CN105802627B - 一种近红外光激发上转换长余辉的复合纳米材料及其制备 - Google Patents

一种近红外光激发上转换长余辉的复合纳米材料及其制备 Download PDF

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Abstract

本发明属于纳米材料制备及应用领域，公开了一种近红外光激发上转换长余辉的复合纳米材料及其制备方法和应用，利用本发明复合纳米材料可实现近红外波长光激发纳米颗粒产生长余辉发光。该材料由上转换纳米材料与长余辉纳米材料通过结合得到特殊组成的结构。本发明利用了上转换纳米材料吸收近红外光后发射的可见光与长余辉纳米材料的吸收光匹配，即上转换纳米材料发射的可见光被长余辉纳米材料吸收，从而实现长余辉纳米材料发光，实现近红外光激发下产生长余辉发光，克服了传统长余辉纳米探针短波长激发光穿透力弱，无法激发生物体中材料等问题，实现持续检测、无背景激发光、无组织自发荧光、高信噪比、探测设备简单、无需滤光片的深度光学成像。

Description

一种近红外光激发上转换长余辉的复合纳米材料及其制备
技术领域
本发明属于纳米材料制备及应用领域，特别涉及一种近红外光激发上转换长余辉的复合纳米材料及其制备方法和应用，利用本发明近红外光激发上转换长余辉的复合纳米材料可实现近红外波长光激发纳米颗粒产生长余辉发光。
背景技术
近年来，荧光光学成像在生物医学中展现了很多独特的优势，如高灵敏性、无辐射危害、性价比高、便携以及适合需成像引导的外科手术。而伴随着纳米技术的快速发展，荧光光学成像与纳米技术的结合为疾病的诊断和治疗提供了新的前景。结合这两者的长余辉纳米颗粒(Persistent Luminescent Nanoparticles，PLNPs)，可以在成像前用光激发，在检测时没有任何外界光干扰，从而避免了激发光和自发荧光的干扰，因而很大的提高了生物成像中的信噪比。而有着近红外光发射的PLNPs，如Cr3+掺杂的镓酸盐ZnGa2O4:Cr3+及Zn3Ga2Ge2O10:Cr3+等，在活体成像中有更多的优势，如更大的穿透深度、不需要同时激发、探测设备简单、无需添加滤光片等。
虽然PLNPs有着其独特的优势，但在生物应用的同时也存在很多的不足。由于近红外发射的长余辉纳米颗粒的激发光范围为230～600nm，处于紫外和可见光区，因而比较常用的激发光为紫外光和LED，这些光源穿透深度浅、发光效率低，从而降低了活体成像的效率。与此相比，650～1000nm为光的生物窗口，此区间内的光作用于生物体时，自发荧光弱、水吸收少、穿透深度大，是生物应用的最佳波长范围。
稀土离子掺杂的上转换发光纳米颗粒(Upconversion Nanoparticles，UCNPs)是一种新兴的发光纳米材料。它可在两个或多个低能量光子的激发下发射一个高能量光子，实现上转换发光，而且连续激光就可以激发。UCNPs通常由稀土离子(Tm3+，Ho3+，Er3+，Yb3+等)掺杂于纳米晶体(NaYF4，Y2O3等)中构成复合纳米颗粒。相比有机染料和量子点等下转换发光材料，UCNPs有着众多不可替代的优势：无背景自发荧光、无光致漂白、无闪烁等。此外，这种材料还具有激发谱窄、发光光谱窄、激发光和发射光波长间距远等优点。优越的光学特性使得UCNPs近年来在生物传感检测、癌细胞成像、活体肿瘤成像和光动力治疗等生物光子学领域受到了广泛的应用。
