CN108277004A - 近红外核壳结构纳米晶荧光寿命的调节方法 - Google Patents

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Abstract

近红外核壳结构纳米晶荧光寿命的调节方法，它涉及近红外纳米晶荧光寿命的调节方法。它要解决现有的稀土掺杂的纳米晶荧光寿命不能调节的技术问题。该方法：近红外核壳结构稀土掺杂纳米晶为立方相NaYF4:Yb,Nd,E@CaF2、六方相NaYF4:Yb,Nd,E@NaYF4、六方相NaYF4:Yb,Nd,E@NaLuF4或者六方相NaYF4:Yb,Nd,E@NaGdF4，其中固定掺杂离子为Yb和Nd，可变掺杂离子为E且E为Yb、Er、Ho、Tm或Nd；通过改变E离子的浓度来调节纳米晶的荧光寿命。通过调节合成的在近红外区具有不同荧光寿命的纳米晶可利用时间门成像技术应用在复合成像上。

Description

近红外核壳结构纳米晶荧光寿命的调节方法
技术领域
本发明涉及近红外核壳结构纳米晶荧光寿命的调节方法。
背景技术
近年来，随着生物成像技术的发展，生物医学不断寻求新型发光材料作为光学探针，以获取高分辨率，高对比度和高穿透性的体内成像。在生物医学领域上，稀土掺杂纳米晶在生物成像上有很大的应用前景，稀土发光材料可以吸收近红外光区的光将其转换到可见，紫外，近红外等波段，可以实现在生物组织光学窗口(近红外一区：650-950，近红外二区：1000-1350nm)成像。在近红外区，生物组织对光的吸收及散射极大程度地降低，从而提高成像的对比度，在高分辨下有助于实现可视化生物结构。可视化生物结构一个主要的障碍是荧光光谱的重叠，而高度复合成像可以实现同时观察多个细胞成像。实现高度复合成像通常有以下两个必备条件：一是，设计更好的荧光探针，例如设计横跨可见光色彩范围及发色谱带较窄的探针，这样有利于更好地区分荧光图像；二是，采用能检测重叠成像的光学设备来标记探针光谱信息。高度复合成像旨在研究携带不同抗体的探针的靶向治疗效果，同时也为未来利用多个靶点高效成像进行癌症诊断提供可能性。然而，现阶段一些常见的标记物，例如碳纳米管，有机染料及半导体纳米颗粒由于其发射波段无法完全区分，因此还没有应用于高度复合成像。同时，除了利用发射波段进行不同探针信号的区别，也可以利用其他的光学特征对信号来源判断。如今，一些研究者报道可以利用荧光寿命的不同来区别不同可见光发射的纳米晶，因此可以将这种方式应用到近红外区实现穿透深度较深的生物体内成像。稀土掺杂的纳米晶具有优异的光学性质，但其荧光寿命较长，通常在10-4～10-3s之间，目前尚没有对稀土掺杂的纳米晶荧光寿命进行调节的方法。
发明内容
本发明是要解决现有的稀土掺杂的纳米晶荧光寿命不能调节的技术问题，而提供一种近红外核壳结构纳米晶荧光寿命的调节方法。
本发明的近红外核壳结构纳米晶荧光寿命的调节方法为：
近红外核壳结构稀土掺杂纳米晶为立方相NaYF4:Yb,Nd,E@CaF2、六方相NaYF4:Yb,Nd,E@NaYF4、六方相NaYF4:Yb,Nd,E@NaLuF4或者六方相NaYF4:Yb,Nd,E@NaGdF4，其中固定掺杂离子为Yb和Nd，可变掺杂离子为E且E为Yb、Er、Ho、Tm或Nd；通过改变E离子的浓度来改变近红外核壳结构稀土掺杂纳米晶的荧光寿命。
本发明通过调节可变掺杂离子的浓度，达到调节稀土掺杂纳米晶荧光寿命的目的，，利用时间门成像技术，这种荧光寿命可调节的核壳结构纳米晶能够实现在近红外区穿透深度较深的高度复合成像。针对立方相NaYF4:Yb,Nd,E@CaF2及六方相NaYF4:Yb,Nd,E@NaYF4/NaLuF4/NaGdF4(E＝Yb，Er，Ho，Tm，Nd)核壳结构纳米晶，固定掺杂Yb和Nd离子，且固定激发波段为800nm，利用Nd→Yb→E能量传递方式，改变E离子(Yb，Er，Ho，Tm或Nd)的掺杂浓度，会影响各个离子之间的能量传递效率，且掺杂离子E的荧光寿命会发生变化。