CN105885821A - 一种多功能纳米复合材料及其制备方法和用途 - Google Patents

一种多功能纳米复合材料及其制备方法和用途 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多功能纳米复合材料及其制备方法和用途，该复合材料的分子通式为NaYF4:Yb3+,Er3+@Cu2‑xS，其制备方法为：分别控制NaYF4:Yb3+,Er3+‑COOH纳米颗粒和Cu2‑xS‑NH2纳米颗粒溶液的pH=8~11，混合反应，室温搅拌30min‑1h，常规后处理后，于200~400℃真空煅烧0.5‑2 h，即得多功能纳米复合材料；其中，NaYF4:Yb3+,Er3+‑COOH纳米颗粒与Cu2‑xS‑NH2纳米颗粒的摩尔配比为（0.1~10）:1。本发明将NaYF4:Yb3+,Er3+‑COOH与胺基表面功能化的Cu2‑xS纳米晶复合制备出一种兼有水溶性和生物相容性、符合荧光标记和生物成像要求且可用于光热治疗的集荧光标记和光热转换功能于一体的多功能纳米复合材料，该复合材料同时具有荧光标记与光热转换效应，可利用同一束红外线获得能量进行标记肿瘤癌细胞并有效杀死癌细胞，适用于光热治疗领域。

Description

一种多功能纳米复合材料及其制备方法和用途
技术领域
本发明属于纳米材料制备技术领域，涉及将上转换发光材料与光热转换材料复合制备一种用于光热治疗的集荧光标记和光热转换功能于一体的多功能纳米复合材料和用途。
背景技术
上转换发光材料是一种能在红外光激发的条件下发出可见光的材料，即是可以吸收红外光所散发出的能量从而转换成可见光的一种材料。之所以称为上转换，是因为它所吸收的光子能量低于其发射出的光子能量。1966年，Auzel (C. R. Acad. Sci. Paris B, 1966, 262, 1016)在钨酸镱钠玻璃的研究中，发现当将稀土元素Yb3+离子掺入基质材料中时，Er3+、Ho3+、Tm3+离子在红外光激发所转换的可见发光的能量几乎提高了两个数量级，从而正式提出了“上转换发光”的理念。在红外光激发下，上转换发光材料产生可见发射，具有吸收能力强，转换效率高，发射线谱窄，发光稳定，荧光背景低等优点，因此发展成为了一种把红外光转变为可见光的有效材料，并在生物荧光标记和医学诊断领域具有特殊应用，近年来也成为国际上研究的热点。到目前为止，人们发现的具有最强的上转换发光基质材料是NaYF4，且在红外光激发下，Yb3+和Er3+共掺杂的NaYF4具有非常高的上转换效率。虽然所合成的NaYF4(共掺Yb3+和Er3+)纳米晶具有良好的上转换荧光效应，但是其水溶性和生物相容性差，只分散于环己烷等非极性溶剂中，而作为荧光标记的上转换发光纳米晶必须在水溶液中得到分散，这在一定程度上限制了上转换发光纳米晶作为荧光探针在生物荧光标记和成像方面中的应用。因此，若要将这些上转换发光纳米晶用于生物标记，必须对其表面进行功能化修饰，改善其水溶性和生物相容性，例如用聚乙二醇作为水溶性配体，采用表面配体交换法对纳米粒子表面进行水溶性修饰（Analytical Chemistry, 2009, 81, 930-935; Journal of Alloys and Compounds, 2009, 485, 24-27）。也可以采用羧基、胺基表面功能化的方法（乌兰图亚，稀土荧光及上转换发光纳米粒子的制备、表征及表面功能化，硕士毕业论文，内蒙古大学，2009）将材料表面的配体改为亲水基团。
来提高纳米材料的水溶性和生物兼容性近些年来，由于上转换发光材料具有非常大的应用前景，尤其在生物医学领域，基于NaYF4体系的上转换纳米晶的合成研究也受到了人们广泛的关注。
