成出尺寸小、分散性好、具有高载药量和多色发光性能的NaYF4上转换空心纳米球。

本实施例中，所述步骤（1）中，8-12mMNH₄F溶于10ml乙二醇中。

本实施例中，所述步骤（2）中：

将0.15-0.25g聚乙烯亚胺溶于20ml乙二醇中，搅拌20-40min；

加入混合液后搅拌10-20min；

所述Y:Yb:Er的摩尔百分比为78：20:2、58：40:2、38：60:2或58：40:5；Y:Yb:Tm的摩尔百分比为79.5：20：0.5，Y:Yb:Tm：Er的摩尔百分比为79.3:20:0.5:0.2，其中，Y:F的摩尔比为1:8-9。

本发明采用改变Y:Yb:Er的化学计量比可得到发光颜色不同的产物。

本实施例中，所述步骤（3）中：

所述NaCl加入量的摩尔比为Na:Y为1-3:1。

参见图2a：所得空心纳米球的扫描电子显微镜图，而且从图可以看到有的空心球的确有破损;

参见图2b:所得空心纳米球的透射电子显微镜图，从图可知，空心球表面有明显的空穴，这些空穴有利于药物进入和释放。

参见图5a，由图5a可知，NaYF₄空心纳米球随着使用的DOX(阿霉素)药物浓度的提高（横坐标），载药量是提高的，尤其是在DOX呈现pH=7和pH=8的中性和碱性条件下，饱和吸附量可以分别达到111mg/g和141mg/g.

参见图5b，由图5b可知，在温度为37℃条件下，pH值分别为5.0和7.4的PBS（模拟人体pH值的溶液）缓冲液中，酸性条件下NaYF₄-DOX空心纳米球对DOX的释放量可达65%，明显高于和快于中性条件下的释放速度。因此，在呈现酸性条件的肿瘤体系中，这种负载了抗癌药物DOX的NaYF₄空心球可作为一种良好的载体来靶向运输抗癌药物，再结合前面提到的该材料可进行980nm近红外激发下的光学生物成像，从而实现在细胞和活体层次的光学成像和靶向药物传输功能。

本实施例中，所述步骤（4）中：所述加热的温度为180-200℃，和/或，加热时间为12-24h。

本发明的加热温度优选200℃，此时空心球的产量最高，低于200度的空心球数量较少。

本实施例中，所述步骤（4）中：所述离心分离的转数为10000-12000rpm，和/或，离心的时间为3-5min。

因为本发明材料尺寸较小，所以离心选用的转速高，转速低起不到离心分离的作用。

本实施例中，所述步骤（4）中：所述水洗的次数为3-5次。通过水洗将多余的PEI等废液洗掉。

本实施例中，水热釜设有聚四氟乙烯内衬。该反应内衬可以耐强酸和强碱，而且耐高温，高温和强酸强碱状态下不容易变形，结实耐用。

本发明的制备方法所用温度适中，不会给实验操作带来危险，而且所用合成材料没有用到热解法合成上转换纳米材料时的三氟醋酸盐和油酸盐，不会产生废气，环保，属于绿色的化学合成方法。

本发明提供一种上转换NaYF₄空心纳米球，按照上述的制备方法生产得到。

本发明可以通过简单、低温、环保、绿色的水热合成法一步反应设计和制备得到尺寸约50nm、水溶性好的上转换NaYF4空心纳米球，该空心球具有高的载药量，而且通过调控掺杂稀土离子比例可进行发光强度较高的多色发光，构建了具有可同时进行载药和生物荧光成像的多功能纳米生物平台。

