CN103589432B

CN103589432B - 稀土掺杂氟化镥锂纳米材料及其制备与应用

Info

Publication number: CN103589432B
Application number: CN201310612151.8A
Authority: CN
Inventors: 陈学元; 黄萍; 郑伟; 涂大涛; 朱浩淼
Original assignee: Fujian Institute of Research on the Structure of Matter of CAS
Current assignee: Fujian Institute of Research on the Structure of Matter of CAS
Priority date: 2013-11-27
Filing date: 2013-11-27
Publication date: 2019-04-16
Anticipated expiration: 2033-11-27
Also published as: CN103589432A

Abstract

本发明公开了稀土掺杂氟化镥锂纳米材料及其制备与应用。该材料在氟化镥锂基质中掺杂了Yb/Er(20/1%)或Yb/Tm(20/0.5%)发光离子，能够在980nm红外光激发下实现可见光发射，通过与生物分子的连接，可用于上转换异相检测及细胞成像。除此之外，基质中的重稀土离子还具有较强的X射线衰减能力可用作计算机断层扫描成像的造影剂。本发明还提供纳米材料的制备方法。本发明的纳米材料水溶性好，性能优良，因而，可应用于生物检测与生物成像等领域。

Description

稀土掺杂氟化镥锂纳米材料及其制备与应用

技术领域

本发明涉及纳米发光材料领域，尤其是涉及一种可用于生物检测与成像的稀土纳米发光材料及其制备方法。

背景技术

近年来稀土掺杂上转换发光纳米材料在光导开关，信息存储，光电子器件以及太阳能电池等方面都体现出极大的应用价值，其中最引人注目的是最近兴起的稀土掺杂上转换发光纳米材料在荧光生物标记方面的应用。与传统的荧光标记材料（例如荧光染料与量子点）相比，稀土掺杂上转换发光纳米材料不仅化学稳定性高、荧光寿命长、潜在生物毒性低，而且采用近红外光源激发因而具有较大的光穿透深度、无生物组织自发荧光以及对生物组织几乎无损伤等显著优点，因此在荧光生物检测及生物成像等领域扮演着越来越重要的角色。目前上转换纳米荧光标记材料发展的瓶颈问题是其量子产率低。提高上转换发光效率、制备发光性能优良的水溶性纳米晶是该类材料应用于荧光生物标记的一个前提。

在已报道的材料体系中，氟化物由于化学稳定性高、声子能量低（300-500 cm^-1），是一类理想的稀土掺杂基质材料。目前关于稀土掺杂氟化物的研究主要集中在氟化钇钠（NaYF₄），氟化钆钠（NaGdF₄）或氟化钇锂（LiYF₄）等体系，对氟化镥锂（LiLuF₄）的研究甚少。最近，严纯华课题组报道了油溶性氟化镥锂基体纳米材料的合成（参考文献：Yan Chunhuaet al.,Optically active uniform potassium and lithium rare earth fluoridenanocrystals derived from metal trifluroacetate precursors,DaltonTransactions,8574–8581(2009)。但是目前还没有关于单分散水溶性稀土掺杂氟化镥锂纳米荧光标记材料的合成、光学性能及其应用的报道。本发明通过三氟乙酸盐热分解的方法，通过稀土离子掺杂合成出具有上转换发光的氟化镥锂纳米晶，同时在内核的基础上进行连续多层外延生长，可制得包覆均匀的核壳结构纳米晶，从而大大增强上转换发光；利用酸洗处理的方法去掉纳米晶表面的油酸，或者利用磷酸乙醇胺交换纳米晶表面的油酸使其表面修饰上大量的氨基官能团，从而实现水溶性。这种具有单分散性，水溶性和优良荧光性能的稀土掺杂氟化镥锂纳米荧光标记材料，通过与生物分子的偶联，可应用于生物检测与生物成像等领域。

发明内容

本发明提出一种稀土掺杂氟化镥锂上转换纳米荧光标记材料及其制备方法。本发明的材料水溶性好，发光性能优良，可用于生物检测和生物成像。通过热分解与酸洗处理（或配体交换）两步实现单分散、水溶性稀土掺杂氟化镥锂纳米材料的可控合成。利用基质材料中重稀土镥离子较强的X射线衰减能力，该材料可作为计算机断层扫描成像(CT)的造影剂。光谱测试结果表明，本发明的纳米材料在980纳米近红外激光激发下发出明亮的可见光，其最大上转换量子效率可达7%，将其与生物分子偶联后可用于生物检测与生物成像。

