CN104327849A

CN104327849A - 一种高效抗淬灭钕掺杂稀土红外荧光探针及其合成方法

Info

Publication number: CN104327849A
Application number: CN201410519536.4A
Authority: CN
Inventors: 张凡; 王睿
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2014-10-07
Filing date: 2014-10-07
Publication date: 2015-02-04

Abstract

本发明属于纳米生物材料技术领域，具体为一种高效抗淬灭钕离子掺杂稀土红外荧光探针及其合成方法。本发明荧光探针是一种核壳结构的纳米晶体，其包括下转换发光核心和惰性壳层两个部分；下转换发光核心为钕掺杂稀土纳米晶体，惰性壳层完全包裹发光核心，用于增强纳米晶体的发光稳定性和发光效率。本发明以高沸点稀土溶液和三氟乙酸钠/钾/锂/钡的溶液作为前驱体，在高温条件下连续交替引入壳层前驱体溶液，实现对钕离子掺杂纳米晶核的层层包裹；通过控制每次滴加的壳层前驱体的量，实现对壳层厚度的连续调节。本发明可以提高钕的下转换荧光量子产率与荧光稳定性，降低环境对钕离子掺杂的下转换荧光的淬灭效应。

Description

一种高效抗淬灭钕掺杂稀土红外荧光探针及其合成方法

技术领域

本发明属于纳米生物材料技术领域，具体涉及一种高效抗淬灭钕离子掺杂稀土红外荧光探针的合成方法。

背景技术

近十年以来，生物成像因其在疾病的早期诊断和治疗方面的突出表现而受到了科学研究者的广泛关注。在现有的生物成像技术中，包括CT、PET、MRI等在内的断层成像已经得到了广泛应用，因为这些断层层析成像不受穿透深度的限制。但是，断层成像存在一些不可避免的缺点，如空间分辨率有限，无法实时观察等(因为其拍照时间很长，往往需要几分钟到几十分钟获取一张照片)。相比之下，基于光致发光原理的光学生物成像具有高反馈速率、高灵敏度和高分辨率的优点。但目前应用于光学生物成像的荧光探针还存在着一些缺陷，例如大多数荧光探针的激发/发射波长位于紫外-可见光范围内，而紫外-可见光在生物组织的穿透深度仅1 mm；大部分传统荧光探针（如有机染料，量子点）往往毒性较大，而且在长时间光照下会发生光漂白现象，因而寻找开发一种具有高的空间分辨率和反馈速率，较深的组织穿透深度，较高的光学稳定性和较好的生物相容性的荧光探针已经成为了生物成像领域进一步发展的当务之急。

稀土离子具有非常丰富的光谱学特性，这一特点使得他们具备很宽的发射光谱库，而这恰恰是其他荧光探针所无法实现的。与之前报道的有机染料和量子点相比，稀土发光材料具有很大的优势，包括较高的发光效率、较小的光漂白、较长的荧光寿命以及较低的长期毒性等。最近，Nd³⁺基的化合物和纳米材料已被开发成荧光探针并应用于生物成像，与上述稀土发光材料相比，Nd³⁺基荧光探针的激发/发射波长均位于近红外区，而近红外光较之于紫外/可见光，具有更深的生物组织穿透深度（约1 cm）。但是，对已报道的Nd³⁺基荧光探针来说，其荧光强度往往受其发光中心与外界的接触作用情况所影响，例如，裸露的发光中心将把能量传递给外界环境中的水分子、配体、杂质等淬灭剂，从而降低其荧光强度。综上所述，寻找一种高效抗淬灭的钕掺杂稀土红外荧光探针已成为当务之急。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备工艺简单、可用于深组织活体成像的高效抗淬灭的钕掺杂稀土红外荧光探针及其合成方法。

本发明提供的高效抗淬灭的钕掺杂稀土近红外荧光探针，是一种核壳结构的纳米晶体，包括下转换发光核心和惰性壳层两个部分；其中，下转换发光核心为钕掺杂稀土纳米晶体，其在800 nm近红外光激发下，可以发出850-950 nm和1030-1080 nm两个波段的近红外荧光；惰性壳层完全包裹发光核心，用于增强纳米晶体的发光稳定性和发光效率，同时减少外界环境（配体和水）对下转换荧光的影响。与传统包裹惰性壳层方法不同的是，本发明采用连续层层生长的包裹惰性壳层的方法，该方法已被证明可以通过控制每次滴加壳层前驱体的量，实现对壳层厚度的连续可调，使得发光核心被完全包裹，因此用此法包裹的钕掺杂稀土近红外荧光探针有更高的荧光量子产率与更强的抗淬灭特性。

