CN114836216A - 一种能提高单线态氧生成的稀土纳米复合材料、其制备方法及其应用 - Google Patents
一种能提高单线态氧生成的稀土纳米复合材料、其制备方法及其应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种能提高单线态氧生成的稀土纳米复合材料、其制备方法及其应用，其是将油溶性的上转换发光纳米颗粒通过包覆二氧化硅的方式转为水溶性，接着继续包覆氧化锌层，形成UCNP@SiO2@ZnO的多层结构。上转换纳米材料能够吸收近红外光能量，发生荧光共振能量转移即发射紫外以及可见光。通过SiO2层的能量传递，ZnO层吸收紫外光，并且能够产生单线态氧。其中，与传统设计的同质上转换纳米晶相比，本发明设计的异质上转换纳米晶能够显著提高单线态氧的生成。本发明稀土纳米复合材料尺寸均一，稳定性好，生物相容性好，单线态氧生成能力提高可以满足光动力治疗的需求。
Description
技术领域
本发明涉及纳米生物材料技术领域，具体为一种提高单线态氧生成的稀土纳米复合体系的制备方法。通过此方法制备的异质上转换纳米材料，具有核-壳-壳-壳-壳五层结构。另外通过连续包覆二氧化硅和氧化锌的方式制备一种提高单线态氧生成的稀土纳米复合体系，上转换纳米材料的异质结构可增强在紫外区的上转换发射，并且氧化锌层吸收上转换发射出的紫外光同时释放出单线态氧。
背景技术
癌症已经成为危害人类健康的疾病之一。目前主要的治疗方法是手术治疗、化学药物治疗和放射治疗等等。传统手术治疗在操作中会存在局限性，而化学药物治疗则会引起较为严重的毒副作用。
光动力治疗(PDT)作为放射治疗中的一种，是近年来新兴的一种治疗手段。具有可控性好、副作用小等优点。其原理是光敏剂在光源的激发下，活化周围的氧分子产生单线态氧，以此损伤细胞的重要结构和功能，最终达到杀害肿瘤细胞的效果。
PDT作为一种无创性的肿瘤治疗手段在癌症治疗领域引起广泛关注。在特定的波长激发下，选择合适的光敏剂可以产生具有细胞毒性的单线态氧。但由于一些有机光敏剂生物毒性高且存在着生物相容性差、穿透深度低、稳定性差等问题。
寻找新的光敏剂迫在眉睫，其中半导体型光敏剂有着巨大的发展潜力。半导体材料(TiO2，ZnO)由于它具有低毒性、稳定性强、生物相容性良好。另外，全球面临的资源危机和环境污染问题日益严峻，光催化技术的快速发展让人们看见曙光。半导体材料的因其本身的禁带宽度大，高激子结合能在光催化降解中的应用颇为广泛。
近些年来，上转换纳米材料作为一种新型的荧光材料获得研究者们广泛的研究。它遵循反斯托思克斯定律吸收低能量光子而发射出高能量的光子，吸收近红外光区的光而发射紫外-可见光。上转换纳米粒子本身具有稳定性强、穿透深度深、背景荧光低等优点。在上转换纳米材料与半导体材料的核壳结构中，能量通过能量转移共振(FRET)，半导体材料主要吸收上转换材料紫外或者可见光的发射，通过电子-空穴对发生氧化还原反应，从而产生活性氧，使得该纳米复合材料适用于以活性物质介导的应用中。所以半导体材料与上转换纳米材料相结合，将整个体系更满足光动力治疗的实际需求，具有十分重要的意义。与此同时，将该体系运用于光催化降解染料中，为光催化降解提供一种新的参考思路。
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，提供一种能提高单线态氧生成的稀土纳米复合材料、其制备方法及其应用，本发明稀土纳米复合材料采用层层包覆的结构设计，利用光敏剂ZnO在有氧环境下吸收异质上转换纳米晶发射紫外-可见光而产生单线态氧。与传统的同质上转换纳米材料相比，本发明设计可控合成的五层异质上转换纳米晶结构。异质上转换纳米晶它能够在742～983nm激发下在紫外-可见波段内产生强烈的上转换发射。这能极大提高氧化锌吸收紫外光效率，从而提升活性氧(reactive oxygen species,ROS)产生的总量，以满足由ROS介导的肿瘤治疗的活性氧的需求。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种能提高单线态氧生成的稀土纳米复合材料，材料本身具有核-多壳的异质结构，以NaGdF4作为核层，并且在核外部依次包覆能量发光层、能量传递层、能量捕获层、能量保护层和外层，形成稀土纳米复合材料体系；