本发明通过如下技术方案实现：

一种稀土掺杂氟化镥锂上转换纳米荧光标记材料，其特征在于：纳米材料的组分含量：xLn³⁺-(1-x)LiLuF₄，其中Ln³⁺=Yb³⁺、Er³⁺、Tm³⁺，0<x≦50mol％。

本发明还提供一种水溶性稀土掺杂氟化镥锂纳米材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括油溶性稀土掺杂氟化镥锂纳米晶内核和核壳结构纳米晶的合成，以及酸洗处理（或配体交换处理）。

根据本发明，所述制备方法包括：

1.一种水溶性稀土掺杂氟化镥锂上转换纳米材料的制备方法，其特征在于：以油酸，油胺与十八烯为溶剂，将三氟乙酸锂，三氟乙酸镥与三氟乙酸稀土盐混合，在惰性气体保护下升温至100-130℃并保温一段时间，使固体反应物溶解；接着在惰性气体保护下加热溶液至280-330℃保温反应一段时间后冷却至室温，离心分离得到反应产物，进行洗涤干燥后即可得到油溶性稀土掺杂氟化镥锂纳米颗粒；将上述所得油溶性纳米颗粒与酸性乙醇溶液混合，超声一段时间后离心沉淀，用无水乙醇和水洗涤数次即可得到水溶性稀土掺杂氟化镥锂纳米材料。

2.如项1所述的方法，其特征在于反应物的加入摩尔量比例：

三氟乙酸锂：1份；

三氟乙酸镥：0.5～1份；

三氟乙酸稀土盐：0～0.5份；

油酸：0～10mL；

十八烯：0～10mL；

盐酸：0.1～1份；

3.如项1所述的方法，其特征在于：合成油溶性稀土掺杂氟化镥锂纳米颗粒的反应温度为280-320℃，反应时间为0.5-1小时。

4.项1所述的方法制备获得的稀土掺杂氟化镥锂纳米材料，其组分为： xLn³⁺-(1-x)LiLuF₄，其中Ln³⁺=Yb³⁺、Er³⁺、Tm³⁺，0<x≦50mol％。

5.项4所述的材料用于生物检测与生物成像。

6.一种水溶性稀土掺杂氟化镥锂核壳结构纳米材料的制备方法，其特征在于：以油酸，油胺与十八烯为溶剂，将三氟乙酸锂，三氟乙酸镥与三氟乙酸稀土盐混合，在惰性气体保护下升温至100-130℃并保温一段时间，使固体反应物溶解；接着在惰性气体保护下加热溶液至280-330℃保温反应一段时间后，注入壳层前驱体，保温熟化后再次注射，保温熟化，通过不同的注射次数控制合成具有不同壳层厚度的核壳结构纳米颗粒；反应结束后降至室温，加丙酮沉淀分离并洗涤即得油溶性稀土掺杂氟化镥锂核壳结构的纳米颗粒；制备水溶性核壳结构纳米颗粒采用如下两种方法：（1）将上述所得油溶性纳米颗粒与酸性乙醇溶液混合，超声一段时间后离心沉淀，用无水乙醇和水洗涤数次即可得到水溶性稀土掺杂氟化镥锂纳米颗粒；（2）将分散在环己烷中的上述油溶性纳米颗粒溶液与溶解有四氟硼酸亚硝的二氯甲烷溶液混合，搅拌反应一段时间后离心沉淀，并将沉淀物重新分散在二甲基甲酰胺中，加入适量的磷酸乙醇胺，搅拌反应一段时间后离心，并用水和二甲基甲酰胺洗涤数次即可得到水溶性稀土掺杂氟化镥锂纳米材料。

7.项6所述的方法制备获得的稀土掺杂氟化镥锂纳米材料，其组分为： xLn³⁺-(1-x)LiLuF₄，其中Ln³⁺=Yb³⁺、Er³⁺、Tm³⁺，0<x≦50mol％。

8.项7所述的材料用于生物检测与生物成像。

本发明还涉及一种稀土掺杂氟化镥锂纳米发光材料的用途，其特征在于：所述纳米发光材料用作生物标记荧光探针。根据本发明，所述纳米发光材料用于计算机断层扫描成像，上转换异相检测及细胞成像。

