CN114276808A - 一种近红外二区发光增强稀土纳米材料、其制备方法及其生物成像应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种近红外二区发光增强稀土纳米材料、其制备方法及其应用，具体涉及一种染料敏化的多层核壳结构稀土纳米材料的合成与生物成像应用，该纳米材料分为五层，由内向外依次是Nd³⁺单掺的第一个能量捕获核层、Yb³⁺单掺的发光中心壳层、Nd³⁺高掺的第二个能量捕获壳层、Y³⁺单掺的能量保护壳层和作为第三个能量捕获层的ICG染料；该纳米材料在808nm激发下，第一个能量捕获核层和第二个能量捕获壳层吸收能量夹心传递给发光中心层，第三个能量捕获壳层吸收能量，以第二个能量捕获壳层为桥梁传递给发光中心层，形成高效的三相能量传递通道，从而极大地增强纳米材料的NIR‑II发光，是生物成像、生物检测等的理想材料。

Description

一种近红外二区发光增强稀土纳米材料、其制备方法及其生 物成像应用

技术领域

本发明涉及纳米生物材料技术领域，具体涉及一种近红外二区发光增强稀土纳米材料的设计、制备方法及其生物成像应用。该方法制备近红外发光纳米颗粒，具有增强的近红外二区发光被用于生物成像。

背景技术

镧系元素(Ln³⁺)掺杂的纳米探针具有发射带窄、穿透度深、发射寿命长、光稳定性好，毒性低和自发荧光低。并且Ln³⁺具有丰富的能级，使得其吸收和发射能谱可以覆盖从紫外到近红外区域。因此，这类材料在固态激光器、光存储、太阳能电池和生物医学等方面都表现出优异的应用价值。在过去的几十年内，稀土掺杂的上转换发光纳米材料在紫外和可见光范围内的研究已经非常广泛，但是下转换近红外二区(NIR-II，900–1880nm)发射的稀土纳米材料的研究仍处于起步阶段。另外，基于稀土掺杂近红外二区发光的纳米材料由于更大的组织穿透深度、组织的散射系数和自发荧光较低、更高的分辨率和更准确的信息等优势而受到了越来越多的关注，并而被广泛应用于荧光成像等生物医学领域。

尽管稀土掺杂的NIR-II纳米材料具有许多优异的光学特性，但是它们还有一些缺点。例如，Ln³⁺的吸收截面小，光致发光的量子效率低等，这些缺点也导致镧系掺杂的NIR-II纳米材料的荧光强度低，限制了其在生物医学领域的应用。纳米材料的荧光强度对提高生物传感的灵敏度和时间分辨的精确度等生物医学应用至关重要。迄今为止，研究人员为开发高效的基于Ln³⁺的NIR-II发光纳米探针做出了很多的努力，主要有通过有效的表面钝化、优化掺杂离子的浓度、染料敏化等来提高Ln³⁺掺杂的纳米晶体的荧光强度。但是，通过单一方法增强Ln³⁺掺杂纳米材料的荧光强度仍然非常有限。因此，如何合理的设计Ln³⁺掺杂纳米材料的结构，以有效提高其在NIR-II区域的发光，具有十分重要的意义。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种近红外二区发光增强稀土纳米材料、其制备方法及其生物成像应用，利用纳米结构工程的概念构建高效的三相能量传递通道，最终达到NIR-II发光增强目的的方法。具体来说，是提供一种染料敏化的多层核壳结构稀土纳米材料的设计、制备方法及其生物成像应用。该方法制备的下转换纳米材料，在808nm的激发下，发射出980nm的近红外光，其在近红外二区的发光强度比之前报道的纳米颗粒更强，使其可以更好的应用于生物成像、分析检测等领域。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种近红外二区发光增强稀土纳米材料，具有染料敏化的稀土掺杂多层核壳结构，所述稀土掺杂多层核壳结构分为五层，由内向外依次是第一能量捕获核层、发光中心壳层、第二能量捕获壳层、能量保护壳层和第三能量捕获壳层；在808nm的近红外光激发下，第一能量捕获核层和第二能量捕获壳层同时吸收能量，并传递给中间的发光中心层，而第三能量捕获层吸收能量通过第二能量捕获壳层传递给发光中心壳层，形成三相能量传递通道，从而实现纳米材料NIR-II发光的目的；所述第一能量捕获核层为Nd³⁺单掺的下转换纳米材料；所述发光中心壳层为Yb³⁺单掺的下转换纳米材料；所述第二能量捕获壳层为Nd³⁺离子高掺的下转换纳米材料；所述能量保护壳层为Y³⁺单掺的下转换纳米材料；所述第三个能量捕获壳层为近红外染料层。