所述能量发光层作为包覆在核纳米粒子上的第一层壳，由NaGdF4和发光离子组成核材料，能量发光层的材料至少包括NaGdF4:Yb/Tm，其中Yb离子的掺杂摩尔分数不大于60％，Tm的掺杂摩尔分数不大于15％；
所述能量传递层作为包覆在能量发光层上的第二壳层，能量传递层除了包括Yb，还包括包括NaLuF4、NaYF4、CaF2和YF3中的至少一种，在能量传递层中，Yb离子掺杂的摩尔分数为10～80％；
所述能量捕获层作为包覆在能量传递层上的第三壳层，能量捕获层的材料中的Yb离子的掺杂摩尔浓度为1～90％，Nd离子的掺杂摩尔浓度为1～90％；
所述能量保护层作为包覆在能量捕获层上的第四壳层，能量保护层的材料为NaGdF4、NaLuF4、NaYF4、CaF2和YF3中的至少一种；
所述外层作为包覆在能量保护层上的第五壳层：先在材料颗粒外层包覆二氧化硅层，再包覆氧化锌层，形成连续包覆的二氧化硅和氧化锌复合层；
所述纳米复合材料体系可在近红外光的激发下，通过荧光能量共振转移(FRET)，将能量传递给外层的氧化锌层，并产生单线态氧，从而提升活性氧产生的总量。
本发明为一种提高单线态氧生成的稀土纳米复合体系，其颗粒具有核-多壳的异质结构，该稀土纳米复合体系，以NaGdF4作为多层核壳结构的核，能量发光层为包覆在核纳米粒子上的第一层壳，形成核-壳结构的上转换发光材料；能量传递曾为包覆在能量传递层上的第二层壳，形成核-壳-壳结构的上转换发光材料；能量捕获层为包覆在能量传递层上的第三层壳，形成核-壳-壳-壳结构的上转换发光材料四层结构；能量保护层为包覆在能量捕获层上的第四层壳，形成核-壳-壳-壳-壳结构的上转换发光材料四层结构；发光离子与敏化离子均匀分布在核层与各壳层中；在五层异质上转换纳米晶基础上连续包覆二氧化硅和氧化锌，得到一种提高单线态氧生成的稀土纳米复合体系。
优选地，发光离子采用稀土掺杂离子组合，采用Yb/Tm、Yb/Tm/Tb、Yb/Tm/Eu、Yb/Tm/Dy、Yb/Tm/Sm、Yb/Tm/Mn中的至少一种。
优选地，所述稀土纳米复合材料的激发光波长为742～983nm。优选地，其颗粒的平均粒径为35～45nm。
一种本发明能提高单线态氧生成的稀土纳米复合材料的制备方法，包括如下步骤：
a.稀土盐的前驱体制备：
将钆盐、镱盐、铥盐、钇盐、钕盐中的至少一种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.稀土发光多层核壳结构材料制备：
将核材料与在所述步骤a中制备的稀土盐的前驱体进行混合，得到反应混合物，在钠源和氟源的存在下，将反应混合物进行反应，对核层上转换纳米材料颗粒进行壳层包裹，得到反应产物油溶性异质稀土上转换发光纳米晶，然后将反应产物油溶性异质稀土上转换发光纳米晶经过洗涤，溶解于环己烷中，得到稀土发光多层核壳结构材料溶液；
c.SiO2包覆稀土发光多层异质核壳结构材料制备：
制备油溶性异质稀土上转换发光纳米晶在环己烷中的分散液，将其与聚氧代乙烯(5)壬基苯基醚，支化(CO-520)、环己烷、氨水在室温下混合搅拌均匀后，逐滴加入正硅酸乙酯(TEOs)与环己烷的混合溶液，该反应在室温下持续反应12～24h；待反应完成后，将产物溶液经过离心、洗涤和分散后，即得水溶性上转换异质纳米晶(UCNP@SiO2)的分散液；
d.UCNP@SiO2@ZnO稀土纳米异质核壳结构材料制备：
制备所述水溶性上转换异质纳米晶(UCNP@SiO2)的分散液与无水乙醇、醋酸锌的混合液，然后逐滴加入氢氧化钠溶液后继续反应，待反应完成后，再将产物溶液经过离心，洗涤后置于马弗炉中，在不高于150℃中干燥成粉末，得到ZnO包覆的纳米复合材料(UCNP@SiO2@ZnO)。
优选地，在所述步骤a中，所述钆盐为GdCl3、Gd(NO3)3、Gd(CH3CO2)3、Gd(TFA)3、Gd(ACAC)3中的至少一种；
