本發(fā)明涉及一種具有Si-V發(fā)光(在光致發(fā)光譜中的發(fā)光峰位于738nm)的納米金剛石晶粒(指尺寸在納米級的金剛石單晶)及其制備方法。

(二)

背景技術(shù)：

生物標(biāo)記技術(shù)是分子生物學(xué)中最常用、最重要的技術(shù)之一。生物標(biāo)記技術(shù)可以為人們提供待測分子在生物體內(nèi)或體外的存在、表達(dá)、分布等各種信息，這對生物個體中物質(zhì)代謝過程的研究具有重要意義。生物標(biāo)記能夠在醫(yī)療等領(lǐng)域提供一種無損的檢測手段，這對疾病的診斷有著十分重要的作用。生物大分子自身的結(jié)構(gòu)因素限制了檢測的靈敏性，為了獲得可測量的信號，常常需要引入標(biāo)記物。根據(jù)標(biāo)記物種類的不同，可以將生物標(biāo)記分為放射性同位素標(biāo)記、酶標(biāo)記、化學(xué)發(fā)光標(biāo)記和熒光標(biāo)記等四種方法。其中，熒光標(biāo)記法具有靈敏度高、選擇性好、可測定的參數(shù)多、操作簡便、結(jié)果直觀、對樣品無損傷等諸多優(yōu)點(diǎn)，目前已成為最受關(guān)注的生物標(biāo)記方法，被廣泛的應(yīng)用于生物分析領(lǐng)域。

熒光標(biāo)記靈敏度取決于標(biāo)記物的發(fā)光強(qiáng)度和穩(wěn)定性，目前使用的熒光標(biāo)記物有：熒光素類染料、羅丹明類染料、菁染料等其他標(biāo)記物。但這些有機(jī)的熒光標(biāo)記物存在激發(fā)光譜窄，發(fā)射光譜寬，容易發(fā)生光漂白現(xiàn)象等弊端，因此限制了熒光標(biāo)記在生物及醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用。納米金剛石具有化學(xué)惰性、無光致漂白、無毒性和細(xì)胞可標(biāo)記性等特性，可作為一種新型碳納米熒光材料，在生物成像應(yīng)用方面具有巨大的優(yōu)勢。2012年，有研究者通過在小鼠側(cè)腹注入具有氮空位(N-V)發(fā)光的納米金剛石顆粒，實(shí)現(xiàn)了生物體內(nèi)的熒光成像。2013年，科學(xué)家在室溫下實(shí)現(xiàn)了金剛石N-V中心對活磁性細(xì)菌的磁成像，空間分辨率達(dá)到了400nm。但是，金剛石中N-V發(fā)光中心的室溫?zé)晒夤庾V較寬(接近100nm)，發(fā)光壽命長；并且其發(fā)光峰位于637nm，激發(fā)光必須選用波長小于637nm的光源。通常選用波長為532nm的可見光或波長更短的激光作為光源。由于生物組織的自發(fā)熒光的激發(fā)波長一般是在350～600nm，因此選用這類光源會導(dǎo)致生物組織對激發(fā)光的吸收，導(dǎo)致自發(fā)熒光，難以區(qū)分熒光是來自標(biāo)記物還是來自于生物組織本身。由于N-V發(fā)光中心存在這些弊端，因此它不是熒光標(biāo)記的最佳候選發(fā)光中心。

與N-V相比，金剛石中的硅-空位(Si-V)發(fā)光中心具有諸多優(yōu)異的性能。第一，Si-V發(fā)光中心的發(fā)光峰位于738nm，因此能夠使用紅外光或近紅外光作為激發(fā)光，在標(biāo)記活體生物時，可以最大限度地降低生物組織對激發(fā)光的吸收；第二，Si-V發(fā)光中心的零聲子線很窄(僅幾納米)，允許窄譜的過濾，可以進(jìn)一步減小生物成像中的自體熒光，并能夠?qū)喂庾有盘柵c背景信號有效地分離；第三，紅色激發(fā)光的吸收低于可見光(532nm)的20倍，可以使得深層組織成像，這對于熒光標(biāo)記在生命科學(xué)中的應(yīng)用是至關(guān)重要的。因此，金剛石中的Si-V發(fā)光中心在生物標(biāo)記領(lǐng)域的應(yīng)用有著更大的優(yōu)勢。