优选地，第二能量捕获壳层的Nd³⁺离子的掺杂摩尔分数不大于50％。

优选地，各层中下转换材料的基质成分为ALnF₄，其中A为Li或Na；Ln为La、Lu、Gd或Y；近红外染料层为ICG染料。

优选地，本发明多层核壳结构稀土纳米材料的激发光波长为745nm、793nm和808nm等。

一种本发明近红外二区发光增强稀土纳米材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备多层核壳结构稀土纳米颗粒；

(2)将染料与多层核壳结构稀土纳米材料结合，形成染料敏化的多层核壳结构稀土纳米颗粒。

优选地，在所述步骤(1)中，制备多层核壳结构稀土纳米颗粒包括如下步骤：

a.稀土盐的前驱体制备：

将钕盐、镱盐、钇盐中的至少一种稀土盐在油酸和十八烯混合溶剂中溶解，进行反应，得到稀土盐的前驱体；

b.稀土发光核纳米材料制备：

将所述步骤a中制备的稀土盐的前驱体分别与钠源、氟源混合，将反应混合物进行反应，然后将反应产物经过洗涤，溶解于环己烷中，得到稀土发光核纳米材料溶液；

c.稀土发光多层核壳纳米结构材料制备：

采用分步制备异质核-多壳结构的稀土发光纳米材料，包括如下步骤：

c-1.将钠源、氟源与所述步骤a中制备的稀土盐的前驱体混合，将反应混合物在低温下进行反应，然后冷却至室温，得到壳前驱体混合物；

c-2.将在所述步骤b中制备的核纳米材料溶液与油酸和十八烯混合，得到核反应混合物；在高温条件下，将壳前驱体混合物以设定速度注射到核反应混合物中，进行反应，得到反应产物；

c-3.将反应产物洗涤至少两次，重新分散于环己烷中，得到多层核壳结构稀土纳米材料溶液。

优选地，在所述步骤a中，按照0.8mmol的Nd盐与至少10mL油酸和至少10mL十八烯进行混合，通过反应，制备核纳米粒子Nd盐前驱体溶液。

优选地，在所述步骤a中，按照0.4mmol的Yb盐与至少4mL油酸和至少6mL十八烯进行混合，制备发光中心壳层材料前驱体溶液。

优选地，在所述步骤c中，按照Y³⁺:Nd³⁺的比例为70:30的比例，将Y盐和Nd盐进行混合，将Y盐和Nd盐共0.4mmol，与至少4mL油酸和至少6mL十八烯进行混合，形成均匀的稀土络合物。

优选地，在所述步骤a中，所述的稀土盐的前驱体合成条件为：在140-170℃下，进行反应1-3h，得到稀土盐的前驱体。

优选地，在所述步骤b中，稀土发光核纳米材料合成条件为：在100-330℃下，进行反应0.5-3h，得到稀土发光核纳米材料。

优选地，在所述步骤c中，多层核壳结构稀土纳米材料合成条件为：在100-330℃下进行反应0.5-3h，对核材料颗粒进行包裹壳层，得到多层核壳结构稀土纳米材料。进一步优选地，在所述步骤c-1中，低温反应条件为140-160℃，搅拌反应时间为30-60min；在所述步骤c-2中，进一步优选地，高温反应条件为310-330℃。

优选地，在所述步骤c-2中，将发光中心壳层材料前驱体溶液以不低于1mol/h的速率注射到核反应混合物中，将得到核-壳纳米颗粒分散在至少4mL环己烷中。

优选地，在所述步骤a中，所述钕盐采用NdCl₃、Nd(NO₃)₃、Nd(CH₃CO₂)₃、Nd(TFA)₃、Nd(ACAC)₃中的至少一种。

优选地，在所述步骤a中，所述镱盐采用YbCl₃、Yb(NO₃)₃、Yb(CH₃CO₂)₃、Yb(TFA)₃、Yb(ACAC)₃中的至少一种。

优选地，在所述步骤a中，所述钇盐采用YCl₃、Y(NO₃)₃、Y(CH₃CO₂)₃、Y(TFA)₃、Y(ACAC)₃中的至少一种。

优选地，在所述步骤b中，所述钠源采用C₁₈H₃₃NaO₂、NaOH、NaF、NaTFA中的至少一种。

优选地，在所述步骤b中，所述氟源采用NH₄F，NaF中任意一种。

优选地，在所述步骤c中，所述钠源采用NaOH、NaF、NaTFA中的至少一种。

优选地，在所述步骤c中，所述氟源采用NH₄F，NaF中任意一种；

优选地，在所述步骤c-1中，将发光中心壳层包裹在第一能量捕获核层稀土发光纳米颗粒表面，得到核-壳结构下转换稀土纳米颗粒，所述发光中心壳层厚度为2-5nm；

在所述步骤c-2中，将在所述步骤c-1中制备的核-壳结构下转换稀土纳米颗粒使用第二能量捕获层包覆，得到核-壳-壳结构下转换稀土纳米颗粒，所述第二能量捕获层厚度为2-5nm；