优选地，在所述步骤a中，所述的镱盐为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，所述铥盐为TmCl3、Tm(NO3)3、Tm(CH3CO2)3、Tm(TFA)3、Tm(ACAC)3中的至少一种；
优选地，在所述步骤a中，所述钇盐为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a中，所述钕盐为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，所述稀土盐的前驱体合成条件为：在140-170℃下进行反应0.5-3h，得到稀土盐的前驱体。
优选地，在所述步骤b中，钕敏化的稀土发光多层核壳结构材料合成条件为：在200-330℃下反应0.5-3h，对核材料颗粒进行包裹壳层；
优选地，在所述步骤b中，所述钠源为NaOH、NaF、NaTFA中的至少一种；
优选地，在所述步骤b中，所述氟源为NH4F，NaF中至少一种；
优选地，在所述步骤c中，油溶性异质稀土上转换发光纳米晶在环己烷中的分散液和聚氧代乙烯(5)壬基苯基醚，支化(CO-520)的体积比为1.5mL：1～5g；
优选地，在所述步骤c中，油溶性异质稀土上转换发光纳米晶在环己烷中的分散液和氨水的体积比为1.5mL：100～300μL；
优选地，在所述步骤d中，水溶性上转换异质纳米晶(UCNP@SiO2)的分散液、无水乙醇和醋酸锌的混合比例为1mL：50～200mL：5～50mg；
优选地，在所述步骤d中，氢氧化钠溶液浓度为2.28×10-3～0.01mol/L；
优选地，在所述步骤d中，进行水浴反应时，在50～80℃下反应3～5h。
优选地，在所述步骤b中，进行稀土发光多层核壳结构材料制备时，采用分步制备异质核-多壳结构的稀土上转换纳米材料，包括如下步骤：
b-1.将核层上转换纳米粒子使用能量发光层包覆，得到核-壳结构上转换纳米粒子；
b-2.将在所述步骤b-1中制备的核-壳结构上转换纳米粒子使用能量传递层包覆，得到核-壳-壳结构上转换纳米粒子；
b-3.将在所述步骤b-2中制备的核-壳-壳结构上转换纳米粒子使用能量捕获层包覆，得到核-壳-壳-壳结构上转换纳米粒子；
b-4.将在所述步骤b-3中制备的核-壳-壳结构上转换纳米粒子使用能量保护层包覆，得到核-壳-壳-壳-壳结构上转换纳米粒子。
本发明制备NaGdF4的核层纳米粒子。在上述核纳米粒子上包覆能量发光层，得到核-壳结构的上转换发光材料，再在上述核-壳结构纳米颗粒上包覆能量传递层，得到核-壳-壳结构的上转换发光材料，再在上述核-壳-壳结构纳米颗粒上包覆能量捕获层，得到核-壳-壳-壳结构的上转换发光材料。再在上述核-壳-壳-壳结构纳米颗粒上包覆能量保护层，得到核-壳-壳-壳-壳结构的上转换发光材料。
本发明通过引入核壳结构，将发光中心离子和敏化剂Nd3+离子分别分布在能量发光壳层与能量捕获壳层，有效抑制了发光离子与敏化离子交叉弛豫所引起的浓度淬灭，可提高敏化剂Nd3+离子的掺杂浓度，以增加材料对808nm的吸收；引入Yb3+离子作为敏化离子与发光离子能量传递桥梁，保证能量进行高效的传递，当能量传递层的基质材料由Gd3+离子替换为惰性基质Y3+离子能有效阻止激发光能量向壳层Gd3+离子内部晶格缺陷传递，并有效地抑制了晶格缺陷对能量的捕获，从而增强了808nm激发下的上转换发射；另外，由于内层核层是纯NaGdF4，随着Gd3+离子浓度的增加，从而进一步提升上转换的发射。同时，通过在最外层包覆能量保护层，可有效抑制表面淬灭分子对能量的捕获，增强上转换发射。
一种本发明所述能提高单线态氧生成的稀土纳米复合材料的应用，应用于光催化过程、光动力治疗的光敏剂、药物释放过程、肿瘤诊疗一体化的生物传感器，利用提高单线态氧生成的稀土纳米复合材料，可在近红外光的激发下，通过荧光能量共振转移(FRET)，将能量传递给外层的氧化锌层，并产生单线态氧。
优选地，能提高单线态氧生成的稀土纳米复合材料激发光波长为745±3nm、793±3nm、793±3nm、808±3nm或者980±3nm。