例如，当掺杂离子E为Yb时，改变E离子的掺杂浓度，随着E离子掺杂浓度的逐渐增加，在800nm激发下，Nd离子吸收800nm传递给Yb离子，Yb离子在980nm发射处的荧光寿命逐渐增强。这是因为当掺杂Yb离子逐渐增多时，Yb离子所发生的的辐射跃迁速度逐渐降低。当掺杂离子E为Nd离子时，逐渐增加Nd的浓度，在800nm激发下，因为增加的浓度会引起Nd←Yb能量反传递过程，增加了Yb离子的无辐射跃迁速度，因此Yb离子980nm处的荧光寿命逐渐缩短。当掺杂离子E为Er，Ho，Tm，若逐渐增加E离子的掺杂浓度，会产生Yb，Nd与E会产生严重的浓度淬灭作用，因此会缩短荧光寿命，但是在适当浓度范围内可以实现荧光寿命的可调性。因此基于以上三类型不同离子的掺杂，可设计合成各个发射离子在近红外区具有不同荧光寿命的核壳结构纳米晶，从而利用时间门成像技术，应用在复合成像上。
附图说明
图1是实施例1中制备的NaYF4:10％Yb,10％Nd@CaF2纳米晶的透射电镜照片；
图2是实施例1中制备的NaYF4:10％Yb,10％Nd,10％Nd@CaF2纳米晶的透射电镜照片；
图3是实施例1中制备的NaYF4:10％Yb,10％Nd,20％Nd@CaF2纳米晶的透射电镜照片；
图4是实施例1中制备的NaYF4:10％Yb,10％Nd,40％Nd@CaF2纳米晶的透射电镜照片；
图5是实施例1中制备NaYF4:10％Yb,10％Nd,70％Nd@CaF2纳米晶的透射电镜照片；
图6是实施例1中制备的NaYF4:10％Yb,10％Nd,80％Nd@CaF2纳米晶的透射电镜照片；
图7是实施例1中制备的6种纳米晶的荧光寿命随着Nd离子掺杂浓度变化图；
图8是实施例1中制备的6种纳米晶的荧光寿命随着Nd离子掺杂浓度变化的拟合曲线图；
图9是实施例1中NaYF4:10％Yb,10％Nd,20％Nd@CaF2纳米晶与商用AgS2造影剂在自然光下的照片；
图10为实施例1中NaYF4:10％Yb,10％Nd,20％Nd@CaF2纳米晶与商用AgS2造影剂在800nm激发下没有延迟时间的近红外图像；
图11是实施例1中NaYF4:10％Yb,10％Nd,20％Nd@CaF2纳米晶与商用AgS2造影剂在800nm激发下延迟10μs时的近红外图像；
图12是口服NaYF4:10％Yb,10％Nd,20％Nd@CaF2纳米晶和注射NaYF4:10％Yb,10％Nd，10％Nd@CaF2纳米晶在C57/Bl6老鼠体内稳定激发态下的复合近红外图像；
图13是口服NaYF4:10％Yb,10％Nd,20％Nd@CaF2纳米晶和注射NaYF4:10％Yb,10％Nd，10％Nd@CaF2纳米晶在C57/Bl6老鼠体内时间门延迟时间下近红外图像；
图14是口服NaYF4:10％Yb,10％Nd,20％Nd@CaF2纳米晶和注射NaYF4:10％Yb,10％Nd，10％Nd@CaF2纳米晶在C57/Bl6老鼠体内荧光衰减曲线。
具体实施方式
具体实施方式一:本实施方式的近红外核壳结构纳米晶荧光寿命的调节方法为：近红外核壳结构稀土掺杂纳米晶为立方相NaYF4:Yb,Nd,E@CaF2、六方相NaYF4:Yb,
Nd,E@NaYF4、六方相NaYF4:Yb,Nd,E@NaLuF4或者六方相NaYF4:Yb,Nd,E@NaGdF4，其中固定掺杂离子为Yb和Nd，可变掺杂离子为E且E为Yb、Er、Ho、Tm或Nd；通过改变E离子的浓度来改变近红外核壳结构稀土掺杂纳米晶的荧光寿命。