在所述步骤c-3中，将在所述步骤c-2中制备的核-壳-壳结构下转换稀土纳米颗粒使用能量保护层包覆，得到核-壳-壳-壳结构下转换稀土纳米颗粒，所述能量保护层厚度为2-5nm。

优选地，在所述步骤(2)中，将染料与多层核壳结构稀土纳米材料结合的方法，包括以下步骤：将小分子短链配体分散在有机溶剂中，与环己烷溶液中的多层核壳结构稀土纳米材料混合，振荡后离心，重新分散于有机溶剂中，最后与分散在相同有机溶剂中的ICG混合并搅拌，然后离心收集，得到染料敏化的多层核壳结构稀土纳米材料。

优选地，所述小分子短链配体采用四氟硼酸亚硝离子(NOBF₄)、聚丙烯酸(PAA)、聚醚酰亚胺(PEI)中的至少一种；进一步优选采用四氟硼酸亚硝离子(NOBF₄)；

优选地，所述有机溶剂采用含胺有机溶剂；进一步优选采用N,N-二甲基甲酰胺(DMF)；

优选地，所述振荡在常温或加热条件下进行，所述振荡的时间为5-30分钟；进一步优选振荡的时间为10-30分钟；

优选地，所述搅拌在常温或加热条件下进行，所述搅拌的时间为1-5小时。进一步优选搅拌的时间为3-5小时。

一种本发明近红外二区发光增强稀土纳米材料的应用，用于近红外发光的生物检测及生物成像，或者用于制备水溶性染料敏化的多层核壳稀土纳米荧光探针；当用于制备水溶性染料敏化的多层核壳结构稀土纳米荧光探针时，将稀土发光多层核壳结构纳米材料分散于溶剂中，再将稀土发光多层核壳结构纳米材料与染料和改性剂溶液混合，超声，离心分离，得到水溶性染料敏化的多层核壳结构稀土纳米荧光探针。

优选地，当用于制备水溶性染料敏化的多层核壳稀土纳米荧光探针时，所述溶剂采用含氯有机溶剂；进一步优选采用三氯甲烷；

优选地，所述改性剂采用二硬脂酰基磷脂酰乙醇胺-聚乙二醇(DSPE-PEG)、二硬脂酰基磷脂酰乙醇胺-聚乙二醇2000-羧基(DSPE-PEG2000-COOH)、二硬脂酰基磷脂酰乙醇胺-聚乙二醇2000-氨基(DSPE-PEG2000-NH₂)中的至少一种；进一步优选采用二硬脂酰基磷脂酰乙醇胺-聚乙二醇2000-氨基(DSPE-PEG2000-NH₂)；

优选地，所述超声在常温或加热条件下进行，所述超声的时间为5-30分钟。进一步优选超声的时间为10-30分钟。

本发明的染料敏化的多层核壳结构稀土纳米材料，通过将发光中心层置于第一个壳层，两个能量捕获层分别置于核层和第二个壳层，以实现高效的能量夹心传递。光学惰性层作为第三个壳层，可以有效抑制表面淬灭分子对能量的捕获，进一步增强材料的NIR-II发光。在材料的表面嫁接近红外染料，第二个能量捕获层作为近红外染料与发光中心层能量传递的桥梁，保证能量进行高效的传递，最终实现高效增强该纳米结构的NIR-II发光的目的。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明通过染料敏化的多层核壳结构稀土纳米材料精细的设计，构建了三相能量传递通道，达到了NIR-II发光增强的目的；