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.本发明采用光敏剂是半导体ZnO。ZnO是一种带隙为3.37eV的宽隙半导体材料，主要吸收可见光和紫外光并且能在有氧的环境下产生ROS，同时它本身是低毒性的，这对它的生物体内实际应用发展是有益的；另外，ZnO在太阳能转换、光催化、生物传感器等领域一直备受关注，研究者们把目光聚焦在ZnO纳米材料上说明它的发展前景广，将上转换与ZnO结合的实验研究具有十分重要的意义；
2.目前，大多数光敏剂在可见光或者紫外光有强烈的吸收，然而实际应用中可见光或者紫外光在生物组织中的穿透力浅，而近红外光对生物组织穿透深度深，但是很少有光敏剂可以被NIR光直接激发而产生足够的ROS；因此，本发明的特点是合成能够在NIR光激发下发射高强度的紫外以及可见光的稀土上转换纳米材料，通过FRET的能量转移过程传递给ZnO,在有氧的条件下可以产生足够的ROS，以满足PDT的需要，保证其治疗疗效。
附图说明
图1为本发明实施例1稀土铥掺杂的异质上转换纳米离子外延生成氧化锌纳米复合材料的上转换荧光光谱。
图2为本发明实施例1稀土铥掺杂的异质上转换纳米离子外延生成氧化锌纳米复合材料的透射电镜(TEM)照片。
图3为本发明实施例1稀土铥掺杂的异质上转换纳米离子外延生成氧化锌纳米复合系列材料与传统同质稀土纳米复合材料在808纳米照射产生ROS引起的1，3-二苯基异苯呋喃(DPBF)的时间依赖性降解(间隔测试时间为5分钟)。
图4为本发明实施例1稀土铥掺杂的异质上转换纳米离子外延生成氧化锌纳米复合系列材料在808纳米照射降解罗丹明B染料的时间依赖性降解图。
具体实施方式
在本发明优选的实施例中，一种能提高单线态氧生成的稀土纳米复合材料，其材料颗粒具有核-多壳的异质结构，包含作为多层核壳结构的核的核纳米粒子NaGdF4，以NaGdF4的核材料层为稀土核层上转换纳米材料粒子，并且在核外部连续依次包覆能量发光层、能量传递层、能量捕获层、能量保护层和外层，形成稀土纳米复合材料体系；
所述能量发光层作为包覆在核纳米粒子上的第一层壳，由NaGdF4和发光离子组成核材料，能量发光层的材料至少包括NaGdF4:Yb/Tm，其中Yb离子的掺杂摩尔分数不大于60％，Tm的掺杂摩尔分数不大于15％；
所述能量传递层作为包覆在能量发光层上的第二壳层，能量传递层除了包括Yb，还包括包括NaLuF4、NaYF4、CaF2和YF3中的至少一种，在能量传递层中，Yb离子掺杂的摩尔分数为10～80％；
所述能量捕获层作为包覆在能量传递层上的第三壳层，能量捕获层的材料中的Yb离子的掺杂摩尔浓度为1～90％，Nd离子的掺杂摩尔浓度为1～90％；
所述能量保护层作为包覆在能量捕获层上的第四壳层，能量保护层的材料为NaGdF4、NaLuF4、NaYF4、CaF2和YF3中的至少一种；
所述外层作为包覆在能量保护层上的第五壳层：先在材料颗粒外层包覆二氧化硅层，再包覆氧化锌层，形成连续包覆的二氧化硅和氧化锌复合层；
所述纳米复合材料体系可在近红外光的激发下，通过荧光能量共振转移(FRET)，将能量传递给外层的氧化锌层，并产生单线态氧，从而提升活性氧ROS产生的总量。
本发明优选实施例能提高单线态氧生成的稀土纳米复合材料的应用，应用于光催化过程、光动力治疗的光敏剂、药物释放过程、肿瘤诊疗一体化的生物传感器，利用提高单线态氧生成的稀土纳米复合材料，可在近红外光的激发下，通过荧光能量共振转移(FRET)，将能量传递给外层的氧化锌层，并产生单线态氧。本发明优选实施例能提高单线态氧生成的稀土纳米复合材料激发光波长为745±3nm、793±3nm、808±3nm或者980±3nm。这能极大提高氧化锌吸收紫外光效率，从而提升ROS产生的总量，以满足由ROS介导的肿瘤治疗的活性氧的需求。
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
一种提高单线态氧生成的上转换纳米复合材料的制备方法，以NaGdF4核层为例，其步骤为:
(1)取Gd(CH3CO2)3·xH2O水溶液共0.4mmol加入到50mL的三口烧瓶瓶中，加入5mL油酸与5mL 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，得到稀土盐的前驱体A溶液；