但是，尺寸為100nm以下的Si-V發(fā)光納米金剛石晶粒的制備十分困難。雖然通過理論計算等方法證明了Si-V結(jié)構(gòu)能夠在1.6nm的金剛石晶粒中穩(wěn)定存在，但是目前人工制備獲得的最小尺寸的Si-V發(fā)光的納米金剛石晶粒為70～80nm，他們將微米級的金剛石薄膜進(jìn)行超聲處理，工藝繁瑣，得到的晶粒形狀很不規(guī)則，產(chǎn)率低。

本發(fā)明將Si-V發(fā)光的單顆粒層納米金剛石薄膜生長在石英襯底上，再利用超聲震蕩將Si-V發(fā)光的納米金剛石晶粒從薄膜中分離出來，制備得到了尺寸在70～100nm，晶型規(guī)則的晶粒。我們已受理的專利CN201510149374.4，CN201510149396.0中，在單晶硅片上生長單顆粒層納米金剛石薄膜，得到的是薄膜，并沒有獲得Si-V發(fā)光的納米金剛石晶粒；本發(fā)明中將單顆粒層納米金剛石薄膜生長在石英基底上，利用薄膜與石英基底的附著力弱的特點(diǎn)，通過超聲振蕩的方法將薄膜從石英基底上剝離下來，獲得Si-V發(fā)光的納米金剛石晶粒，相關(guān)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
未見文獻(xiàn)報道，對于實(shí)現(xiàn)納米金剛石在生物標(biāo)記和量子信息處理等方面的應(yīng)用，具有重要的科學(xué)價值和實(shí)際意義。

(三)發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種具有強(qiáng)Si-V發(fā)光的納米金剛石晶粒及其制備方法，所述的Si-V發(fā)光在光致發(fā)光譜(PL譜)中特征峰位于738nm處，線寬較窄(～5nm)，發(fā)光壽命很短(1.2ns)。

本發(fā)明采用熱絲化學(xué)氣相沉積方法，首先在石英襯底上制備得到納米金剛石薄膜，并對薄膜在空氣中進(jìn)行熱氧化處理，得到具有強(qiáng)Si-V發(fā)光的單顆粒層納米金剛石薄膜，然后通過超聲振蕩，將納米金剛石晶粒從薄膜中分離出來，制備得到尺寸在70～100nm的金剛石晶粒，有著較強(qiáng)的Si-V發(fā)光性能。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種Si-V發(fā)光的納米金剛石晶粒，按如下方法制備得到：

(1)對石英襯底進(jìn)行納米金剛石溶液超聲振蕩預(yù)處理；

(2)采用熱絲化學(xué)氣相沉積法，在經(jīng)過步驟(1)預(yù)處理的石英襯底上制備得到納米金剛石薄膜，再將其置于500～650℃的空氣中保溫10～50min，得到沉積于石英襯底上的Si-V發(fā)光的單顆粒層納米金剛石薄膜；

(3)通過超聲振蕩(超聲機(jī)功率為200W，時間為0.5～1h)，將步驟(2)所得沉積于石英襯底上的Si-V發(fā)光的單顆粒層納米金剛石薄膜從石英襯底上剝離，并對剝離后的納米金剛石薄膜繼續(xù)進(jìn)行超聲振蕩(超聲機(jī)功率為200W，時間為10～12h)，將納米金剛石薄膜震碎，即制得Si-V發(fā)光的納米金剛石晶粒。

本發(fā)明方法制得的Si-V發(fā)光的納米金剛石晶粒尺寸通常在70～100nm。

進(jìn)一步，所述步驟(1)的具體操作方法為：

將納米金剛石粉末(粒徑100nm)分散于去離子水中(料液質(zhì)量比1：50～150)，得到納米金剛石溶液，將石英襯底置于所得納米金剛石溶液中，使用功率為200W的超聲機(jī)超聲振蕩0.5～3h，之后將石英襯底依次置于去離子水、丙酮中，使用功率為200W的超聲機(jī)分別進(jìn)行超聲清洗2min，最后干燥，備用。