通常掺杂Nd3+，Yb3+，Er3+，Tm3+，Ho3+等离子的UCNPs的激发光为近红外光，得到窄带发射的可见光。而这些可见光正好与PLNPs的吸收光匹配，可以作为PLNPs的激发光源。若通过合适的模式将两者结合起来，则可以通过近红外光激发纳米颗粒，并在生物体内达到长余辉的效果。这样将PLNPs和UCNPs二者优势完美的结合起来，无背景光、无自发荧光、高信噪比、探测设备简单、无需滤光片等，使得活体成像迈入一个新的时期，对于肿瘤和癌症等重大疾病的诊断和治疗有着重要的研究意义和社会价值。
发明内容
为了克服上述现有技术中普通长余辉纳米颗粒在光吸收范围的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种近红外光激发上转换长余辉的复合纳米材料。本发明的近红外光激发上转换长余辉的复合纳米材料满足近红外(680～1000nm)光激发，产生红光长余辉发光。
本发明另一目的在于提供一种上述近红外光激发上转换长余辉的复合纳米材料的制备方法。
本发明再一目的在于提供上述近红外光激发上转换长余辉的复合纳米材料在制备诊断肿瘤制剂、生物成像中的应用。具体可为利用本发明近红外光激发上转换长余辉的复合纳米材料作为传递媒介，实现近红外波长光激发纳米颗粒产生长余辉发光，从而应用于上述领域。
本发明的目的通过下述方案实现：
一种近红外光激发上转换长余辉的复合纳米材料，由上转换纳米材料与长余辉纳米材料通过结合得到特殊组成的结构。
所述结合可为纳米结构杂化，包括直接连接和相互包裹等。
所述的长余辉纳米材料为红外光发射的长余辉纳米材料，其激发光波长范围为230～600nm，满足发射光为红光即可，如可为Cr3+掺杂的镓酸盐ZnGa2O4：Cr3+及Zn3Ga2Ge2O10：Cr3+等。
所述的上转换纳米材料的激发光为近红外光，发射光为蓝绿光，如可为Yb3+、Er3+、Tm3+掺杂的NaYF4。
所述上转换纳米材料与长余辉纳米材料并未指定某种材料或某种组分，只要其满足上述激发、发射光条件，即可将其结合得到本发明近红外光激发上转换长余辉的复合纳米材料。
本发明近红外光激发上转换长余辉的复合纳米材料利用了上转换纳米材料吸收近红外光后发射的可见光与长余辉纳米材料的吸收光匹配，利用上转换纳米材料吸收近红外光，发射的可见光被长余辉纳米材料吸收，从而实现长余辉纳米材料发光，实现近红外光激发下产生长余辉发光。
所述的上转换纳米材料优选为由稀土离子(Er3+、Tm3+、Ho3+、Nd3+、Yb3+等中的至少一种)掺杂于纳米晶体(NaYF4，Y2O3，NaGdF4等)中构成的复合纳米材料。所述的上转换纳米材料可通过本领域常规方法制备得到。
这种纳米材料中的稀土离子拥有丰富的实能级，可用来累积低频激发光子的能量，其活化离子通过基态吸收对近红外波段的光进行吸收后，通过能量传递上转换、激发态吸收等途径将能量传递给敏化离子，再由敏化离子通过多光子过程发射荧光。正因如此，它可在两个或多个光子激发下发射一个更高能量的光子，实现近红外光激发发射可见光。
所述的长余辉纳米材料为满足上述条件的本领域常规使用的长余辉纳米材料即可，如由Cr3+掺杂的镓酸盐ZnGa2O4：Cr3+及Zn3Ga2Ge2O10：Cr3+等。本发明所用长余辉纳米材料是一类吸收可见光、紫外光，在激发停止后仍然能继续发光的纳米材料，此种材料可吸收在230～600nm范围内的激发光，产生700nm的长余辉发光。
在一个优选的实施方式中，本发明所述的近红外光激发上转换长余辉的复合纳米材料，由上转换纳米材料与长余辉纳米材料通过相互包裹得到，具体为核壳结构，内核为长余辉纳米材料；壳为上转换纳米材料。