具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一不同的是:可变掺杂离子E为Yb，提高E离子掺杂浓度，在800nm的激光激发下，近红外核壳结构稀土掺杂纳米晶在980nm发射处的荧光寿命也增强。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三:本实施方式与具体实施方式一不同的是:可变掺杂离子E为Nd离子，提高E离子掺杂浓度，在800nm的激光激发下，近红外核壳结构稀土掺杂纳米晶在980nm发射处的荧光寿命缩短。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式四:本实施方式与具体实施方式一不同的是:可变掺杂离子E为Er，Ho或Tm，提高E离子掺杂浓度，在800nm的激光激发下，近红外核壳结构稀土掺杂纳米晶的荧光寿命缩短。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式五:本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是:固定掺杂离子Yb的掺杂摩尔百分浓度为x％，其中x＝10～30。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六:本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是:固定掺杂离子Nd的掺杂摩尔百分浓度为x％，其中x＝1～30。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式七:本实施方式与具体实施方式一不同的是：近红外核壳结构稀土掺杂纳米晶NaYF4:Yb,Nd@CaF2在固定掺杂离子Yb的摩尔百分浓度为10％、固定掺杂离子Nd的摩尔百分浓度为10％，可变掺杂离子为E为Nd，在800nm的激光激发下，近红外核壳结构稀土掺杂纳米晶在980nm发射处的荧光寿命与可变掺杂离子E的浓度的关系式为y＝A+B exp(-x/C)，其中A＝0.030～0.031，B＝2.088～2.089，C＝31.41～31.42；y表示纳米晶在980nm发射处的荧光寿命，单位为ms；x％表示可变掺杂离子E的掺杂摩尔百分浓度，根据该关系式通过改变可变掺杂离子E的浓度来调节近红外核壳结构稀土掺杂纳米晶在980nm发射处的荧光寿命。
用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1：本实施例的近红外核壳结构纳米晶荧光寿命的调节方法为：近红外核壳结构稀土掺杂纳米晶为立方相NaYF4:Yb,Nd,E@CaF2，其中固定掺杂离子为Yb和Nd，固定掺杂离子Yb的掺杂摩尔百分浓度为10％，固定掺杂离子Nd的掺杂摩尔百分浓度为10％，可变掺杂离子为E且E为Nd；可变掺杂离子Nd的掺杂摩尔百分浓度为x％，纳米晶表达式为NaYF4:10％Yb,10％Nd,x％Nd@CaF2，用y表示荧光寿命，单位为ms，用x％表示可变掺杂离子Nd的掺杂摩尔百分浓度，则根据荧光寿命y与可变掺杂离子Nd离子的浓度之间的关系式y＝0.0309+2.0882*exp(-x/31.419)，通过改变可变掺杂离子Nd离子的摩尔百分浓度x来改变近红外核壳结构稀土掺杂纳米晶在800nm激发波段下的荧光寿命。
下面来制备系列纳米晶NaYF4:10％Yb,10％Nd,x％Nd@CaF2，其中x＝0、10、20、40、70或80，然后测试纳米晶的荧光寿命，对实施例1进行验证：
一、制备纳米晶NaYF4:10％Yb,10％Nd,x％Nd@CaF2，其中x＝0、10、20、40、70或80，具体的步骤如下：
步骤一：核NaYF4:10％Yb,10％Nd,x％Nd(x＝0、10、20、40、70或80)的制备：将氧化镱、氧化钇和氧化钕分别按照摩尔比0.05:(0.45-x):x(x＝0.05,0.1,0.15,0.25,0.4,0.45)且氧化镱、氧化钇和氧化钕的总摩尔数为1mmol混合于250ml的三口烧瓶中，加入到体积百分浓度为50％的三氟乙酸水溶液中；将混合物，加热到95℃，等到白色物质溶解透明后，通入氩气使溶液完全挥发，干燥，得到白色粉末，即为三氟乙酸稀土盐；待三氟乙酸盐冷却至室温后，加入2mmol CF3COONa、10ml OA(油酸)、10ml OM(油铵)和12ml ODE(十八烯)，加热到130℃，保持40min，以去除其中的水分和氧气；接着加热到320℃，保持60min后，反应结束；待上述液体自然降至室温后，转移到离心管中，加入40ml乙醇，并超声震荡离心管，以7000rpm K·min-1离心5min，离心3次，最后分散在15ml正己烷中，记为核NaYF4:10％Yb,10％Nd,x％Nd(x＝0、10、20、40、70或80)；