進(jìn)一步，所述步驟(2)的具體操作方法為：

將經(jīng)過步驟(1)預(yù)處理的石英襯底放入熱絲化學(xué)氣相沉積設(shè)備，以丙酮為碳源，采用氫氣A鼓泡方式將丙酮帶入到反應(yīng)室中，氫氣B、丙酮的流量比為200：90，熱絲與石英襯底的距離為6～10mm，反應(yīng)功率為1600～2000W，工作氣壓為1.63～2.63Kpa，薄膜生長時間為5～30min，在反應(yīng)過程中不加偏壓，薄膜生長結(jié)束后，在不通氫氣B的條件下降溫冷卻至室溫(20～30℃)，即在石英襯底上制備得到單顆粒層納米金剛石薄膜，再將其置于500～650℃的空氣中保溫10～50min，即得沉積于石英襯底上的Si-V發(fā)光的單顆粒層納米金剛石薄膜。

所述的“氫氣A”、“氫氣B”沒有特殊的含義，標(biāo)記為“A”、“B”只是用于區(qū)分不同的兩路氫氣。其中氫氣A作為丙酮的載氣，以鼓泡方式將丙酮帶入到反應(yīng)室中，丙酮的流量以氫氣A的流量進(jìn)行計算。

進(jìn)一步，所述步驟(3)的具體操作方法為：

將步驟(2)所得沉積于石英襯底上的Si-V發(fā)光的單顆粒層納米金剛石薄膜浸沒于去離子水中，使用功率為200W的超聲機(jī)進(jìn)行超聲振蕩0.5～1h，將納米金剛石薄膜從石英襯底上剝離；移除石英襯底，之后對含有納米金剛石薄膜的溶液繼續(xù)進(jìn)行超聲震蕩10～12h，即制備得到Si-V發(fā)光的納米金剛石晶粒(直接以溶液形式保存)。

本發(fā)明的有益效果主要體現(xiàn)在：

(1)本發(fā)明簡單易行、容易操作；

(2)本發(fā)明使用超聲振蕩的方法對石英襯底上的單顆粒層納米金剛石薄膜進(jìn)行處理，得到了尺寸小于100nm的Si-V發(fā)光的納米金剛石晶粒，其Si-V發(fā)光峰的歸一化強(qiáng)度約為4.5，為納米金剛石在生物標(biāo)記等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了重要基礎(chǔ)；

(3)與文獻(xiàn)中直接將微米級的金剛石薄膜進(jìn)行超聲處理得到的晶粒相比，本發(fā)明獲得的晶粒具有較規(guī)則的晶型，產(chǎn)率較高。

(四)附圖說明

圖1為實(shí)施例1中制備得到的納米金剛石晶粒的熒光共聚焦顯微照片；

圖2為實(shí)施例1中從熒光共聚焦光譜中獲得的發(fā)光譜圖；

圖3為實(shí)施例2中納米金剛石晶粒的掃描電鏡照片；

圖4為實(shí)施例2中納米金剛石晶粒的光致發(fā)光譜圖。

(五)具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步描述，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅限于此。

以下實(shí)施例中所用到的超聲機(jī)為深圳超藝達(dá)科技有限公司生產(chǎn)的PS-30型超聲機(jī)器，超聲功率為200W。

實(shí)施例1

(1)將0.2g納米金剛石粉末(粒徑100nm)分散于20ml去離子水中，得到納米金剛石溶液，將石英襯底置于所得納米金剛石溶液中，使用功率為200W的超聲機(jī)進(jìn)行超聲振蕩3h，之后將石英襯底依次置于去離子水、丙酮中，使用功率為200W的超聲機(jī)分別進(jìn)行超聲清洗2min，最后干燥，備用。