进一步地，所述内核为掺杂Ge和Ga的长余辉ZnO纳米材料；壳为掺杂Yb3+、Er3+、Tm3+的上转换纳米材料。
上述实施方式中，所述内核材料长余辉ZnO纳米材料的激发光在蓝紫光波段，发射光为700nm左右的红光；所述壳材料上转换纳米材料的激发光为980nm左右的近红外光，发射光谱在蓝紫光波段。
具体的，所述内核材料可为Zn1.1Ga1.8Ge0.1O4：Cr3+ 0.005，激发波长为280～550nm；所述壳材料可为NaYF4：17％Yb3+，2％Er3+，1％Tm3+，激发波长为780nm，发射波长为450～550nm。
在另一个优选的实施方式中，其核壳材料对调，本发明所述的近红外光激发上转换长余辉的复合纳米材料，由上转换纳米材料与长余辉纳米材料通过相互包裹得到，具体为核壳结构，内核为上转换纳米材料；壳为长余辉纳米材料。
进一步地，内核为掺杂Yb3+、Er3+、Tm3+的上转换纳米材料；壳为掺杂Ge和Ga的长余辉ZnO纳米材料。
上述实施方式中，所述内核材料上转换纳米材料的激发光为980nm左右的近红外光，发射光谱在蓝紫光波段；所述壳材料长余辉ZnO纳米材料的激发光在蓝紫光波段，发射光为700nm左右的红光。
具体的，所述内核材料可为掺杂不同稀土离子NaYF4，激发波长为780nm，发射波长为450～550nm；所述壳材料可为Zn1.1Ga1.8Ge0.1O4：Cr3+ 0.005，激发波长为280～550nm。
在另一个优选的实施方式中，本发明所述的近红外光激发上转换长余辉的复合纳米材料，由上转换纳米材料与长余辉纳米材料通过直接相连得到，一侧为上转换纳米材料；另一侧为长余辉纳米材料。
进一步地，一侧为掺杂Ge和Ga的长余辉ZnO纳米材料；另一侧为掺杂Yb3+、Er3+、Tm3+的上转换纳米材料。
上述实施方式中，所述长余辉ZnO纳米材料的激发光在蓝紫光波段，发射光为700nm左右的红光；所述上转换纳米材料的激发光为980nm左右的近红外光，发射光谱在蓝紫光波段。
具体的，所述长余辉ZnO纳米材料可为Zn1.1Ga1.8Ge0.1O4：Cr3+ 0.005，激发波长为280～550nm；所述上转换纳米材料可为NaYF4：17％Yb3+，2％Er3+，1％Tm3+，激发波长为780nm，发射波长为450～550nm。
本发明还提供一种上述近红外光激发上转换长余辉的复合纳米材料的制备方法。当采用核壳结构时，以其中一种纳米材料作为核，另一种纳米材料作为壳进行包覆对调；当采用直接连接结构时，将两种纳米材料直接连接得到。
本发明还提供了上述近红外光激发上转换长余辉的复合纳米材料在制备诊断肿瘤制剂、生物成像中的应用。具体可为利用本发明近红外光激发上转换长余辉的复合纳米材料作为传递媒介，实现近红外波长光激发纳米颗粒产生长余辉发光，从而应用于上述领域。
更具体可为，利用上述本发明近红外光激发上转换长余辉的复合纳米材料作为上转换长余辉纳米探针，该纳米探针利用上转换纳米材料吸收近红外光，发射的可见光被长余辉纳米材料吸收，从而实现长余辉纳米材料发光，实现近红外光激发下产生长余辉发光。
进一步具体可为，使用980nm或800nm光激发本发明近红外光激发上转换长余辉的复合纳米材料中的上转换长余辉纳米材料，通过上转换纳米材料与长余辉纳米材料之间的光传递过程，产生700nm长余辉发光。
本发明的机理为：