步骤二：核壳结构NaYF4:10％Yb,10％Nd,x％Nd@CaF2(x＝0、10、20、40、70或80)的制备：称取3mmol CaO溶于10ml体积百分浓度为50％三氟乙酸水溶液中，加热到95℃使其全部溶解，持续通入氩气使溶液完全挥发，在三口烧瓶底部得到白色粉末，即为Ca(CF3COO)2；待白色粉末完全干燥后，加入8ml OA、8ml ODE和0.5mmol的已经制备的核NaYF4:10％Yb,10％Nd,x％Nd(x＝0、10、20、40、70或80)分散液，在氩气保护下加热到140℃，保持60min，除去溶液中的氧气、水及正己烷，然后调整升温速率为12K·min-1加热到310℃，保持80min，停止反应，待溶液自然冷却到室温，加入过量乙醇以7000rpm K·min-1离心5min，离心3次，得到核壳结构NaYF4:10％Yb,10％Nd,x％Nd@CaF2(x＝0、10、20、40、70或80)；将所得的6种样品分别分散在10ml正己烷中备用；
步骤三：将核壳结构NaYF4:10％Yb,10％Nd,x％Nd@CaF2(x＝0、10、20、40、70或80)进行水溶性修饰：取2ml上述制备的核壳结构纳米晶的正己烷溶液，加入5ml浓度为0.1mg/ml NOBF4(四氟硼酸亚硝)的DMF溶液，振荡，再加入10ml正己烷和10ml甲苯，以12000rpmKmin离心10mn，将产物分散在5ml DMF中；接着加入300mg PAA,加热到90℃，保持50min，再加入10ml丙酮离心，得到稳定分散在水中PAA包覆的NaYF4:10％Yb,10％Nd,x％Nd@CaF2(x＝0、10、20、40、70或80)纳米晶。
二、对本发明合成的纳米晶进行测试。
用爱丁堡的设备FLS980对6种NaYF4:10Yb,30Nd@CaF2纳米晶进行激发光谱测试，发射光谱测试及寿命的测试；对材料进行扫描电镜测试。
NaYF4:10％Yb,10％Nd,x％Nd@CaF2(x＝0、10、20、40、70或80)6种纳米晶的透射电镜照片如图1-6所示，从图中可以看出所合成的不同掺杂浓度的核壳结构纳米晶分散性良好，尺寸没有明显的变化，在8～10nm之间。
以6种纳米晶的Nd掺杂量为横作标，以980nm发射处荧光寿命为纵作标作柱状图，如图7所示，从图7可以看出，在NaYF4:Yb,Nd@CaF2结构中，随着可变掺杂Nd的掺杂浓度的逐渐增加，Yb离子在980nm处的荧光寿命逐渐缩短，可变掺杂Nd离子浓度在0到80％之间改变，导致荧光寿命从1.4ms缩短到0.2ms，这是由于随着Nd离子掺杂浓度的增多，Nd与Yb之间有能量的反传递作用Nd→Yb,从而导致Yb离子发生无辐射弛豫过程，荧光寿命缩短。
将图7中的六个点拟合，得到的曲线为y＝0.0309+2.0882*exp(-x/31.419)。从而验证本实施例1的调节方法是可行的。
本实施例制备的PAA包覆的NaYF4:10％Yb,10％Nd，20％Nd@CaF2纳米晶与商用AgS2造影剂的照片如图9所示，在800nm激发下没有延迟时间的近红外图像如图10所示，延迟时间为10μs时的近红外图像如图11所示。从图9可以看出，PAA包覆的
NaYF4:10％Yb,10％Nd，20％Nd@CaF2纳米晶为无色透明液体，商用AgS2造影剂为黑色液体；从图10可以看出，同一浓度激发下，PAA包覆的NaYF4:10％Yb,10％Nd，20％Nd@CaF2的发光更强。从图11中可以看出，当延迟时间为10μs时，AgS2几乎检测不到荧光信号，而PAA包覆的NaYF4:10％Yb,10％Nd，20％Nd@CaF2纳米晶近红外图像依然清晰可见，从而证明PAA包覆的NaYF4:10％Yb,10％Nd，20％Nd@CaF2纳米晶优于商用AgS2造影剂，适合应用在时间门成像领域。