光热转换纳米材料是一种能够在近红外区域有较高的吸收，且能通过等离子体共振或者可以利用能量跃迁带产生的热量，在局部产生高温，从而达到杀死肿瘤等细胞为目的的一种新型纳米功能材料。光热转换纳米材料作为一个新的科研研究热点，许多生物-材料学者做了很多工作，目的就是合成这类光热转换纳米材料，因而可以将它应用于光热治疗等方面，从而光热转换纳米材料得以在生物医学等领域得到了很大的关注。由于铜基纳米材料具有非常优异的物理和化学性能，所以一直以来科研工作者将其选择作为研究光热转换纳米材料的首选，Cu2-xS作为一个阳离子缺陷的P形半导体在室温下以多种形式存在，低辉铜矿Cu2S、蓝辉铜矿Cu1.97S、久辉铜矿Cu1.94S、蓝辉铜矿Cu1.8S、斜方蓝辉铜矿Cu1.4S、方铁锰矿Cu1.75S、篮铜矿CuS等。科研工作者们发现Cu2-xS铜基纳米材料在近红外区域均具有较好的光吸收，从而在生物-医学等领域内铜基纳米材料将具有很好的应用前景，例如：东华大学胡俊青课题组成功合成花状CuS，(Advanced Materials, 2011, 23, 3542-3547)，利用红外激光获得能量从而转换为热能，有效的杀死肿瘤癌细胞，但是单一的Cu2-xS纳米材料没有标记肿瘤癌细胞的功能，没有办法对癌细胞进行定位并有效的杀死。
目前单一的铜基纳米材料的光热治疗应用中，由于不能对人体类肿瘤癌细胞进行有效的目标标定，限制了其发展，因此探索开发一种可以用同一束红外光源，实现既可以荧光标记肿瘤癌细胞，又具有较高的光热转换效率的多功能纳米复合材料，在生物医学领域具有非常重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种既能对人体类肿瘤癌细胞进行有效的目标标定，还能同时有效杀死肿瘤癌细胞的纳米复合材料。
为达到上述目的，本发明提供了一种多功能纳米复合材料，该复合材料的分子通式为NaYF4:Yb3+,Er3+@Cu2-xS，其中，0≤X＜1。
上述的多功能纳米复合材料，其特征在于，该多功能纳米复合材料的分子式为NaY0.78Yb0.20Er0.02F4@Cu1.94S。
本发明还提供了上述的多功能纳米复合材料的制备方法，该方法为分别控制NaYF4:Yb3+,Er3+-COOH纳米颗粒和Cu2-xS-NH2纳米颗粒溶液的pH=8~11，混合反应，室温搅拌30 min-1 h，将所得产物常规后处理后，于200~400℃真空煅烧0.5-2 h，即得多功能纳米复合材料；其中，NaYF4:Yb3+,Er3+-COOH纳米颗粒与Cu2-xS-NH2纳米颗粒的摩尔配比为（0.1~10）:1。
上述的多功能纳米复合材料的制备方法，其中，NaYF4:Yb3+,Er3+-COOH纳米颗粒与Cu2-xS-NH2纳米颗粒的摩尔浓度均为0.01 mol/L~1 mol/L。
上述的多功能纳米复合材料的制备方法，其中，NaYF4:Yb3+,Er3+-COOH纳米颗粒与Cu2-xS-NH2纳米颗粒的摩尔配比为（0.8~1.2）:1。
上述的多功能纳米复合材料的制备方法，其中，所述的该多功能纳米复合材料的分子式为NaY0.78Yb0.20Er0.02F4@Cu1.94S。
上述的多功能纳米复合材料的制备方法，其中，所述的常规后处理是指过滤，洗涤及干燥。
上述的多功能纳米复合材料的制备方法，其中，所述的过滤是指离心过滤，所述的洗涤是指采用乙醇洗涤若干次，所述的干燥是指40-50℃下进行真空干燥。
上述的多功能纳米复合材料的制备方法，其中，所述的NaYF4:Yb3+,Er3+-COOH纳米颗粒的制备方法为：在室温下，将NaYF4:Yb3+,Er3+、环己烷、叔丁醇、蒸馏水和K2CO3水溶液混合搅拌20-30 min，然后滴加勒米厄-冯鲁德洛夫试剂，在40-50℃下搅拌36-48 h，经常规后处理得到NaYF4:Yb3+,Er3+-COOH。
上述的多功能纳米复合材料的制备方法，其中，所述的NaYF4:Yb3+,Er3+的制备方法为：将油酸、油胺、十八烯混合，搅拌条件下，加入CF3COONa、Y(CF3COO)3、Yb(CF3COO)3和Er(CF3COO)3的混合物，加热至90-100℃，抽真空30-45 min，氩气保护下继续加热至200-300℃，维持45min-1h；经常规后处理得到NaYF4:Yb3+,Er3+纳米晶。
上述的多功能纳米复合材料的制备方法，其中，所述的Cu2-xS-NH2纳米颗粒的制备方法为：将CuCl2 ·2H2O的水溶液与3-巯基-1-丙胺混合，在氮气保护下，升温至40-50℃反应，搅拌5-10 min, 然后缓慢加入NaOH溶液，搅拌3-5小时，然后快速加入Na2S 溶液，在反应温度为40-50℃的条件下剧烈搅拌反应2-4 h，所得产物冷却至室温，然后透析数小时以去除未反应的分子或者离子，得到Cu2-xS-NH2纳米晶。
