鑭系摻雜氟化物發(fā)光生物標(biāo)記納米材料的制備與性能研究.pdf

1、幾十年來,發(fā)光標(biāo)記材料的研究與應(yīng)用極大地促進(jìn)了生物化學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)及疫病防治與控制等生物學(xué)研究的進(jìn)步與發(fā)展.目前廣泛使用的有機(jī)染料和量子點(diǎn)(Quantum Dots,QDs) 等生物標(biāo)記材料因存在發(fā)射光譜寬、光熱穩(wěn)定性差、間歇性發(fā)光(閃爍,Blinking)和細(xì)胞毒性等諸多缺陷,有很大的應(yīng)用局限.近年來,人們發(fā)現(xiàn)鑭系摻雜發(fā)光納米微粒兼具有毒性低、化學(xué)穩(wěn)定性高、發(fā)光強(qiáng)度高而穩(wěn)定(無閃爍)、斯托克斯位移(Stokes shift)大等綜合優(yōu)異

2、性能,可望成為一種極具發(fā)展前景的新型發(fā)光生物標(biāo)記材料,因而對(duì)其產(chǎn)生了濃厚的研究興趣. 本文綜述了發(fā)光生物標(biāo)記材料的研究現(xiàn)狀,系統(tǒng)介紹了鑭系離子的光譜理論及鑭系摻雜發(fā)光納米微粒的研究背景,概括和評(píng)述了近年來鑭系摻雜發(fā)光納米微粒的合成和表面修飾所取得的進(jìn)展和面臨的問題,并對(duì)其今后的研究方向進(jìn)行了總結(jié)和展望.在此基礎(chǔ)上,我們針對(duì)生物標(biāo)記對(duì)發(fā)光材料的要求,研究建立了一系列低溫濕化學(xué)合成方法和原位表面化學(xué)修飾技術(shù),成功制備了多種具有不同光

3、學(xué)性質(zhì)的鑭系摻雜氟化物發(fā)光納米微粒.應(yīng)用 X 射線衍射 (XRD)、透射電鏡(TEM)、光致發(fā)光譜(PL)、傅立葉變換紅外光譜(FT-IR)、熱分析(DTA-TG)以及Eu<'3+>離子熒光探針和細(xì)胞毒性檢測(cè)等手段研究了合成條件和摻雜離子濃度等對(duì)鑭系摻雜發(fā)光納米微粒的晶體結(jié)構(gòu)、形貌和尺寸、表面化學(xué)性質(zhì)、摻雜離子的固溶度和摻雜格位以及發(fā)光性能的影響和控制規(guī)律,取得了一系列重要的結(jié)論和創(chuàng)新性成果,為鑭系摻雜納米微粒在生物標(biāo)記領(lǐng)域應(yīng)用的推廣和

4、普及打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ). 以濕化學(xué)法制備鑭系摻雜發(fā)光納米微粒時(shí),通常都需要在起始反應(yīng)溶液中加入其它試劑來控制微粒的生長(zhǎng),從而得到納米級(jí)的微粒.本文中,我們基于溶度積原理,研究建立了一種簡(jiǎn)便易行的在純乙醇溶液中進(jìn)行的化學(xué)共沉淀法,在不使用任何外加試劑的情況下,分別制備了粒徑為15nm、10nm和30nm左右的CaF<,2>∶Eu<'3+>、LaF<,3>∶Eu<'3+>和GdF<,3>∶Eu<'3+>納米微粒.所得產(chǎn)物均為純單相晶體

5、,其晶型分別為立方、六方和斜方.通過改變起始原料的配比,在納米微粒中摻入了不同濃度的Eu<'3+>離子.研究表明,在所考察的摻雜濃度范圍內(nèi)(CaF<,2>、LaF<,3>和GdF<,3>納米微粒中Eu<'3+>離子的最高摻雜濃度分別為30mol﹪、60mol﹪和40mol﹪),增加Eu<'3+>離子摻雜濃度不會(huì)引起新結(jié)晶相的產(chǎn)生,三種納米微粒的發(fā)光強(qiáng)度隨Eu<'3+>離子摻雜濃度增大均表現(xiàn)出了濃度猝滅現(xiàn)象,其猝滅濃度分別為～15mol﹪

6、、～30mol﹪和～20mol﹪. 大多數(shù)生物實(shí)驗(yàn)都要求標(biāo)記材料親水,獲得親水性納米微粒的常用方法是在樣品制備過程中加入一些具有親水基團(tuán)的有機(jī)配體,使這些配體結(jié)合在產(chǎn)物表面從而賦予其親水性.本文中,我們基于水分子與稀土離子的配位作用,研究建立了一種非常簡(jiǎn)單的在水溶液中進(jìn)行的化學(xué)共沉淀法,在不使用任何外加有機(jī)配體的情況下制備了粒徑30nm以下的親水性LaF<,3>:Ln<'3+>(Ln=Eu,Ce-Tb,Nd)納米微粒.所得產(chǎn)物具

7、有純六方相晶體結(jié)構(gòu),能穩(wěn)定存在于水溶液中并產(chǎn)生較強(qiáng)的發(fā)光(量子效率為16﹪).摻雜不同的鑭系離子的樣品能夠產(chǎn)生從可見到近紅區(qū)域的發(fā)光,適用于多種不同的生物標(biāo)記,特別是摻雜Nd<'3+>離子的納米微粒,其激發(fā)位置和主要發(fā)射峰都位于近紅外區(qū)域,非常適用于超靈敏的生物檢測(cè)和生物呈像. 生物標(biāo)記(特別是活細(xì)胞和活體標(biāo)記)實(shí)驗(yàn)中通常還要求納米微粒表面具有化學(xué)官能團(tuán)并且生物相容(即沒有細(xì)胞毒性),獲得這些屬性的常規(guī)方法是在納米微粒制備好之后