本发明的稀土掺杂氟化镥锂纳米发光材料制备过程简单、合成条件容易控制。本发明中油溶性氟化镥锂核纳米颗粒分散性好，粒径均匀可控，核壳结构纳米材料的制备与目前国内外现有的壳层前驱体高温注射方法相比，更简单、省时，且操作方便。水溶性稀土掺杂氟化镥锂纳米材料可与生物分子进行连接，利用掺杂的稀土离子发射的上转换荧光及基质材料中重稀土镥离子较强的X射线衰减能力，可应用于上转换异相生物检测以及生物成像等领域。

附图说明

附图1:(a)LiLuF₄：1%Er,20%Yb内核与(b)LiLuF₄：1%Er,20%Yb@LiLuF₄ 8层包覆以及(c)LiLuF₄：1%Er,20%Yb@LiLuF₄16层包覆核壳结构纳米晶的X 射线粉末衍射图。仪器型号为MiniFlex2，厂家为Rigaku，铜靶辐射波长为λ= 0.154187nm。

附图2:(a)LiLuF₄：1%Er,20%Yb内核与(b)LiLuF₄：1%Er, 20%Yb@LiLuF₄8层包覆以及(c)LiLuF₄：1%Er,20%Yb@LiLuF₄16层包覆核壳结构纳米晶的透射电镜图。仪器型号为JEM-2010，厂家为JEOL。

附图3：LiLuF₄：1%Er,20%Yb内核纳米晶的X射线能谱分析图。仪器型号为JSM-6700F，厂家为JEOL。

附图4:LiLuF₄：1%Er,20%Yb@LiLuF₄16层包覆核壳结构纳米晶的上转换发射光谱图（激发波长为980nm）。仪器型号为FSP920-C，厂家为Edinburgh，激发光源为980-nm半导体激光器。

附图5:LiLuF₄：0.5%Tm,20%Yb@LiLuF₄16层包覆核壳结构纳米晶的上转换发射光谱图（激发波长为980nm）。仪器型号为FSP920-C，厂家为Edinburgh，激发光源为980-nm半导体激光器。

附图6：LiLuF₄纳米晶表面修饰亲和素前后的(a)傅立叶变换红外光谱，仪器型号为750，厂家为Magna；(b)热重曲线，仪器型号为STA449C，厂家为 Netzsch；和(c)ζ-电势，仪器型号为Nano ZS ZEN3600，厂家为Malvern。

附图7：水溶性LiLuF₄：1%Er,20%Yb纳米材料应用于体外计算机断层扫描成像。仪器型号为MMCT micro CT instrument，厂家为Siemens Inveon。

附图8：亲和素修饰的LiLuF₄：1%Er,20%Yb纳米材料对人绒毛膜促性腺激素β亚单位（β-HCG）的上转换异相荧光(UCL)检测：(a)UCL检测光谱图；(b)校准曲线。仪器型号为Synergy4，厂家为BioTek。

附图9：偶联尿激酶氨基末端片段(ATF)蛋白的LiLuF₄:1%Er,20%Yb纳米材料对肿瘤细胞的靶向成像：(a)尿激酶型纤溶酶原激活物受体(uPAR)高表达的人肺腺癌细胞H1299的成像示意图；(b)uPAR低表达的人胚肺成纤维细胞HELF的成像示意图。仪器型号为FV1000，厂家为Olympus。

具体实施方式

以下将通过具体实施例对本发明进行详细描述，但本领域技术人员了解，下述实施实例不是对本发明保护范围的限制，任何在本发明基础上做出的改进和变化都在本发明的保护范围之内。

例1：LiLuF₄：1%Er,20%Yb纳米颗粒的制备。称取0.120g Li(CF₃COO)₂·H₂O、0.449gLu(CH₃COO)₃·4H₂O、0.006g Er(CH₃COO)₃·4H₂O和 0.113g Yb(CH₃COO)₃·4H₂O，然后加入6mL油酸,6mL油胺与2mL十八烯，通氮气加热至120℃并保温30分钟，形成透明溶液，然后升温至320℃保温40 分钟后降至室温，加入20mL丙酮沉淀分离并洗涤即得28nm左右的油溶性LiLuF₄：1%Er,20%Yb纳米颗粒。将112μL浓盐酸加入到15mL无水乙醇中制备pH1的酸性溶液。将油溶性纳米晶分散在上述酸性乙醇溶液中，超声30分钟后离心，用无水乙醇和水交替洗涤数次即可得到28nm左右的水溶性LiLuF₄： 1%Er,20%Yb纳米晶。