本发明还提供了上述的多功能纳米复合材料的用途，该多功能纳米复合材料同时具有荧光标记与光热转换效应，能用于制备用于光热治疗的药物。
本发明采用文献已有的羧基表面功能化的方法获得NaYF4:Yb3+,Er3+-COOH，并将其与胺基表面功能化的Cu2-xS纳米晶成功制备出一种兼有水溶性和生物相容性、符合荧光标记和生物成像要求的且可用于光热治疗的集荧光标记和光热转换功能于一体的多功能纳米复合材料，即：NaYF4:Yb3+,Er3+@Cu2-xS纳米复合材料，该复合材料同时具有荧光标记与光热转换效应，可以利用同一束红外线获得能量进行标记肿瘤癌细胞进而有效杀死癌细胞。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的NaY0.78Yb0.20Er0.02F4@Cu1.94S纳米晶的XRD图。
图2为本发明实施例1制备的NaY0.78Yb0.20Er0.02F4@Cu1.94S纳米晶的SEM图。
图3为本发明实施例1制备的NaY0.78Yb0.20Er0.02F4@Cu1.94S纳米晶的TEM图。
具体实施方式
本发明提供的一种多功能纳米复合材料，其分子通式为NaYF4:Yb3+,Er3+@Cu2-xS，其中，0≤X＜1。
本发明还提供了上述多功能纳米复合材料的制备方法，该方法为分别控制NaYF4:Yb3+,Er3+-COOH纳米颗粒和Cu2-xS-NH2纳米颗粒溶液的pH=8~11，混合反应，室温搅拌30 min-1 h，将所得产物常规后处理后，于200~400℃真空煅烧0.5-2 h，即得所述的多功能纳米复合材料；其中，NaYF4:Yb3+,Er3+-COOH纳米颗粒与Cu2-xS-NH2纳米颗粒的摩尔配比为（0.1~10）:1。
以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。
实施例1
NaY0.78Yb0.20Er0.02F4纳米晶的制备：
步骤1，材料的准备：分别称取 0.408g CF3COONa，1.0014g Y(CF3COO)3，0.3072 g Yb(CF3COO)3和0.0304 g Er(CF3COO)3；
步骤2，向三口烧瓶中加入 9.2 mL油酸、9.9 mL油胺、19.2 mL 十八烯，磁力搅拌下加入上述混合物，加热上述混合溶液至l00℃，抽真空30 min，氩气保护下加热至300℃，保持45 min；
步骤3，将所得生成物冷却至室温，然后将其倒入无水乙醇中，出现白色固体产物。去除上层清液，将所得固体产物离心分离，用无水乙醇洗涤3-4次，于70℃真空干燥8 h，得到NaY0.78Yb0.20Er0.02F4纳米晶。
NaY0.78Yb0.20Er0.02F4-COOH纳米晶的制备：
步骤1，在室温下，将0.1g NaY0.78Yb0.20Er0.02F4、100 mL环己烷、70 mL 叔丁醇、10 mL蒸馏水和5 mL 5% K2CO3水溶液加入三口烧瓶中，将混合物磁力搅拌30 min；
步骤2，滴加20 mL勒米厄-冯鲁德洛夫试剂（5.7 mmol KMnO4和0.105 mol NaIO4水溶液）于上述混合物中；混合溶液于40 ℃下搅拌48 h；
步骤3，将所得产物离心分离，用蒸馏水、丙酮、乙醇分别洗涤三次，于70℃真空干燥8 h，得到白色的产物即为NaY0.78Yb0.20Er0.02F4-COOH。
Cu1.94S-NH2纳米晶的制备：
步骤1，在三口烧瓶中，加入0.2 mmol的CuCl2 ·2H2O、0.4 mmol的3-巯基-1-丙胺（MPa）和40 mL蒸馏水，在氮气保护下，于40℃反应，磁力搅拌10 min；
步骤2，在三口瓶中缓慢加入2 mL NaOH溶液，搅拌3小时，然后快速加入1 mL Na2S 溶液，在反应温度为50℃的条件下剧烈搅拌反应2 h；
步骤3，所得产物冷却至室温，然后透析24 h以去除未反应的分子或者离子，然后得到Cu1.94S-NH2纳米晶。