本发明通过如core-shell结构、或将两种纳米材料直接相连将上转换纳米材料与长余辉纳米材料结合，杂化形成上转换长余辉纳米探针，合成材料利用了上转换纳米材料吸收近红外光后发射的可见光与长余辉纳米材料的吸收光匹配，即上转换纳米材料吸收近红外光，发射的可见光被长余辉纳米材料吸收，从而实现长余辉纳米材料发光，实现近红外光激发下产生长余辉发光，克服了传统长余辉纳米探针短波长激发光穿透力弱，无法激发生物体中材料等问题，实现持续检测、无背景激发光、无组织自发荧光、高信噪比、探测设备简单、无需滤光片的深度光学成像，对活体成像具有重大意义。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：
1、相比于传统的长余辉纳米材料，本发明近红外光激发上转换长余辉的复合纳米材料可以使用近红外光作为激发光，克服激发光为紫外-可见波段(230～590nm)时组织吸收、散射很大，发光效率很低的缺点。
2、合成材料利用了上转换纳米材料发射的可见光与长余辉纳米材料的吸收光匹配，克服了传统长余辉纳米材料短波激发光穿透力弱，无法激发生物体中材料的问题。从而实现持续检测、无背景激发光、无组织自发荧光、高信噪比、探测设备简单、无需滤光片的深度组织光学成像。
3、相比于传统的上转换纳米材料，由于可以在关闭激发光源的情况利用长余辉信号长时间的实时成像，本发明近红外光激发上转换长余辉的复合纳米材料可以实现更简单、更低成本、更少光学曝光的光学生物成像。
附图说明
图1为本发明近红外光激发上转换长余辉的复合纳米材料的结构示意图，其中，1为长余辉纳米材料，2为上转换纳米材料。
图2为本发明实例1所使用长余辉纳米材料的荧光光谱与发射光谱。
图3为本发明实例1所使用上转换纳米材料的荧光光谱(980nm激发)。
图4为上转换长余辉纳米材料核壳示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
下列实施例中使用的试剂均可从商业渠道购买得到。
实例1：近红外光激发上转换长余辉的复合纳米材料的制备
制备长余辉ZnO纳米材料Zn1.1Ga1.8Ge0.1O4：Cr3+ 0.005纳米颗粒，具体方法如下：16.134mmol Ga2O3 10mL 35％浓缩的硝酸在水热条件150℃反应一晚，得到Ga和Ge的氯化盐产物；将0.004mmol的硝酸铬与8.97mmol的硝酸锌溶于10mL水中，0.894mmol GeO溶于尽量少的氨水中，并将溶液转入上述硝酸镓溶液中并剧烈搅拌，所得溶液用30％NH3·H2O调节pH至7.5并于室温下搅拌3h；搅拌完毕后将溶液转入25mL绝缘边缘的不锈钢高温蒸汽灭菌器在120℃下加热24h；上述产物分别用水与乙醇清洗多次；在60℃真空状态下下干燥过夜；干燥完毕后，在1000℃空气中煅烧5h。得到长余辉ZnO纳米材料Zn1.1Ga1.8Ge0.1O4：Cr3+ 0.005，将得到的产物研磨至纳米级别的颗粒，并用甲醇分散。
制备长余辉-上转换(NaYF4：17％Yb3+，2％Er3+，1％Tm3+)核壳结构颗粒，具体方法如下：
在室温下，取0.8mmol Y(CH3CO2)3、0.17mmol Er(CH3CO2)3、0.02mmol Er(CH3CO2)3、0.01mmol Tr(CH3CO2)3，以及3mL的油酸和7mL的十八烯不断搅拌并加热溶液到150℃，保持在这个温度下反应40min。冷却，取0.2mmol NaOH和0.8mmol NH4F溶于甲醇，然后快速将混合物注入反应烧瓶中，往烧瓶中加入上述研磨好的长余辉纳米颗粒，并搅拌过夜。提高温度到100℃，抽真空处理，10min，抽去甲醇。通氩气，重复几次脱气操作，并升高温度至300℃，保持反应混合物在280℃温度下1.5h。移开加热套并一边搅拌一边让反应混合物降到室温，向烧瓶中加入10mL无水乙醇，使纳米颗粒沉淀。离心，用乙醇、乙醇和水、乙醇多次洗涤，最后的产物溶解于环己烷或氯仿中。结构示意图见图1和4。对制备得到的长余辉纳米材料进行荧光光谱与发射光谱分析，结果见图2。对制备得到的上转换纳米材料进行荧光光谱分析(980nm激发)，结果见图3。