2.本发明制备的稀土掺杂纳米颗粒粒径均匀且分散性良好，严格控制合成过程的温度与时间，合成了粒径小于20nm的核-壳-壳-壳纳米颗粒；

3.本发明制备的近红外二区稀土发光纳米材料，该纳米材料以NaNdF₄为核层，并在其外依次包覆NaYbF₄壳层、NaYF₄:Nd壳层和NaYF₄钝化层。该结构设计将激发能量从核层和第二壳层传递到第一个壳层，双相能量捕获层可以有效的吸收808nm的激发能量，最终获得较强的近红外下转换发光。在材料的表面嫁接近红外染料，构建第三个能量传递通道，染料的宽吸收增强的稀土纳米材料对808nm激发光的吸收，三相能量传递通道的高效能量传递，从而大幅度提高稀土纳米材料的NIR-II发光，在808nm的激发下，发射出强烈的980nm的光。该制备工艺简单，设备成本低，容易操作，制备周期短，适合大批量生产，可以应用在光催化剂、光信息储存、生物医学等前沿领域。

附图说明

图1为本发明实施例1中NaNdF₄@NaYbF₄@NaYF₄:Nd@NaYF₄纳米粒子的透射电镜照片。

图2为本发明实施例1中NaNdF₄@NaYbF₄@NaYF₄:Nd@NaYF₄纳米颗粒的高倍透射电子显微镜图。

图3为本发明实施例1中NaNdF₄@NaYbF₄@NaYF₄:Nd@NaYF₄纳米材料的X-射线衍射(XRD)图。

图4为本发明实施例1制备的中间材料和最终材料的颗粒尺寸分布统计图。

图5为本发明所合成的NaNdF₄@NaYbF₄@NaYF₄:Nd@NaYF₄纳米材料的吸收光谱与ICG的发射光谱。

图6为本发明实施例2中染料敏化的多层核壳结构稀土纳米材料的傅立叶变换红外吸收光谱(FTIR)图。

图7为本发明实施例2中在DMF相中，多层核壳结构稀土纳米材料加入不同量染料后，在808nm激发下的荧光光谱图。

图8为在ICG最优的条件下，染料敏化的多层核壳结构稀土纳米颗粒比不接染料的纳米颗粒的荧光提高倍数。

图9为本发明实施例3中在水相中，多层核壳结构稀土纳米材料加入不同量染料后，在808nm激发下的荧光光谱图。

图10为在ICG最优的条件下，染料敏化的多层核壳结构稀土纳米材料比不加染料的纳米材料的荧光提高倍数。

图11为本发明实施例4中染料敏化的多层核壳结构稀土纳米材料在体外的近红外荧光成像图。

图12为本发明实施例4中染料敏化的多层核壳结构稀土纳米材料在小鼠体内的近红外荧光成像图。

图13为本发明优选实施例近红外二区发光增强稀土纳米材料及其应用的原理示意图。

具体实施方式

以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：

实施例1

在本实施例中，一种近红外二区发光增强稀土纳米材料，具有染料敏化的多层核壳结构稀土纳米材料，所述多层核壳结构稀土纳米材料分为五层，由内向外依次是第一能量捕获核层、发光中心壳层、第二能量捕获壳层、能量保护壳层和第三能量捕获壳层；在808nm的近红外光的激发下，第一能量捕获核层和第二能量捕获壳层同时吸收能量，并传递给中间的发光中心层，而第三能量捕获层吸收能量通过第二能量捕获壳层传递给发光中心壳层，形成三相能量传递通道，从而实现近红外二区发光增强的目的；所述第一能量捕获核层为Nd³⁺单掺的下转换纳米材料；所述发光中心壳层为Yb³⁺单掺的下转换纳米材料；所述第二能量捕获壳层为Nd³⁺离子高掺的下转换纳米材料；所述能量保护壳层为Y³⁺单掺的下转换纳米材料；所述第三个能量捕获壳层为近红外染料层。参见图13。

本实施例近红外二区发光增强稀土纳米材料的制备方法，具体的为合成NaNdF₄@NaYbF₄@NaYF₄:Nd@NaYF₄，其步骤为：

步骤A：合成NaNdF₄裸核：

首先，将0.8mmol的Nd(CH₃CO₂)₃·xH₂O的水溶液，10mL油酸和10mL 1-十八烯液体加入到50mL的三口烧瓶瓶中,加热到140-160℃，搅拌30-60min形成均匀的稀土络合物；

然后，当温度降至室温，加入6.4mmol的油酸钠固体粉末，抽真空条件下，升温至100℃并搅拌1h；接下来，将上述混合溶液充氮气并加入6.4mmol的NH₃F固体粉末，升温至160℃在氮气保护下反应1.5h；最后，将上述混合溶液抽真空10min,再在氮气保护下将温度升至320℃反应30min，随后冷却至室温，用无水乙醇和环己烷洗涤，将得到的核纳米颗粒分散在4mL环己烷中，即得到直径为5nm，核纳米粒子NaNdF₄；如图4(a)所示；