本发明中，所述的下转换发光核心包括基质和发光中心；其中，基质材料为：氟化物、氧化物、硫氧化物或卤化物；氟化物为：CaF₂、BaF₂、LaF₃、YF₃、ZnF₂、NaYF₄、NaYbF₄、LiYF₄、KYF₄、NaGdF₄或NaLuF₄；氧化物为：La₂O₃、Y₂O₃、Yb₂O₃、Gd₂O₃或Lu₂O₃；硫氧化物为Y₂O₂S、CaS₂或La₂S₃；卤化物为Cs₃Lu₂Br₉；发光中心为Nd³⁺；发光中心的摩尔含量为0.01%~50%；该下转换发光核心能在一定波长的激发下，发射出相对应的下转换荧光。例如800 nm激发光，发射出850-950 nm和1030-1080 nm两个波段的近红外荧光。

本发明中，所述的惰性壳层仅由基质组成；其基质材料为：氟化物、氧化物,、硫氧化物或卤化物；氟化物为：CaF₂、BaF₂、LaF₃、YF₃、ZnF₂、NaYF₄、NaYbF₄、LiYF₄、KYF₄、NaGdF₄或NaLuF₄；氧化物为：La₂O₃、Y₂O₃、Yb₂O₃、Gd₂O₃或Lu₂O₃；硫氧化物为Y₂O₂S、CaS₂或La₂S₃；卤化物为Cs₃Lu₂Br₉；惰性壳层用于增强纳米晶体的发光稳定性和发光效率，减少外界环境对下转换荧光的淬灭。

本发明提供上述高效抗淬灭的钕掺杂稀土红外荧光探针的合成方法，具体步骤如下：

（1）壳层前驱体的制备：

a、稀土溶液前驱体的制备：将稀土盐在真空条件下溶解在高沸点的溶剂当中；其中，稀土盐选自：氯化物、硝酸盐、醋酸盐、氧化物、三氟乙酸盐、乙酰丙酮盐；包括的稀土元素为Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu；高沸点溶剂为：油酸、硬脂酸、癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸、十八烯、液体石蜡、橄榄油中的一种或者几种；溶解温度为20-150摄氏度，优选温度为100-140摄氏度；最终所得溶液的浓度为0.01 mol/L到5 mol/L，优选浓度为0.1-2 mol/L；

b、三氟乙酸钠/钾/锂/钡溶液的制备：将三氟乙酸钠/钾/锂/钡盐, 即三氟乙酸钠或三氟乙酸钾或三氟乙酸锂或三氟乙酸钡，溶解在高沸点溶剂中；高沸点溶剂为：油酸、硬脂酸、癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸、十八烯、液体石蜡、橄榄油中的一种或者几种；溶解温度为20-150摄氏度, 优选温度为30-80摄氏度；最终所得溶液的浓度为0.01 mol/L到5 mol/L，优选浓度为0.4 -3 mol/L。

（2）下转换发光核心的合成：采用油酸、油胺、三正辛基氧膦、十八烯、液体石蜡为高温溶剂，稀土原料采用稀土氯化物，稀土三氟乙酸盐，稀土硝酸盐，或者稀土醋酸盐；反应物还应包括氟化铵、氟化钠、氟化锂、氟化钾、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂中的一种或者几种；在200-320摄氏度、氮气气氛下反应，即得到分散性和均匀性较好的下转换稀土纳米晶体。

（3）核壳结构纳米晶体（高效抗淬灭的钕掺杂稀土近红外荧光探针）的合成：以上一步中制备的下转换下转换稀土纳米晶体（即发光核心）为晶核，在高温条件下，连续交替引入壳层前驱体溶液，引入方式为滴加，温度为150-340摄氏度；每次引入高沸点稀土溶液前驱体与三氟乙酸钠/钾/锂/钡溶液的体积比例为10:1到1:10，优选比例为2:1到1:2。

本发明中，通过控制每次滴加壳层前驱体的量，可以实现对壳层厚度的连续可调，是指壳层的厚度可以根据需要进行调节，调节方法为改变滴加前驱体的浓度或者滴加前驱体的次数；其中前驱体的浓度可以为0.01 mol/L到5 mol/L；滴加次数可以为1次到100次。