当温度降至50℃，在稀土盐的前驱体A溶液中快速加入5mL含有1mmolNaOH与1.36mmolNH4F的甲醇溶液，并搅拌30min，得到混合溶液；然后将混合溶液升温至100℃抽真空5min，再充氮气1min，往复三次，在除去反应体系中的甲醇和氧气后，温度升至300℃在氮气的保护下反应1.5h，随后冷却至室温，用无水乙醇和环己烷洗涤，将得到NaGdF4核上转换纳米颗粒发光材料分散在4mL环己烷中，备用；
(2)按掺杂摩尔浓度比为Tm3+:Yb3+:Gd3+＝1:49:50，取定配比的Tm(CH3CO2)3·xH2O、Yb(CH3CO2)3·xH2O、Gd(CH3CO2)3·xH2O水溶液共0.4mmol加入到50mL的三口烧瓶瓶中，加入5mL油酸与5mL 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，得到稀土盐的前驱体B溶液；
当温度降至80℃，将在所述步骤(1)中得到分散在4mL环己烷中的核上转化纳米粒子溶液加入到所述稀土盐的前驱体B溶液中，并搅拌30min除去体系中环己烷，当温度降至50℃，快速加入5mL含有1mmol NaOH与1.36mmol NH4F的甲醇溶液，并搅拌30min，得到混合溶液；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，在除去反应体系中的甲醇和氧气后，温度升至300℃，在氮气的保护下进行反应1.5h，随后将所得的产物冷却至室温，再用无水乙醇和环己烷进行洗涤，将得到NaGdF4@NaGdF4:49％Yb,1％Tm核-壳上转换纳米颗粒发光材料分散在4mL环己烷中的混合溶液，备用；
(3)按掺杂摩尔浓度比为Y3+:Yb3+＝80:20取定配比的Y(CH3CO2)3·xH2O、Yb(CH3CO2)3·xH2O水溶液共0.4mmol，加入到50mL的三口烧瓶瓶中，加入5mL油酸与5mL 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，得到稀土盐的前驱体C溶液；
当温度降至80℃，将在所述步骤(2)中得到分散在4mL环己烷的核-壳上转化纳米粒子加入到稀土盐的前驱体C溶液中，并搅拌30min，除去体系中环己烷，当温度降至50℃，快速加入5mL含有1mmol NaOH与1.36mmol NH4F的甲醇溶液，并搅拌30min；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，在除去反应体系中的甲醇和氧气后，温度升至300℃在氮气的保护下反应1.5h，随后冷却至室温，用无水乙醇和环己烷洗涤，将得到NaGdF4@NaGdF4:49％Yb,1％Tm@NaYF4:20％Yb核-壳-壳上转换纳米颗粒发光材料分散在4mL环己烷中，备用；
(4)按掺杂摩尔浓度比为Gd3+:Nd3+:Yb3+＝40:50:10取定配比的Gd(CH3CO2)3·xH2O、Yb(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5mL油酸与5mL 1-十八烯液体，然后加热到140-160℃，搅拌30-60min形成均匀的稀土络合物，得到稀土盐的前驱体D溶液；
当温度降至80℃，将在所述步骤(3)中得到分散在4mL环己烷的核-壳-壳上转化纳米粒子加入到稀土盐的前驱体D溶液中，并搅拌30min除去体系中环己烷，当温度降至50℃，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100℃抽真空5min再充氮气1min，往复三次，在除去反应体系中的甲醇和氧气后，温度升至300℃在氮气的保护下反应1.5h，将产物冷却至室温，用无水乙醇和环己烷进行洗涤，然后将得到NaGdF4@NaGdF4:49％Yb,1％Tm@NaYF4:20％Yb@NaGdF4:10％Yb50％Nd核-壳-壳-壳上转换纳米颗粒发光材料分散在4mL环己烷中，备用；