步骤B：合成NaNdF₄@NaYbF₄核-壳纳米颗粒

(1)首先，将0.4mmol的Yb(CH₃CO₂)₃·xH₂O的水溶液，4mL油酸和6mL 1-十八烯液体加入到50mL的三口烧瓶瓶中，加热到140-160℃，搅拌30-60min形成均匀的稀土络合物；然后，当温度降至50℃时，向上述混合溶液中快速加入5mL含有1mmolNaOH与1.36mmolNH₄F的甲醇溶液，并搅拌30min；最后，将上述混合溶液升温至80℃反应30min，随后冷却至室温，即得到壳的前驱体溶液。

(2)首先，将4mL油酸和6mL 1-十八烯液体加入到50mL的三口烧瓶瓶中，加热到80℃，将步骤A中得到分散在4mL环己烷的核纳米粒子加入，并搅拌30min除去体系中环己烷；然后，将上述混合溶液升温至100℃抽真空5min再充氮气1min往复三次除去反应体系中的甲醇和氧气后，氮气保护下升温至310℃；最后，将步骤(1)中得到的壳的前驱体溶液以1mol/h的速率注射到上述反应混合物中，随后冷却至室温，用无水乙醇和环己烷洗涤，将得到核-壳纳米颗粒分散在4mL环己烷中，即得到直径为10nm左右，核-壳纳米颗粒NaNdF₄@NaYbF₄；如图4(b)所示。

步骤C：合成NaNdF₄@NaYbF₄@NaYF₄:Nd核-壳-壳纳米颗粒

(1)首先，按掺杂摩尔浓度比为Y³⁺:Nd³⁺＝70:30取定配比的Y(CH₃CO₂)₃·xH₂O、Nd(CH₃CO₂)₃·xH₂O水溶液共0.4mmol加入到50mL的三口烧瓶瓶中,加入4mL油酸与6mL 1-十八烯液体，加热到140-160℃，搅拌30-60min形成均匀的稀土络合物；然后，当温度降至50℃时，向上述混合溶液中快速加入5mL含有1mmol NaOH与1.36mmol NH₄F的甲醇溶液,并搅拌30min；最后，将上述混合溶液升温至80℃反应30min，随后冷却至室温，即得到壳的前驱体溶液。

(2)首先，将4mL油酸和6mL 1-十八烯液体加入到50mL的三口烧瓶瓶中，加热到80℃，将步骤B中得到分散在4mL环己烷的核纳米粒子加入，并搅拌30min除去体系中环己烷；然后，将上述混合溶液升温至100℃抽真空5min再充氮气1min往复三次除去反应体系中的甲醇和氧气后，氮气保护下升温至310℃；最后，将步骤(1)中得到的壳的前驱体溶液以1mol/h的速率注射到上述反应混合物中，随后冷却至室温，用无水乙醇和环己烷洗涤，将得到核-壳纳米颗粒分散在4mL环己烷中，即得到直径为15nm左右，核-壳纳米颗粒NaNdF₄@NaYbF₄@NaYF₄:Nd核-壳-壳纳米颗粒；如图4(c)所示。

步骤D：合成NaNdF₄@NaYbF₄@NaYF₄:Nd@NaYF₄核-壳-壳-壳纳米颗粒

(1)首先，将0.4mmol的Y(CH₃CO₂)₃·xH₂O的水溶液，4mL油酸和6mL 1-十八烯液体加入到50mL的三口烧瓶瓶中，加热到140-160℃，搅拌30-60min形成均匀的稀土络合物；然后，当温度降至50℃时，向上述混合溶液中快速加入5mL含有1mmolNaOH与1.36mmolNH₄F的甲醇溶液,并搅拌30min；最后，将上述混合溶液升温至80℃反应30min，随后冷却至室温，即得到壳的前驱体溶液。

(2)首先，将4mL油酸和6mL 1-十八烯液体加入到50mL的三口烧瓶瓶中，加热到80℃，将步骤B中得到分散在4mL环己烷的核纳米粒子加入，并搅拌30min除去体系中环己烷；然后，将上述混合溶液升温至100℃抽真空5min再充氮气1min往复三次除去反应体系中的甲醇和氧气后，氮气保护下升温至310℃；最后，将步骤(1)中得到的壳的前驱体溶液以1mol/h的速率注射到上述反应混合物中，随后冷却至室温，用无水乙醇和环己烷洗涤，将得到核-壳纳米颗粒分散在4mL环己烷中，即得到直径为15nm左右，核-壳纳米颗粒NaNdF₄@NaYbF₄@NaYF₄:Nd@NaYF₄核-壳-壳-壳纳米颗粒；如图1所示。