实例2：近红外光激发上转换长余辉的复合纳米材料的制备
制备长余辉纳米材料Zn1.1Ga1.8Ge0.1O4：Cr3+ 0.005纳米颗粒，具体方法如下：
16.134mmol Ga2O3，10mL 35％浓缩的硝酸在水热条件150℃反应一晚，得到Ga和Ge的氯化盐产物；将0.004mmol的硝酸铬与8.97mmol的硝酸锌溶于10mL水中，0.894mmol GeO溶于尽量少的氨水中，并将溶液转入上述硝酸镓溶液中并剧烈搅拌，所得溶液用30％NH3·H2O调节pH至7.5并于室温下搅拌3h；搅拌完毕后将溶液转入25mL绝缘边缘的不锈钢高温蒸汽灭菌器在120℃下加热24h；上述产物分别用水与乙醇清洗多次；在60℃真空状态下下干燥过夜；干燥完毕后，在1000℃空气中煅烧5h，得到长余辉纳米材料，将得到的产物研磨至纳米级别的颗粒，并用甲醇分散。
制备长余辉-上转换(NaYF4：18％Yb3+，2％Er3+)核壳结构颗粒，具体方法如下：
在室温下，取0.8mmol Y(CH3CO2)3、0.18mmol Er(CH3CO2)3、0.02mmol Er(CH3CO2)3以及3mL的油酸和7mL的十八烯不断搅拌并加热溶液到150℃，保持在这个温度下反应40min。冷却，取0.2mmol NaOH和0.8mmol NH4F溶于甲醇，然后快速将混合物注入反应烧瓶中。往烧瓶中加入研磨好的长余辉纳米颗粒，并搅拌过夜。提高温度到100℃，抽真空处理，10min，抽去甲醇。通氩气，重复几次脱气操作，并升高温度至300℃，保持反应混合物在280℃温度下1.5h。移开加热套并一边搅拌一边让反应混合物降到室温，向烧瓶中加入10mL无水乙醇，使纳米颗粒沉淀。离心，用乙醇、乙醇和水、乙醇多次洗涤，最后的产物溶解于环己烷或氯仿中，结构示意图见图1。
实例3：近红外光激发上转换长余辉的复合纳米材料的制备
制备长余辉纳米材料Zn1.1Ga1.8Ge0.1O4：Cr3+ 0.005纳米颗粒，具体方法如下：
16.134mmol Ga2O3，10mL 35％浓缩的硝酸在水热条件150℃反应一晚，得到Ga和Ge的氯化盐产物；将0.004mmol的硝酸铬与8.97mmol的硝酸锌溶于10mL水中，0.894mmol GeO溶于尽量少的氨水中，并将溶液转入上述硝酸镓溶液中并剧烈搅拌，所得溶液用30％NH3·H2O调节pH至7.5并于室温下搅拌3h；搅拌完毕后将溶液转入25mL绝缘边缘的不锈钢高温蒸汽灭菌器在120℃下加热24h；上述产物分别用水与乙醇清洗多次；在60℃真空状态下下干燥过夜；干燥完毕后，在1000℃空气中煅烧5h，得到长余辉纳米材料。将得到的产物研磨至纳米级别的颗粒，并用甲醇分散。
制备长余辉-上转换(NaYF4：17％Yb3+，2％Er3+，1％Tm3+；NaYF4：50％Nd3+)核壳结构颗粒，具体方法如下：
第一层NaYF4(NaYF4：17％Yb3+，2％Er3+，1％Tm3+)的包裹：