本发明所合成的核壳结构纳米晶体（高效抗淬灭的钕掺杂稀土近红外荧光探针），最终实现了在低热效应800 nm激发光下，850-950 nm和1030-1080 nm两个波段的近红外发射。通过研究不同壳层厚度下的荧光强度和抗淬灭特性，我们确定了其最佳壳层厚度。与传统包壳方法相比，连续层层生长法合成的核壳结构纳米晶体（高效抗淬灭的钕掺杂稀土近红外荧光探针）具有更高的荧光量子产率和更强的抗淬灭效应。实验结果表明，通过控制每次滴加的壳层前驱体的量，可以实现对壳层厚度的连续调节，并且壳层厚度具有窄的尺寸分布。本发明不仅可以极大地提高钕的下转换荧光量子产率与荧光稳定性，还能够极大地降低环境（溶剂，如水）对钕离子掺杂的下转换荧光的淬灭效应。

附图说明

图1高效抗淬灭的钕掺杂稀土近红外荧光材料的结构示意图与发光机理图。

图2利用连续层层生长法制备的高效抗淬灭的钕掺杂稀土近红外荧光探针的透射电子显微镜照片。

图3制备的钕掺杂稀土近红外荧光材料在800 nm近红外光激发下的量子产率图。

图4制备的钕掺杂稀土近红外荧光材料在转水相前后的荧光淬灭比。

具体实施方式

实施例1：

（1）壳层前驱体的制备。Gd-OA（0.1 M）前驱体的制备：取50 mL三口圆底烧瓶为反应容器，依次加入2.5 mmol GdCl₃，10 mL 油酸（OA），15 mL十八烯（ODE）。在真空和磁力搅拌条件下加热至140摄氏度并保持1小时，最终得到澄清透明的Gd-OA（0.1 M）前驱体。

Na-TFA-OA前驱体的制备：取25 mL三口圆底烧瓶为反应容器，依次加入4 mmol三氟乙酸钠和10 mL 油酸，在真空和搅拌条件下室温溶解，得到无色透明澄清的Na-TFA-OA前驱体溶液。

（2）下转换发光核心的合成。取50 mL三口圆底烧瓶为反应容器，首先加入0.95 mmol GdCl₃，0.5 mmol NdCl₃随后加入6 mL油酸（OA），15 mL 十八烯（ODE）。将上述混合物搅拌加热至140^oC，真空脱水脱氧60分钟，最终得到透明混合溶液。待该透明溶液冷却至室温后，将2.5 mmol NaOH和4 mmol NH₄F溶解于10 mL甲醇溶液中混合并且注入上述反应溶液中进行反应。连续搅拌20分钟后，将反应物在高纯氩气保护下以10^oC/min的速度升温至285摄氏度并保温反应100分钟。待反应结束后，将反应母液冷却至50^oC后加入乙醇使产物从溶液中沉淀析出，随后离心，使用无水乙醇反复洗涤3-5次后得到产物，并将产物溶解于10 mL环己烷中备用。

（3）核壳结构纳米晶体（高效抗淬灭的钕掺杂稀土近红外荧光探针）的合成。取5 mL上述提纯液（~ 0.5 mmol）于8 mL油酸（OA），12 mL 十八烯（ODE）混合加热至70摄氏度，在真空条件下保持30分钟除去反应体系中的环己烷和氧气。然后将反应体系以20^oC/min的速度升温至260摄氏度。然后向反应瓶中交替滴加1 mL Gd-OA前驱体和0.5 mL Na-TFA-OA前驱体。每次滴加的间隔时间为15分钟。滴加次数可根据壳层厚度的需要进行调整。待反应结束后，将反应母液冷却至50^oC后加入乙醇使产物从溶液中沉淀析出，随后离心，使用无水乙醇反复洗涤3-5次后得到产物，并将产物溶解于5 mL环己烷中备用。

该实施例中所制备的高效抗淬灭的钕掺杂稀土核壳结构纳米晶体可以在800 nm近红外光激发下，发出850-950 nm和1030-1080 nm两个波段的近红外荧光。通过荧光量子产率测试，我们发现采用连续层层生长法合成的核壳结构纳米晶体比用传统包壳方法合成的核壳结构纳米晶体有更高的荧光量子产率。

实施例2：实施例1中所制备的高效抗淬灭的钕掺杂稀土核壳结构纳米晶体的表面是疏水的，通过双亲分子对其修饰可以将所得纳米晶体变成水溶性，从而使其具有更好的生物相容性。通过荧光光谱表征，我们发现，通过连续层层生长法合成的核壳结构纳米晶体比用传统包壳方法合成的核壳结构纳米晶体有更高的抗淬灭效应，而且，当包裹的壳层越厚，其抗淬灭效应越强。