图1说明按照本实施例合成的超小近红外稀土发光纳米颗粒分散性和均一性都很好。图2说明，按照本实施例合成的超小核-多壳结构的近红外发光纳米材料是单晶结构。图3说明按照本实施例合成的超小近红外稀土发光纳米材料是六方相。图4可看出，按照本实施例合成的近红外稀土发光纳米材料的每一层都具有良好的分散性和均一性。

实施例2

本实施例与实施例1基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，一种染料敏化的多层核壳结构稀土纳米材料在DMF相中的制备方法，具体的为合成NaNdF₄@NaYbF₄@NaYF₄:Nd@NaYF₄@ICG，其步骤为：

将表面的油酸根置换为NOBF₄：将5mL的NOBF4(0.01M)的DMF溶液加入到5mLNaNdF₄@NaYbF₄@NaYF₄:Nd@NaYF₄(10mg/mL)的环己烷溶液中，轻轻振荡10min，使得纳米材料从上层的环己烷溶液中转移到下层的DMF溶液中。将上层的环己烷溶液去除，加入大量体积比为1:1的甲苯和环己烷溶液，离心收集，重新分散于DMF溶液中，取出一定量的溶液，烘干称重定质量浓度为5mg/mL。

连接近红外染料ICG：从浓度为5mg/mL的NaNdF₄@NaYbF₄@NaYF₄:Nd@NaYF₄的DMF溶液中取出2mL，分别加入不同体积的ICG的DMF溶液，ICG在ICG的DMF溶液中的浓度为0.1mg/mL，ICG的DMF溶液的体积分别采用0μL，10μL，20μL,50μL,60μL,80μL,100μL，避光搅拌3h。加入大量体积比为1:1的甲苯和环己烷溶液，离心收集，重新分散于DMF溶液中，进行荧光光谱和紫外吸收光谱扫描。

如图5所示，本发明所合成的近红外稀土纳米颗粒的吸收光谱与ICG的发射光谱存在重叠，说明ICG与纳米颗粒之间可以通过能量共振转移构建第三个能量传递的通道。图6的FTIR图中出现BF₄ ^-和ICG的特征峰，说明ICG成功连接到近红外二区稀土纳米颗粒的表面。图7所示，在相同功率和相同材料浓度条件下，随着ICG浓度的增加，本发明所合成的染料敏化近红外二区稀土纳米颗粒的荧光强度先增加后减少，在ICG浓度为2.5μg/mL的时候达到最优。图8所示，在ICG最优的条件下，染料敏化近红外二区稀土纳米颗粒比不加染料的纳米颗粒的荧光强度提高了大约11倍。

实施例3

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，一种染料敏化的多层核壳结构稀土纳米材料在水相中的制备方法,其步骤为：

将预先合成的OA-NaNdF₄@NaYbF₄@NaYF₄:Nd@NaYF₄(200uL,5mg/mL)纳米晶体在60℃下通过旋转蒸发器蒸发环己烷。同时，将2mg DSPE-PEG-2000-NH₃和适量ICG溶解在2mL氯仿中。将混合物加入到上述干燥的纳米晶体中并超声处理10分钟。随后，所得混合物通过旋转蒸发仪在60℃下干燥。最后，加入1mL水溶液重新分散，11000rpm离心15分钟，并重新分散在去离子水中。

图9所示，在相同功率和相同材料浓度条件下，随着ICG浓度的增加，本发明所合成的染料敏化近红外二区稀土纳米颗粒的荧光强度先增加后减少，在ICG浓度为7μg/mL的时候达到最优。图10所示，在ICG最优的条件下，染料敏化近红外二区稀土纳米颗粒比不加染料的纳米颗粒的荧光强度提高了大约10倍。

实施例4

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，NaNdF₄@NaYbF₄@NaYF₄:Nd@NaYF₄@ICG纳米材料应用于成像实验，其包括以下步骤：

将NaNdF₄@NaYbF₄@NaYF₄:Nd@NaYF₄@ICG水溶液直接放在成像仪器中，通过808nm激发拍摄其成像情况。如图11所示为利用NaNdF₄@NaYbF₄@NaYF₄:Nd@NaYF₄@ICG荧光探针进行体外近红外荧光成像示意图。