例2：LiLuF₄：0.5%Tm,20%Yb纳米颗粒的制备。称取0.120g Li(CF₃COO)₂·H₂O、0.452g Lu(CH₃COO)₃·4H₂O、0.003g Tm(CH₃COO)₃·4H₂O 和0.113g Yb(CH₃COO)₃·4H₂O，然后加入6mL油酸,6mL油胺与2mL十八烯，通氮气加热至120℃并保温30分钟，形成透明溶液，然后升温至320℃保温 40分钟后降至室温，加入20mL丙酮沉淀分离并洗涤即得28nm左右的油溶性 LiLuF₄：0.5%Tm,20%Yb纳米颗粒。将油溶性纳米晶分散在如实例1中所述的酸性乙醇溶液中，超声30分钟后离心，用无水乙醇和水交替洗涤数次即可得到28nm左右的水溶性LiLuF₄：0.5%Tm,20%Yb纳米晶。

例3:LiLuF₄：1%Er,20%Yb@LiLuF₄8层包覆核壳结构纳米颗粒的制备。首先，称取0.120g Li(CF₃COO)₂·H₂O和0.568g Lu(CH₃COO)₃·4H₂O，然后加入9 mL油酸,9mL油胺与2mL十八烯，通氮气加热至120℃并保温30分钟，形成透明溶液，降至室温，得壳层前驱体溶液A。如实例1所述合成过程升温至320 ℃保温40分钟后形成溶液B，取2mL A注入B中，320℃保温10分钟；然后再次注入2mL A，320℃再次保温10分钟；如此循环8次后降至室温，加入 30mL丙酮沉淀分离并洗涤即得40nm左右的油溶性LiLuF₄：1%Er, 20%Yb@LiLuF₄8层包覆核壳结构纳米颗粒。将油溶性纳米晶分散在如实例1 中所述的酸性乙醇溶液中，超声30分钟后离心，用无水乙醇和水交替洗涤数次即可得到40nm左右的水溶性LiLuF₄：1%Er,20%Yb@LiLuF₄8层包覆核壳结构纳米晶。

例4:LiLuF₄：0.5%Tm,20%Yb@LiLuF₄8层包覆核壳结构纳米颗粒的制备。首先，称取0.120g Li(CF₃COO)₂·H₂O和0.568g Lu(CH₃COO)₃·4H₂O，然后加入9mL油酸,9mL油胺与2mL十八烯，通氮气加热至120℃并保温30分钟，形成透明溶液，降至室温，得壳层前驱体溶液A。如实例2所述合成过程升温至 320℃保温40分钟后形成溶液B，取2mL A注入B中，320℃保温10分钟；然后再次注入2mL A，320℃再次保温10分钟；如此循环8次后降至室温，加入30mL丙酮沉淀分离并洗涤即得40nm左右的油溶性LiLuF₄：0.5%Tm, 20%Yb@LiLuF₄8层包覆核壳结构纳米颗粒。将油溶性纳米晶分散在如实例1 中所述的酸性乙醇溶液中，超声30分钟后离心，用无水乙醇和水交替洗涤数次即可得到40nm左右的水溶性LiLuF₄：0.5%Tm,20%Yb@LiLuF₄8层包覆核壳结构纳米晶。

例5:LiLuF₄：1%Er,20%Yb@LiLuF₄16层包覆核壳结构纳米颗粒的制备及其应用。首先，称取0.240g Li(CF₃COO)₂·H₂O和1.136g Lu(CH₃COO)₃·4H₂O，然后加入18mL油酸,18mL油胺与4mL十八烯，通氮气加热至120℃并保温30 分钟，形成透明溶液，降至室温，得壳层前驱体溶液A。如实例1所述合成过程升温至320℃保温40分钟后形成溶液B，取2mL A注入B中，320℃保温10分钟；然后再次注入2mL A，320℃再次保温10分钟；如此循环16次后降至室温，加入30mL丙酮沉淀分离并洗涤即得50nm左右的油溶性LiLuF₄：1%Er, 20%Yb@LiLuF₄16层包覆核壳结构纳米颗粒。将油溶性纳米晶分散在如实例1 中所述的酸性乙醇溶液中，超声30分钟后离心，用无水乙醇和水交替洗涤数次即可得到50nm左右的水溶性LiLuF₄：1%Er,20%Yb@LiLuF₄16层包覆核壳结构纳米晶。水溶性稀土掺杂氟化镥锂纳米晶利用基质材料中重稀土镥离子比较强的X射线衰减能力，应用于体外计算机断层扫描成像（图7）。水溶性稀土掺杂氟化镥锂纳米晶与亲和素分子进行连接，利用掺杂稀土离子发射的上转换荧光，应用于人绒毛膜促性腺激素β亚单位的上转换异相检测（图8）。将油溶性纳米晶分散在10mL环己烷中，向其中加入10mL溶有30mg四氟硼酸亚硝的二氯甲烷溶液，混合反应30分钟后离心，将得到的沉淀重新分散在10mL二甲基甲酰胺中，加入0.1g磷酸乙醇胺搅拌反应30分钟后，离心得到沉淀，用二甲基甲酰胺和水交替洗涤数次即可得到50nm左右的水溶性LiLuF₄：1%Er,20%Yb@LiLuF₄16层包覆核壳结构纳米晶。该纳米颗粒表面带有氨基可与尿激酶氨基末端片段(ATF)蛋白偶联，应用于尿激酶型纤溶酶原激活物受体(uPAR)高表达的人肺腺癌细胞H1299的成像（图9）。