8、再對(duì)其進(jìn)行表面修飾.本文中,我們基于表面包覆劑分子結(jié)構(gòu)上的氨基與稀土離子間的配位作用,研究建立了一種鑭系摻雜發(fā)光納米微粒的原位表面修飾方法,通過單步反應(yīng)分別制備了殼聚糖包覆的CTS/LaF<,3>:Eu<'3+>和聚乙烯亞胺包覆的PEI/NaYF<,4>:Yb<'3+>,Er<'3+>等一系列納米微粒.其中CTS/LaF<,3>:Eu<'3+>納米微粒具有純六方相晶體結(jié)構(gòu),粒徑為25nm左右;PEI/NaYF<,4>:Yb<'3+>,E

9、r<'3+>納米微粒為六方相和立方相混合的晶體,粒徑約為50nm.研究表明,兩種表面包覆膜對(duì)人結(jié)腸腺癌HT-29細(xì)胞系均無細(xì)胞毒性,也不會(huì)影響納米微粒的發(fā)光光譜性質(zhì)和發(fā)光量子效率.經(jīng)表面修飾的納米微粒在中性水溶液中可穩(wěn)定存在5天以上,能較好地滿足活細(xì)胞和活體標(biāo)記的需要. 常規(guī)的發(fā)光標(biāo)記技術(shù)通常以紫外光或短波長(zhǎng)的可見光作為激發(fā)源,這些激發(fā)光因能量較高,除能引起生物體的自發(fā)熒光,還會(huì)對(duì)細(xì)胞和生物組織產(chǎn)生光損傷.為了克服這些缺陷,我們

10、開展了鑭系摻雜上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米微粒的研究.上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料能夠在近紅外光的激發(fā)下產(chǎn)生可見發(fā)光,可以有效解決常規(guī)激發(fā)方式引起的一系列問題.我們應(yīng)用本文建立的純乙醇溶液中進(jìn)行的化學(xué)共沉淀法,制備了共摻Y(jié)b<'3+>-Er<'3+>的LaF<,3>上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米微粒,研究了熱處理對(duì)其結(jié)構(gòu)、形貌和上轉(zhuǎn)換發(fā)光性能的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)隨著熱處理溫度升高,納米微粒的晶體結(jié)構(gòu)保持不變、粒徑和上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度則均有顯著增加,經(jīng)過400℃以上溫度的熱處理后,樣品表現(xiàn)

11、出了肉眼可見的明亮上轉(zhuǎn)換發(fā)光.但高溫?zé)崽幚頃?huì)引起納米微粒的長(zhǎng)大、膠體屬性的喪失以及表面化學(xué)官能團(tuán)的破壞,因此不是制備上轉(zhuǎn)換發(fā)光生物標(biāo)記納米微粒的最佳途徑. 為了制備出具有較好膠體屬性和較強(qiáng)上轉(zhuǎn)換發(fā)光的納米微粒,我們選用了NaYF4這種更有利于實(shí)現(xiàn)上轉(zhuǎn)換的材料作為基質(zhì),采用本文建立的鑭系摻雜發(fā)光納米微粒的原位表面修飾方法,制備了PEI/NaYF<,4>:Yb<'3+>,Er<'3+>上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米微粒,研究了合成工藝對(duì)其晶型和形貌

12、的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間有助于NaYF<,4>晶體由四方相向六方相轉(zhuǎn)變,從而有利于提高其上轉(zhuǎn)換發(fā)光的強(qiáng)度.延長(zhǎng)水熱處理時(shí)間不會(huì)引起產(chǎn)物的形貌和大小的改變.研究確認(rèn)比較適宜的反應(yīng)時(shí)間是24h,研究了該條件下制備的納米微粒在水溶液中的上轉(zhuǎn)換發(fā)光行為,發(fā)現(xiàn)它們?cè)?00mW近紅外二極管激光器的激發(fā)下能夠產(chǎn)生明亮的上轉(zhuǎn)換發(fā)光,非常適用于上轉(zhuǎn)換生物檢測(cè)和活體生物呈像. 在生物標(biāo)記中,往往需要同時(shí)標(biāo)記體系中的多個(gè)不同組分,這些實(shí)驗(yàn)需要采用

13、多種具有不同顏色的發(fā)光標(biāo)記材料,并且這些標(biāo)記物應(yīng)能被單一波長(zhǎng)的激發(fā)源同時(shí)激發(fā),以簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)設(shè)備、提高信噪比.針對(duì)這一要求,我們采用本文建立的鑭系摻雜發(fā)光納米微粒的原位表面修飾方法,制備了共摻同一敏化劑(Ce<'3+>)和不同激活劑(Tb<'3+>,Eu<'3+>,Sm<'3+>,Dy<'3+>)的一系列PEI/NaGdF<,4>納米微粒.產(chǎn)物具有六方相晶體結(jié)構(gòu),形貌為棒狀(棒直徑約20nm-30nm,棒長(zhǎng)約40nm-60nm).研究發(fā)現(xiàn),