将NaNdF₄@NaYbF₄@NaYF₄:Nd@NaYF₄@ICG水溶液离心，重新分散在生理盐水中，得到纳米探针浓度为6.25mg/m L。将0.2m L该纳米探针通过尾静脉注射到小鼠体内。血液循环4小时后，在合适的滤光片下，通过808nm激发拍摄其成像情况。如图12所示为利用NaNdF₄@NaYbF₄@NaYF₄:Nd@NaYF₄@ICG荧光探针进行小老鼠体内近红外荧光成像示意图。

参见图13，上述实施例近红外二区发光增强稀土纳米材料的设计、制备与应用。具体涉及一种染料敏化的多层核壳结构稀土纳米材料的合成与生物成像应用，该多层核壳结构稀土纳米材料分为五层，由内向外依次是Nd³⁺单掺的第一个能量捕获核层、Yb³⁺单掺的发光中心壳层、Nd³⁺高掺的第二个能量捕获壳层、Y³⁺单掺的能量保护壳层和作为第三个能量捕获层的ICG染料；该纳米材料在808nm激发下，第一个能量捕获核层和第二个能量捕获壳层吸收能力夹心传递给发光中心层，第三个能量捕获壳层吸收能力，以第二个能量捕获壳层为桥梁传递给发光中心层，形成高效的三相能量传递通道，从而极大地增强材料的NIR-II发光，是生物成像、生物检测等的理想材料。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种近红外二区发光增强稀土纳米材料，其特征在于：具有染料敏化的多层核壳结构稀土纳米材料，所述多层核壳结构稀土纳米材料分为五层，由内向外依次是第一能量捕获核层、发光中心壳层、第二能量捕获壳层、能量保护壳层和第三能量捕获壳层；在808nm的近红外光激发下，第一能量捕获核层和第二能量捕获壳层同时吸收能量，并传递给中间的发光中心层，而第三能量捕获层吸收能量通过第二能量捕获壳层传递给发光中心壳层，形成三相能量传递通道，从而实现NIR-II发光增强的目的；所述第一能量捕获核层为Nd³⁺单掺的下转换纳米材料；所述发光中心壳层为Yb³⁺单掺的下转换纳米材料；所述第二能量捕获壳层为Nd³⁺离子高掺的下转换纳米材料；所述能量保护壳层为Y³⁺单掺的下转换纳米材料；所述第三个能量捕获壳层为近红外染料层。

2.根据权利要求1所述近红外二区发光增强稀土纳米材料，其特征在于：第二能量捕获壳层的Nd³⁺离子的掺杂摩尔分数不大于50％；

或者，各层中下转换材料的基质成分为ALnF₄，其中A为Li或Na；Ln为La、Lu、Gd或Y；近红外染料层为ICG染料。

或者，本发明多层核壳结构稀土纳米材料的激发光波长为745nm、793nm、808nm和980nm。

3.一种权利要求1所述近红外二区发光增强稀土纳米材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)制备多层核壳结构稀土纳米材料；

(2)将染料与多层核壳结构稀土纳米材料结合，形成染料敏化的多层核壳结构稀土纳米材料。

4.根据权利要求3所述近红外二区发光增强稀土纳米材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤(1)中，制备多层核壳结构稀土纳米颗粒材料包括如下步骤：

a.稀土盐的前驱体制备：

将钕盐、镱盐、钇盐中的至少一种稀土盐在油酸和十八烯混合溶剂中溶解，进行反应，得到稀土盐的前驱体；

b.稀土发光核纳米材料制备：

将所述步骤a中制备的稀土盐的前驱体分别与钠源、氟源混合，将反应混合物进行反应，然后将反应产物经过洗涤，溶解于环己烷中，得到稀土发光核纳米材料溶液；

c.稀土发光多层核壳纳米结构材料制备：

采用分步制备异质核-多壳结构的稀土发光纳米材料，包括如下步骤：

c-1.将钠源、氟源与所述步骤a中制备的稀土盐的前驱体混合，将反应混合物在低温下进行反应，然后冷却至室温，得到壳前驱体混合物；

c-2.将在所述步骤b中制备的核纳米材料溶液与油酸和十八烯混合，得到核反应混合物；在高温条件下，将壳前驱体混合物以设定速度注射到核反应混合物中，进行反应，得到反应产物；

c-3.将反应产物洗涤至少两次，重新分散于环己烷中，得到多层核壳结构稀土纳米颗粒材料溶液。

5.根据权利要求4所述近红外二区发光增强稀土纳米材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤a中，所述的稀土盐的前驱体合成条件为：在140-170℃下，进行反应1-3h，得到稀土盐的前驱体；