实例6:LiLuF₄：0.5%Tm,20%Yb@LiLuF₄16层包覆核壳结构纳米颗粒的制备。首先，称取0.240g Li(CF₃COO)₂·H₂O和1.136g Lu(CH₃COO)₃·4H₂O，然后加入 18mL油酸,18mL油胺与4mL十八烯，通氮气加热至120℃并保温30分钟，形成透明溶液，降至室温，得壳层前驱体溶液A。如实例2所述合成过程升温至 320℃保温40分钟后形成溶液B，取2mL A注入B中，320℃保温10分钟；然后再次注入2mL A，320℃再次保温10分钟；如此循环16次后降至室温，加入30mL丙酮沉淀分离并洗涤即得50nm左右的油溶性LiLuF₄：0.5%Tm, 20%Yb@LiLuF₄16层包覆核壳结构纳米颗粒。将油溶性纳米晶分散在如实例1 中所述的酸性乙醇溶液中，超声30分钟后离心，用无水乙醇和水交替洗涤数次即可得到50nm左右的水溶性LiLuF₄：0.5%Tm,20%Yb@LiLuF₄16层包覆核壳结构纳米晶。

Claims

1.一种水溶性稀土掺杂氟化镥锂核壳结构纳米材料的制备方法，其特征在于：以油酸，油胺与十八烯为溶剂，将三氟乙酸锂，三氟乙酸镥与三氟乙酸稀土盐混合，在惰性气体保护下升温至100-130℃并保温一段时间，使固体反应物溶解；接着在惰性气体保护下加热溶液至280-330℃保温反应一段时间后，注入壳层前驱体，保温熟化后再次注射，保温熟化，通过不同的注射次数控制合成具有不同壳层厚度的核壳结构纳米颗粒；反应结束后降至室温，加丙酮沉淀分离并洗涤即得油溶性稀土掺杂氟化镥锂核壳结构的纳米颗粒；制备水溶性核壳结构纳米颗粒采用如下两种方法：(1)将上述所得油溶性纳米颗粒与酸性乙醇溶液混合，超声一段时间后离心沉淀，用无水乙醇和水洗涤数次即可得到水溶性稀土掺杂氟化镥锂纳米颗粒；(2)将分散在环己烷中的上述油溶性纳米颗粒溶液与溶解有四氟硼酸亚硝的二氯甲烷溶液混合，搅拌反应一段时间后离心沉淀，并将沉淀物重新分散在二甲基甲酰胺中，加入适量的磷酸乙醇胺，搅拌反应一段时间后离心，并用水和二甲基甲酰胺洗涤数次即可得到水溶性稀土掺杂氟化镥锂核壳结构纳米材料；其中制备获得的水溶性稀土掺杂氟化镥锂核壳结构纳米材料，其组分为：xLn³⁺-(1-x)LiLuF₄@LiLuF₄，其中Ln³⁺＝Yb³⁺、Er³⁺、Tm³⁺，0<x≦50mol％。

2.权利要求1所述的方法制备获得的稀土掺杂氟化镥锂核壳结构纳米材料，其组分为：xLn³⁺-(1-x)LiLuF₄@LiLuF₄，其中Ln³⁺＝Yb³⁺、Er³⁺、Tm³⁺，0<x≦50mol％。

3.权利要求2所述的材料用于非诊断和治疗目的的生物检测与生物成像。