利用两种寿命不同的纳米晶进行动物试验，将PAA包覆的NaYF4:10％Yb,10％Nd，20％Nd@CaF2经口服到老鼠体内，将PAA包覆的NaYF4:10％Yb,10％Nd，10％Nd@CaF2纳米晶经注射入到同一个老鼠体内进行复合成像。图13是没有延迟时间状态下的近红外图像，从图12中可以看出，纳米晶聚集的地方为老鼠腹部(包括胃，肝脏，脾脏)，但是并不能区别两种纳米晶在老鼠体内的具体位置。
图13是在有时间门延迟时间的状态下进行近红外图像采集，从图13中可以看出注射和口服的两种纳米晶有不同的生物体分布范围。寿命较长的纳米晶NaYF4:10％Yb,10％Nd,10％Nd@CaF2(注射法)在老鼠体内分布范围较大(在照片显示为白色的区域)，根据一些文献及常识，可以判断注射入老鼠体内的长寿命纳米晶聚集在肝脏。而寿命较短的纳米晶NaYF4:10％Yb,10％Nd，20％Nd@CaF2在老鼠体内分布范围较小(在照片中显示为灰色的区域)，可以看出这些寿命较短的纳米晶聚集在老鼠的胃部，此结果与实验方式相吻合。同时，图14中分别对两个位置进行荧光衰减曲线的测试，可以发现口服的纳米晶具有较短的荧光寿命，证实了上述分析的正确性。

Claims (7)

1.一种近红外核壳结构纳米晶荧光寿命的调节方法，其特征在于该方法为：近红外核壳结构稀土掺杂纳米晶为立方相NaYF4:Yb,Nd,E@CaF2、六方相NaYF4:Yb,Nd,E@NaYF4、六方相NaYF4:Yb,Nd,E@NaLuF4或者六方相NaYF4:Yb,Nd,E@NaGdF4，其中固定掺杂离子为Yb和Nd，可变掺杂离子为E且E为Yb、Er、Ho、Tm或Nd；通过改变E离子的浓度来调节近红外核壳结构稀土掺杂纳米晶的荧光寿命。
2.根据权利要求1所述的一种近红外核壳结构纳米晶荧光寿命的调节方法，其特征在于可变掺杂离子E为Yb，提高E离子掺杂浓度，在800nm的激光激发下，近红外核壳结构稀土掺杂纳米晶在980nm发射处的荧光寿命也增强。
3.根据权利要求1所述的一种近红外核壳结构纳米晶荧光寿命的调节方法，其特征在于可变掺杂离子E为Nd离子，提高E离子掺杂浓度，在800nm的激光激发下，近红外核壳结构稀土掺杂纳米晶在980nm发射处的荧光寿命缩短。
4.根据权利要求1所述的一种近红外核壳结构纳米晶荧光寿命的调节方法，其特征在于可变掺杂离子E为Er，Ho或Tm，提高E离子掺杂浓度，在800nm的激光激发下，近红外核壳结构稀土掺杂纳米晶的荧光寿命缩短。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种近红外核壳结构纳米晶荧光寿命的调节方法，其特征在于固定掺杂离子Yb的掺杂摩尔百分浓度为x％，其中x＝10～30。
6.根据权利要求1、2、3或4所述的一种近红外核壳结构纳米晶荧光寿命的调节方法，其特征在于固定掺杂离子Nd的掺杂摩尔百分浓度为x％，其中x＝1～30。
7.根据权利要求3所述的一种近红外核壳结构纳米晶荧光寿命的调节方法，其特征在于近红外核壳结构稀土掺杂纳米晶NaYF4:Yb,Nd@CaF2在固定掺杂离子Yb的摩尔百分浓度为10％、固定掺杂离子Nd的摩尔百分浓度为10％，可变掺杂离子为E为Nd，在800nm的激光激发下，近红外核壳结构稀土掺杂纳米晶在980nm发射处的荧光寿命与可变掺杂离子E的浓度的关系式为y＝A+B exp(-x/C)，其中A＝0.030～0.031，B＝2.088～2.089，C＝31.41～31.42；y表示纳米晶在980nm发射处的荧光寿命，单位为ms；x％表示可变掺杂离子E的掺杂摩尔百分浓度，根据该关系式通过改变可变掺杂离子E的浓度来调节近红外核壳结构稀土掺杂纳米晶在980nm发射处的荧光寿命。
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