本发明的上转换NaYF₄空心纳米球在生物标记、生物成像以及疾病治疗上的应用。

下面通过具体的实施例对本发明做进一步的说明：

实施例1

取8mM的NH₄F溶于10ml乙二醇中；另取0.2g聚乙烯亚胺（PEI）溶于20ml乙二醇中，搅拌20-40min,然后向搅拌均匀的溶液中加入2M的Y³⁺溶液0.39ml，0.1M的Yb³⁺溶液2ml，0.1M的Er³⁺溶液0.2ml（Y:Yb:Er=78：20:2mmol%），搅拌10-20min，待混合溶液搅拌均匀后，将最初溶解好的NH4F溶液加入以上混合溶液中，搅拌5-10min，最后向其中加入1mmol的NaCl,搅拌5-10min后,将它们转移到聚四氟乙烯内衬的水热釜中,封装,在200℃温度下水热处理12h。冷却后，于12000转速下离心分离，二次水洗涤4次，将多余的PEI等废液洗掉，得到上转换发光为绿色的NaYF₄白色沉淀，最后冷冻干燥得到的样品，参见图3，为本发明实施例提供的NaYF₄:Yb,Er空心纳米球的X-射线粉末衍射图。

参见图4a和图4b，图4a为本发明实施例提供的不同稀土离子掺杂比下的多色荧光谱图；图4b为不同稀土离子掺杂比的产品分散在水溶液中，对应荧光谱图的荧光照片。

实施例2

制备方法和实施例1相同，所不同的是掺杂比例不同，NaYF₄:Yb40%,Er2%。

实施例3

制备方法和实施例1相同，所不同的是掺杂比例不同，为NaYF₄:Yb60%,Er2%。

实施例4

制备方法和实施例1相同，所不同的是掺杂比例不同，为NaYF₄:Yb20%,Tm0.5%,此实施例中Er为0。

实施例5

制备方法和实施例1相同，所不同的是掺杂比例不同，为NaYF₄:Yb20%,Tm0.5%,Er0.2%。

在本发明上述各实施例中，实施例的序号仅仅便于描述，不代表实施例的优劣。对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本发明的装置和方法等实施例中，显然，各部件或各步骤是可以分解、组合和/或分解后重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本发明的等效方案。同时，在上面对本发明具体实施例的描述中，针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以用相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

最后应说明的是：虽然以上已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本发明的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员对本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

Claims

1.一种上转换NaYF₄空心纳米球的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将NH₄F溶于乙二醇中，得到NH₄F溶液；

(2)将聚乙烯亚胺溶于乙二醇中，再加入混合液，混合均匀后得到第一混合溶液；所述混合液为Y³⁺溶液与Yb³⁺溶液、Er³⁺溶液或Tm³⁺溶液中至少一种溶液的混合溶液；

(3)给第一混合溶液中加入NH₄F溶液，再加入NaCl，得到第二混合溶液；

(4)将第二混合溶液放入水热反应釜中,封装,加热，再经冷却后离心分离，然后经水洗后得到NaYF₄白色沉淀，即为上转换NaYF₄空心纳米球。

2.根据权利要求1所述的上转换NaYF₄空心纳米球的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，8-12mMNH₄F溶于10ml乙二醇中。

3.根据权利要求1所述的上转换NaYF₄空心纳米球的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中：

将0.15-0.25g聚乙烯亚胺溶于20ml乙二醇中，搅拌20-40min；

加入混合液后搅拌10-20min；

Y:Yb:Er的摩尔百分比为78：20:2、58：40:2、38：60:2或58：40:5，Y:Yb:Tm的摩尔百分比为79.5：20：0.5，Y:Yb:Tm：Er的摩尔百分比为79.3:20:0.5:0.2，其中，Y:F的摩尔比为1:8-9。

4.根据权利要求1所述的上转换NaYF₄空心纳米球的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中：

所述NaCl加入量的摩尔比为Na:Y为1-3:1。

5.根据权利要求1-4任一项所述的上转换NaYF₄空心纳米球的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中：所述加热的温度为180-200℃，和/或，加热时间为12-24h。

6.根据权利要求5所述的上转换NaYF₄空心纳米球的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中：所述离心分离的转数为10000-12000rpm，和/或，离心的时间为3-5分钟。

7.根据权利要求6所述的上转换NaYF₄空心纳米球的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中：所述水洗的次数为3-5次。

8.根据权利要求1所述的上转换NaYF₄空心纳米球的制备方法，其特征在于，所述水热反应釜设有聚四氟乙烯内衬。

9.一种上转换NaYF₄空心纳米球，其特征在于，按照权利要求1-8任一项所述的制备方法生产得到。