(5)取定配比的Gd(CH3CO2)3·xH2O水溶液共0.4mmol加入到50mL的三口烧瓶瓶中，加入5mL油酸与5mL 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，得到稀土盐的前驱体E溶液；
当温度降至80℃，将在所述步骤(4)中得到分散在4mL环己烷的核-壳-壳-壳上转化纳米粒子加入到稀土盐的前驱体E溶液中，并搅拌30min除去体系中环己烷，当温度降至50℃，快速加入5mL含有1mmol NaOH与1.36mmol NH4F的甲醇溶液，并搅拌30min；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，在除去反应体系中的甲醇和氧气后，温度升至300℃，在氮气的保护下反应1.5h，再冷却至室温，用无水乙醇和环己烷洗涤，将得到的核上转换纳米颗粒发光材料分散在4mL环己烷中，，从而得到核-壳-壳-壳上转化纳米粒子NaGdF4@NaGdF4:49％Yb/1％Tm@NaYF4:20％Yb@NaGdF4:10％Yb50％Nd@NaGdF4，得到油溶性异质稀土上转换发光纳米晶的分散液，备用；
(6)将在所述步骤(5)中制备的油溶性异质稀土上转换发光纳米晶在环己烷中的分散液1.5mL，将其依次与1g CO-520和20mL环己烷，150μL氨水室温下混合搅拌均匀后，逐滴加入正硅酸乙酯(TEOS)与环己烷的混合溶液(1:4)，使反应在室温下持续反应24h；在结束反应后，采用水和乙醇洗涤、离心；并且分散于1mL去离子水中，即得水溶性上转换异质纳米晶(UCNP@SiO2)；
(7)将1mL在所述步骤(6)中制备的UCNP@SiO2分散液与20mg二水醋酸锌中，然后加入100mL的无水乙醇，超声混合均匀后，将混合溶液置于250mL圆口烧瓶中，逐滴加入含有0.18mmol氢氧化钠的氢氧化钠-乙醇溶液后，在60℃水浴中，维持反应3h。反应停止后，经过离心、洗涤和干燥，即可得到氧化锌包覆的纳米复合材料(UCNP@SiO2@ZnO)。
在本实施例中，图1本实施例稀土铥掺杂外延生长二氧化硅以及氧化锌的上转换荧光光谱图。在808nm激发下的荧光光谱图，从图1中可看到二氧化硅层对上转换发光影响较小，而氧化锌层的包覆使得紫外可见光区上转换发光强度明显降低，表明异质稀土上转换纳米材料吸收808nm的能量发射出强烈的紫外-可见光，并且ZnO通过能量共振转移过程吸收这种紫外-可见光，在氧的条件下产生ROS。
所述的NIR激光可以选择793±3nm、808±3nm或者980±3nm，具体由所选择的上转换发光纳米粒子激发需求而确定。
图2是本实施例稀土铥掺杂外延生长二氧化硅以及氧化锌的透射电镜图。从图2中可看出上转换纳米粒子周围均匀包裹着氧化硅以及氧化锌，说明该方法可有效地得到形貌良好、生长均匀地异质稀土铥参杂上转换连续包裹二氧化硅和氧化锌的复合材料，平均粒径约为35至45nm，因为小尺寸纳米粒子更容易被细胞内吞，有利于在生物体内循环，这对于其用于生物治疗具有重要意义。
图3是在808纳米激光激发下(10瓦/平方厘米，30分钟)异质稀土复合上转换纳米稀土(GGYGG@SiO2@ZnO)产生ROS引起DPBF的时间依赖性降解图，可看出DPBF在410±2nm纳米处的紫外可将光吸收值随着时间的延长而不断下降。结果表明照射产生的ROS被不断消耗，证实了ROS的有效产生。
图4为本实施例稀土铥掺杂的异质上转换纳米离子外延生成氧化锌纳米复合系列材料在808纳米照射降解罗丹明B染料的时间依赖性降解图。由图4可知，本实施例稀土铥掺杂的异质上转换纳米离子外延生成氧化锌纳米复合系列材料在100min使得罗丹明B有机染料降解了67％。
实施例2
本实施例与实施例一基本相同，如UCNP@SiO2制备方法与实施例1中的步骤(1)～(6)相同，其中步骤(7)为：
将1mL在所述步骤(6)中制备的UCNP@SiO2分散液与30mg二水醋酸锌中，然后加入100mL的无水乙醇，超声混合均匀后，将混合溶液置于250mL圆口烧瓶中，逐滴加入含有0.27mmol氢氧化钠的氢氧化钠-乙醇溶液后，在60℃水浴中，维持反应3h。反应停止后，经过离心、洗涤和干燥，即可得到氧化锌包覆的纳米复合材料(UCNP@SiO2@ZnO)。