(2)將經(jīng)過步驟(1)預(yù)處理的石英襯底放入熱絲化學(xué)氣相沉積設(shè)備(購自上海交友鉆石涂層有限公司，型號為JUHF CVD 001)，以丙酮為碳源，采用氫氣鼓泡方式將丙酮帶入到反應(yīng)室中，其中：氫氣、丙酮的流量比為200：90，熱絲與石英襯底的距離為7mm，反應(yīng)功率為1700W，工作氣壓為1.63Kpa，薄膜生長時間為15min，在反應(yīng)過程中不加偏壓，薄膜生長結(jié)束后，在不通氫氣的條件下降溫冷卻至室溫，即在石英襯底上制備得到納米金剛石薄膜，再將其置于600℃的空氣中保溫10min，即得沉積于石英襯底上的Si-V發(fā)光的單顆粒層納米金剛石薄膜。

(3)將步驟(2)所得沉積于石英襯底上的Si-V發(fā)光的單顆粒層納米金剛石薄膜浸沒于去離子水中，使用功率為200W的超聲機(jī)進(jìn)行超聲振蕩0.5h，將納米金剛石薄膜從石英襯底上剝離；移除石英襯底，之后對含有納米金剛石薄膜的溶液繼續(xù)進(jìn)行超聲震蕩10h，即制備得到Si-V發(fā)光的納米金剛石晶粒(直接以溶液形式保存)。

圖1為制備得到的Si-V發(fā)光的納米金剛石晶粒的熒光共聚焦顯微照片。采用波長為514nm的激光為激發(fā)光，檢測范圍在650～750nm范圍內(nèi)。從圖中可以看出，金剛石晶粒的大小約為70～80nm，并且可以看到較強(qiáng)的熒光，這表明我們制備得到了具有Si-V發(fā)光的納米金剛石晶粒，這為納米金剛石在生物標(biāo)記等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了重要基礎(chǔ)。

圖2為從熒光共聚焦光譜中獲得的納米金剛石晶粒的發(fā)光譜圖。從圖中可以看出，金剛石晶粒在738nm處具有明顯的Si-V發(fā)光峰，即本發(fā)明制備的納米金剛石晶粒具有較強(qiáng)的Si-V發(fā)光。

實(shí)施例2

(1)將0.2g納米金剛石粉末(粒徑100nm)分散于20ml去離子水中，得到納米金剛石溶液，將石英襯底置于所得納米金剛石溶液中，使用功率為200W的超聲機(jī)進(jìn)行超聲振蕩3h，之后將石英襯底依次置于去離子水、丙酮中，使用功率為200W的超聲機(jī)分別進(jìn)行超聲清洗2min，最后干燥，備用。

(2)將經(jīng)過步驟(1)預(yù)處理的石英襯底放入熱絲化學(xué)氣相沉積設(shè)備(購自上海交友鉆石涂層有限公司，型號為JUHF CVD 001)，以丙酮為碳源，采用氫氣鼓泡方式將丙酮帶入到反應(yīng)室中，其中：氫氣、丙酮的流量比為200：90，熱絲與石英襯底的距離為7mm，反應(yīng)功率為1700W，工作氣壓為1.63Kpa，薄膜生長時間為30min，在反應(yīng)過程中不加偏壓，薄膜生長結(jié)束后，在不通氫氣的條件下降溫冷卻至室溫，即在石英襯底上制備得到納米金剛石薄膜，再將其置于600℃的空氣中保溫40min，即得沉積于石英襯底上的Si-V發(fā)光的單顆粒層納米金剛石薄膜。

(3)將步驟(2)所得沉積于石英襯底上的Si-V發(fā)光的單顆粒層納米金剛石薄膜浸沒于去離子水中，使用功率為200W的超聲機(jī)進(jìn)行超聲振蕩0.5h，將納米金剛石薄膜從石英襯底上剝離；移除石英襯底，之后對含有納米金剛石薄膜的溶液繼續(xù)進(jìn)行超聲震蕩8h，即制備得到Si-V發(fā)光的納米金剛石晶粒(直接以溶液形式保存)。

圖3為納米金剛石晶粒樣品的掃描電子顯微鏡照片，從中可以看出，金剛石晶粒的尺寸約為50～800nm。

圖4為納米金剛石晶粒樣品的光致發(fā)光譜，從圖中可以看出，金剛石晶粒在738nm出具有明顯的Si-V發(fā)光峰，即本發(fā)明制備的納米金剛石晶粒具有較強(qiáng)的Si-V發(fā)光。