NaY0.78Yb0.20Er0.02F4@Cu1.94S纳米复合材料的制备
步骤1，将得到的NaY0.78Yb0.20Er0.02F4-COOH纳米晶溶于水中，初始浓度为0.1 mol/L，控制pH=10，溶解成胶体溶液，然后将得到的Cu1.94S-NH2纳米晶溶于水中，控制pH=10，将二者混合，二者按照摩尔比为1:1混合，室温下磁力搅拌30 min；
步骤2，搅拌停止后，将所得产物进行离心，用乙醇洗3次，于40 oC下进行真空干燥8 h；
步骤3，将所得产物于250℃真空煅烧，将样品煅烧2h即所得NaY0.78Yb0.20Er0.02F4@Cu1.94S复合材料。
将上述NaY0.78Yb0.20Er0.02F4@Cu1.94S复合材料的XRD、SEM、TEM如图1-3所示。该NaY0.78Yb0.20Er0.02F4@Cu1.94S纳米晶的XRD图谱如图1所示，其中的（111）、（200）、（220）、（311）、（400）、（331）与NaYF4标准图谱 (JCPDS No.77-2042)一致，（804）、（080）、（1204）、（846）与Cu1.94S标准图谱（JCPDS No.23-0959）基本吻合，由此可以得到NaY0.78Yb0.20Er0.02F4@Cu1.94S复合材料是由NaY0.78Yb0.20Er0.02F4和Cu1.94S复合而成的。图2为NaY0.78Yb0.20Er0.02F4@Cu1.94S复合材料的SEM图谱，从图中可以看出复合材料为粒径均约为220 nm的介孔球，介孔球表面光滑，且单个介孔球周围分散着直径较小的颗粒。图3为NaY0.78Yb0.20Er0.02F4@Cu1.94S复合材料的TEM图谱，由图中可见，该介孔球比较均匀，且单个介孔球周围分散着有粒径约为5-25 nm的小颗粒，小颗粒为NaY0.78Yb0.20Er0.02F4或Cu1.94S。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种多功能纳米复合材料，其特征在于，该多功能纳米复合材料的结构通式为NaYF4:Yb3+,Er3+@Cu2-xS，其中，0≤X＜1）。
2.如权利要求1所述的多功能纳米复合材料，其特征在于，该多功能纳米复合材料的分子式为NaY0.78Yb0.20Er0.02F4@Cu1.94S。
3.一种根据权利要求1所述的多功能纳米复合材料的制备方法，其特征在于，该方法为分别控制NaYF4:Yb3+,Er3+-COOH纳米颗粒和Cu2-xS-NH2纳米颗粒溶液的pH=8~11，混合反应，室温搅拌30 min-1 h，将所得产物常规后处理后，于200~400℃真空煅烧0.5-2 h，即得所述的多功能纳米复合材料；其中，NaYF4:Yb3+,Er3+-COOH纳米颗粒与Cu2-xS-NH2纳米颗粒的摩尔配比为（0.1~10）:1。
4.如权利要求3所述的多功能纳米复合材料的制备方法，其特征在于，NaYF4:Yb3+,Er3+-COOH纳米颗粒与Cu2-xS-NH2纳米颗粒的摩尔浓度均为0.01 mol/L~1 mol/L。
5.如权利要求3所述的多功能纳米复合材料的制备方法，其特征在于， NaYF4:Yb3+,Er3+-COOH纳米颗粒与Cu2-xS-NH2纳米颗粒的摩尔配比为（0.8~1.2）:1。
6.如权利要求3所述的多功能纳米复合材料的制备方法，其特征在于，所述的该多功能纳米复合材料的分子式为NaY0.78Yb0.20Er0.02F4@Cu1.94S。
7.如权利要求3所述的多功能纳米复合材料的制备方法，其特征在于，所述的常规后处理是指过滤，洗涤及干燥。
8.如权利要求7所述的多功能纳米复合材料的制备方法，其特征在于，所述的过滤是指离心过滤，所述的洗涤是指采用乙醇洗涤若干次，所述的干燥是指40-50℃下进行真空干燥。
9.一种根据权利要求1所述的多功能纳米复合材料的用途，其特征在于，该多功能纳米复合材料同时具有荧光标记与光热转换效应，能用于制备用于光热治疗的药物。
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