本实施例提高单线态氧生成的稀土纳米复合材料利用光敏剂ZnO在有氧环境下吸收异质上转换纳米晶发射紫外-可见光而产生活性氧。本发明设计可控合成的五层异质上转换纳米晶结构。异质上转换纳米晶它能够在742～983nm激发下在紫外-可见波段内产生强烈的上转换发射。
综上所述，上述实施例提高单线态氧生成的稀土纳米复合体系及其制备方法，将油溶性的上转换发光纳米颗粒通过包覆二氧化硅的方式转为水溶性，接着继续包覆氧化锌层，形成UCNP@SiO2@ZnO的多层结构。上转换纳米材料能够吸收近红外光能量，发射紫外以及可见光。通过能量共振转移过程，ZnO层吸收紫外光，并且能够产生活性氧。其中，与传统设计的同质上转换纳米晶相比，本发明上述实施例的异质上转换纳米晶能够显著提高单线态氧的生成。本发明上述实施例稀土纳米复合材料尺寸均一，稳定性好，生物相容性好，单线态氧生成能力提高可以满足光动力治疗的需求。
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 (10)
1.一种能提高单线态氧生成的稀土纳米复合材料，其特征在于：其材料颗粒具有核-多壳的异质结构，作为NaGdF4作为该纳米材料的核层，在核外部连续依次包覆能量发光层、能量传递层、能量捕获层、能量保护层和外层，形成稀土纳米复合材料体系；
所述能量发光层作为包覆在核纳米粒子上的第一层壳，由NaGdF4和发光离子组成核材料，能量发光层的材料至少包括NaGdF4:Yb/Tm，其中Yb离子的掺杂摩尔分数不大于60％，Tm的掺杂摩尔分数不大于15％；
所述能量传递层作为包覆在能量发光层上的第二壳层，能量传递层除了包括Yb，还包括包括NaLuF4、NaYF4、CaF2和YF3中的至少一种，在能量传递层中，Yb离子掺杂的摩尔分数为10～80％；
所述能量捕获层作为包覆在能量传递层上的第三壳层，能量捕获层的材料中的Yb离子的掺杂摩尔浓度为1～90％，Nd离子的掺杂摩尔浓度为1～90％；
所述能量保护层作为包覆在能量捕获层上的第四壳层，能量保护层的材料为NaGdF4、NaLuF4、NaYF4、CaF2和YF3中的至少一种；
所述外层作为包覆在能量保护层上的第五壳层：先在材料颗粒外层包覆二氧化硅层，再包覆氧化锌层，形成连续包覆的二氧化硅和氧化锌复合层；
所述纳米复合材料体系可在近红外光的激发下，通过荧光能量共振转移(FRET)，将能量传递给外层的氧化锌层，并产生单线态氧，从而提升活性氧ROS产生的总量。
2.根据权利要求1所述提高单线态氧生成的稀土纳米复合材料，其特征在于：发光离子采用稀土掺杂离子组合，采用Yb/Tm、Yb/Tm/Tb、Yb/Tm/Eu、Yb/Tm/Dy、Yb/Tm/Sm、Yb/Tm/Mn中的至少一种。
3.根据权利要求1所述提高单线态氧生成的稀土纳米复合材料，其特征在于：其激发光波长为742～983nm。
4.根据权利要求1所述提高单线态氧生成的稀土纳米复合材料，其特征在于：其颗粒的平均粒径为35～45nm。
5.一种权利要求1所述提高单线态氧生成的稀土纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.稀土盐的前驱体制备：
将钆盐、镱盐、铥盐、钇盐、钕盐中的至少一种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.稀土发光多层核壳结构材料制备：
将核材料与在所述步骤a中制备的稀土盐的前驱体进行混合，得到反应混合物，在钠源和氟源的存在下，将反应混合物进行反应，对核层上转换纳米材料颗粒进行壳层包裹，得到反应产物油溶性异质稀土上转换发光纳米晶，然后将反应产物油溶性异质稀土上转换发光纳米晶经过洗涤，溶解于环己烷中，得到稀土发光多层核壳结构材料溶液；
c.SiO2包覆稀土发光多层异质核壳结构材料制备：
制备油溶性异质稀土上转换发光纳米晶在环己烷中的分散液，将其与聚氧代乙烯(5)壬基苯基醚，支化(CO-520)、环己烷、氨水在室温下混合搅拌均匀后，逐滴加入正硅酸乙酯(TEOs)与环己烷的混合溶液，该反应在室温下持续反应12～24h；待反应完成后，将产物溶液经过离心、洗涤和分散后，即得水溶性上转换异质纳米晶(UCNP@SiO2)的分散液；