Claims

1. 一种高效抗淬灭的钕掺杂稀土近红外荧光探针，是一种核壳结构的纳米晶体，其特征在于包括下转换发光核心和惰性壳层两个部分；其中，下转换发光核心为钕掺杂稀土纳米晶体，其在800 nm近红外光激发下，可以发出850-950 nm和1030-1080 nm两个波段的近红外荧光；惰性壳层完全包裹发光核心，用于增强纳米晶体的发光稳定性和发光效率，同时减少外界环境对下转换荧光的影响。

2. 根据权利要求1所述的高效抗淬灭的钕掺杂稀土近红外荧光探针，其特征在于所述的下转换发光核心包括基质和发光中心；其中，基质材料为：氟化物、氧化物、硫氧化物或卤化物；氟化物为：CaF₂、BaF₂、LaF₃、YF₃、ZnF₂、NaYF₄、NaYbF₄、LiYF₄、KYF₄、NaGdF₄或NaLuF₄；氧化物为：La₂O₃、Y₂O₃、Yb₂O₃、Gd₂O₃或Lu₂O₃；硫氧化物为Y₂O₂S、CaS₂或La₂S₃；卤化物为Cs₃Lu₂Br₉；发光中心为Nd³⁺；发光中心的摩尔含量为0.01%~50%。

3. 根据权利要求2所述的高效抗淬灭的钕掺杂稀土近红外荧光探针，其特征在于所述的惰性壳层由基质组成；其基质材料为：氟化物、氧化物、硫氧化物或卤化物；氟化物为：CaF₂、BaF₂、LaF₃、YF₃、ZnF₂、NaYF₄、NaYbF₄、LiYF₄、KYF₄、NaGdF₄或NaLuF₄；氧化物为：La₂O₃、Y₂O₃、Yb₂O₃、Gd₂O₃或Lu₂O₃；硫氧化物为Y₂O₂S、CaS₂或La₂S₃；卤化物为Cs₃Lu₂Br₉。

4. 一种如权利要求1～3之一所述的高效抗淬灭钕掺杂稀土红外荧光探针的合成方法，其特征在于具体步骤为：

（1）壳层前驱体的制备：

a、稀土溶液前驱体的制备：在真空条件下将稀土盐溶解于高沸点的溶剂当中；其中，稀土盐选自：氯化物、硝酸盐、醋酸盐、氧化物、三氟乙酸盐、乙酰丙酮盐；包括的稀土元素为Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu；高沸点溶剂为：油酸、硬脂酸、癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸、十八烯、液体石蜡、橄榄油中的一种或者几种；溶解温度为20-150摄氏度；最终所得溶液的浓度为0.01 mol/L到5 mol/L；

b、三氟乙酸钠/钾/锂/钡溶液的制备：将三氟乙酸钠或三氟乙酸钾或三氟乙酸锂或三氟乙酸钡，溶解在高沸点溶剂中；高沸点溶剂为：油酸、硬脂酸、癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸、十八烯、液体石蜡、橄榄油中的一种或者几种；溶解温度为20-150摄氏度；最终所得溶液的浓度为0.01 mol/L到5 mol/L；

（2）下转换发光核心的合成：采用油酸、油胺、三正辛基氧膦、十八烯、液体石蜡为高温溶剂，稀土原料采用稀土氯化物、稀土三氟乙酸盐、稀土硝酸盐或者稀土醋酸盐；反应物还应包括氟化铵、氟化钠、氟化锂、氟化钾、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂中的一种或者几种；在200-320摄氏度、氮气气氛下反应，得到分散性和均匀性较好的下转换稀土纳米晶体；

（3）核壳结构纳米晶体即高效抗淬灭的钕掺杂稀土近红外荧光探针的合成：以上一步中制备的下转换稀土纳米晶体为晶核，在150-340摄氏度高温条件下，连续交替引入壳层前驱体溶液，引入方式为滴加；每次引入高沸点稀土溶液前驱体与三氟乙酸钠/钾/锂/钡溶液的体积比例为10:1到1:10。

5. 根据权利要求4所述的高效抗淬灭钕掺杂稀土红外荧光探针的合成方法，其特征在于通过控制每次滴加壳层前驱体的量，实现对壳层厚度的连续可调；控制措施为改变滴加前驱体的浓度或者滴加前驱体的次数：前驱体的浓度为0.01 mol/L到5 mol/L，滴加次数为1次到100次。