在室温下，取0.8mmol Y(CH3CO2)3、0.17mmol Er(CH3CO2)3、0.02nmol Er(CH3CO2)3、0.01mmol Tr(CH3CO2)3，以及3mL的油酸和7mL的十八烯不断搅拌并加热溶液到150℃，保持在这个温度下反应40min。冷却，取0.2mmol NaOH和0.8mmol NH4F溶于甲醇，然后快速将混合物注入反应烧瓶中，往烧瓶中加入研磨好的长余辉纳米颗粒，并搅拌过夜。提高温度到100℃，抽真空处理，10min，抽去甲醇。通氩气，重复几次脱气操作，并升高温度至300℃，保持反应混合物在280℃温度下1.5h。移开加热套并一边搅拌一边让反应混合物降到室温，向烧瓶中加入10mL无水乙醇，使纳米颗粒沉淀。离心，用乙醇、乙醇和水、乙醇多次洗涤，最后的产物溶解于环己烷或氯仿中。
第二层NaYF4(NaYF4：50％Nd3+)的包裹：
在室温下，取0.6mmol Y(CH3CO2)3、0.75mmol Nd(CH3CO2)3以及3mL的油酸和7mL的十八烯不断搅拌并加热溶液到150℃，保持在这个温度下反应40min。冷却，取0.15mmolNaOH和0.6mmol NH4F溶于甲醇，然后快速将混合物注入反应烧瓶中，往烧瓶中加入上一步制备的纳米颗粒。提高温度到100℃，抽真空处理，10min，抽去甲醇。通氩气，重复几次脱气操作，并升高温度至300℃，保持反应混合物在280℃温度下1.5h。移开加热套并一边搅拌一边让反应混合物降到室温，向烧瓶中加入10mL无水乙醇，使纳米颗粒沉淀。离心，用乙醇、乙醇和水、乙醇多次洗涤，最后的产物溶解于环己烷或氯仿中。结构示意图见图1。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种近红外光激发上转换长余辉的复合纳米材料，其特征在于由上转换纳米材料与长余辉纳米材料通过结合得到特殊组成的结构；
所述的长余辉纳米材料为Cr3+掺杂的镓酸盐ZnGa2O4：Cr3+及Zn3Ga2Ge2O10：Cr3+中的至少一种；所述的上转换纳米材料为稀土离子Er3+、Tm3+、Ho3+、Nd3+、Yb3+中的至少一种掺杂于纳米晶体NaYF4、Y2O3或NaGdF4中构成的复合纳米材料。
2.根据权利要求1所述的近红外光激发上转换长余辉的复合纳米材料，其特征在于：所述结合为纳米结构杂化。
3.根据权利要求1所述的近红外光激发上转换长余辉的复合纳米材料，其特征在于：所述结合为直接连接或相互包裹。
4.根据权利要求1所述的近红外光激发上转换长余辉的复合纳米材料，其特征在于：所述的长余辉纳米材料为红外光发射的长余辉纳米材料；所述的上转换纳米材料的激发光为近红外光，发射光为蓝绿光。
5.根据权利要求1所述的近红外光激发上转换长余辉的复合纳米材料，其特征在于：所述的长余辉纳米材料的激发光波长范围为230～600nm。
6.根据权利要求1所述的近红外光激发上转换长余辉的复合纳米材料，其特征在于由上转换纳米材料与长余辉纳米材料通过相互包裹得到，具体为核壳结构，内核为长余辉纳米材料；壳为上转换纳米材料。
7.根据权利要求1所述的近红外光激发上转换长余辉的复合纳米材料，其特征在于由上转换纳米材料与长余辉纳米材料通过相互包裹得到，具体为核壳结构，内核为上转换纳米材料；壳为长余辉纳米材料。
8.根据权利要求1所述的近红外光激发上转换长余辉的复合纳米材料，其特征在于由上转换纳米材料与长余辉纳米材料通过直接相连得到，一侧为上转换纳米材料；另一侧为长余辉纳米材料。
9.根据权利要求1所述的近红外光激发上转换长余辉的复合纳米材料在制备诊断肿瘤制剂、生物成像中的应用。
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