d.UCNP@SiO2@ZnO稀土纳米异质核壳结构材料制备：
制备所述水溶性上转换异质纳米晶(UCNP@SiO2)的分散液与无水乙醇、醋酸锌的混合液，然后逐滴加入氢氧化钠溶液后继续反应，待反应完成后，再将产物溶液经过离心，洗涤后置于马弗炉中，在不高于150℃中干燥成粉末，得到ZnO包覆的纳米复合材料(UCNP@SiO2@ZnO)。
6.根据权利要求5所述能提高单线态氧生成的稀土纳米复合材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤a中，所述钆盐为GdCl3、Gd(NO3)3、Gd(CH3CO2)3、Gd(TFA)3、Gd(ACAC)3中的至少一种；
或者，在所述步骤a中，所述的镱盐为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，所述铥盐为TmCl3、Tm(NO3)3、Tm(CH3CO2)3、Tm(TFA)3、Tm(ACAC)3中的至少一种；
或者，在所述步骤a中，所述钇盐为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a中，所述钕盐为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，所述稀土盐的前驱体合成条件为：在140-170℃下进行反应0.5-3h，得到稀土盐的前驱体。
7.根据权利要求5所述提高单线态氧生成的稀土纳米复合材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤b中，钕敏化的稀土发光多层核壳结构材料合成条件为：在200-330℃下反应0.5-3h，对核材料颗粒进行包裹壳层；
或者，在所述步骤b中，钠源为NaOH、NaF、NaTFA中的至少一种；
或者，在所述步骤b中，氟源为NH4F，NaF中至少一种；
或者，在所述步骤c中，油溶性异质稀土上转换发光纳米晶在环己烷中的分散液和聚氧代乙烯(5)壬基苯基醚，支化(CO-520)的体积比为1.5mL：1～5g；
或者，在所述步骤c中，油溶性异质稀土上转换发光纳米晶在环己烷中的分散液和氨水的体积比为1.5mL：100～300μL；
或者，在所述步骤d中，水溶性上转换异质纳米晶(UCNP@SiO2)的分散液、无水乙醇和醋酸锌的混合比例为1mL：50～200mL：5～50mg；
或者，在所述步骤d中，氢氧化钠溶液浓度为2.28×10-3～0.01mol/L；
或者，在所述步骤d中，进行水浴反应时，在50～80℃下反应3～5h。
8.根据权利要求5所述能提高单线态氧生成的稀土纳米复合材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤b中，进行稀土发光多层核壳结构材料制备时，采用分步制备异质核-多壳结构的稀土上转换纳米材料，包括如下步骤：
b-1.将核层上转换纳米粒子使用能量发光层包覆，得到核-壳结构上转换纳米粒子；
b-2.将在所述步骤b-1中制备的核-壳结构上转换纳米粒子使用能量传递层包覆，得到核-壳-壳结构上转换纳米粒子；
b-3.将在所述步骤b-2中制备的核-壳-壳结构上转换纳米粒子使用能量捕获层包覆，得到核-壳-壳-壳结构上转换纳米粒子；
b-4.将在所述步骤b-3中制备的核-壳-壳结构上转换纳米粒子使用能量保护层包覆，得到核-壳-壳-壳-壳结构上转换纳米粒子。
9.一种权利要求1所述提高单线态氧生成的稀土纳米复合材料的应用，其特征在于，应用于光催化过程、光动力治疗的光敏剂、药物释放过程、肿瘤诊疗一体化的生物传感器，利用提高单线态氧生成的稀土纳米复合材料，可在近红外光的激发下，通过荧光能量共振转移(FRET)，将能量传递给外层的氧化锌层，并产生单线态氧。
10.根据权利要求9所述提高单线态氧生成的稀土纳米复合材料的应用，其特征在于：能提高单线态氧生成的稀土纳米复合材料激发光波长为745±3nm、793±3nm、808±3nm或者980±3nm。
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