或者，在所述步骤b中，稀土发光核纳米材料合成条件为：在100-330℃下，进行反应0.5-3h，得到稀土发光核纳米材料；

或者，在所述步骤c中，多层核壳结构稀土纳米材料合成条件为：在100-330℃下进行反应0.5-3h，对核材料颗粒进行包裹壳层，得到多层核壳结构稀土纳米材料。

6.根据权利要求4所述近红外二区发光增强稀土纳米材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤a中，所述钕盐采用NdCl₃、Nd(NO₃)₃、Nd(CH₃CO₂)₃、Nd(TFA)₃、Nd(ACAC)₃中的至少一种；

或者，在所述步骤a中，所述镱盐采用YbCl₃、Yb(NO₃)₃、Yb(CH₃CO₂)₃、Yb(TFA)₃、Yb(ACAC)₃中的至少一种；

或者，在所述步骤a中，所述钇盐采用YCl₃、Y(NO₃)₃、Y(CH₃CO₂)₃、Y(TFA)₃、Y(ACAC)₃中的至少一种；

或者，在所述步骤b中，所述钠源采用C₁₈H₃₃NaO₂、NaOH、NaF、NaTFA中的至少一种；

或者，在所述步骤b中，所述氟源采用NH₄F，NaF中任意一种；

或者，在所述步骤c中，所述钠源采用NaOH、NaF、NaTFA中的至少一种；

或者，在所述步骤c中，所述氟源采用NH₄F，NaF中任意一种；

或者，在所述步骤c-1中，将发光中心壳层包裹在第一能量捕获核层稀土发光纳米颗粒表面，得到核-壳结构下转换稀土纳米颗粒，所述发光中心壳层厚度为2-5nm；

在所述步骤c-2中，将在所述步骤c-1中制备的核-壳结构稀土纳米颗粒使用第二能量捕获层包覆，得到核-壳-壳结构下转换稀土纳米颗粒，所述第二能量捕获层厚度为2-5nm；

在所述步骤c-3中，将在所述步骤c-2中制备的核-壳-壳结构下转换稀土纳米颗粒使用能量保护层包覆，得到核-壳-壳-壳结构下转换纳米颗粒，所述能量保护层厚度为2-5nm。

7.根据权利要求3所述近红外二区发光增强稀土纳米材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤(2)中，将染料与多层核壳结构稀土纳米材料结合的方法，包括以下步骤：将小分子短链配体分散在有机溶剂中，与环己烷溶液中的稀土发光多层核壳纳米材料混合，振荡后离心，重新分散于有机溶剂中，最后与分散在相同有机溶剂中的ICG混合并搅拌，然后离心收集，得到染料敏化的多层核壳结构稀土纳米材料。

8.根据权利要求7所述近红外二区发光增强稀土纳米材料的制备方法，其特征在于：所述小分子短链配体采用四氟硼酸亚硝离子(NOBF₄)、聚丙烯酸(PAA)、聚醚酰亚胺(PEI)中的至少一种；

或者，所述有机溶剂采用含胺有机溶剂；

或者，所述振荡在常温或加热条件下进行，所述振荡的时间为5-30分钟；

或者，所述搅拌在常温或加热条件下进行，所述搅拌的时间为1-5小时。

9.一种权利要求1所述近红外二区发光增强稀土纳米材料的应用，其特征在于，用于近红外发光的生物检测及生物成像，或者用于制备水溶性染料敏化的多层核壳稀土纳米荧光探针；当用于制备水溶性染料敏化的多层核壳稀土纳米荧光探针时，将纳米材料与染料和改性剂溶液混合，超声，离心分离，得到水溶性染料敏化的多层核壳稀土纳米荧光探针。

10.根据权利要求9所述近红外二区发光增强稀土纳米材料的应用，其特征在于：当用于制备水溶性染料敏化的多层核壳稀土纳米荧光探针时，所述溶剂采用含氯有机溶剂；

或者，所述改性剂采用二硬脂酰基磷脂酰乙醇胺-聚乙二醇(DSPE-PEG)、二硬脂酰基磷脂酰乙醇胺-聚乙二醇2000-羧基(DSPE-PEG2000-COOH)、二硬脂酰基磷脂酰乙醇胺-聚乙二醇2000-氨基(DSPE-PEG2000-NH₂)中的至少一种；

或者，所述超声在常温或加热条件下进行，所述超声的时间为5-30分钟。

11.权利要求10所述近红外二区发光增强稀土纳米材料的应用，其特征在于，利用近红外二区发光增强稀土纳米材料作为水溶性纳米荧光探针，用于近红外发光的生物检测及生物成像。

Images