一種高效抗淬滅釹摻雜稀土紅外熒光探針及其合成方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于納米生物材料【技術(shù)領(lǐng)域】，具體為一種高效抗淬滅釹離子摻雜稀土紅外熒光探針及其合成方法。本發(fā)明熒光探針是一種核殼結(jié)構(gòu)的納米晶體，其包括下轉(zhuǎn)換發(fā)光核心和惰性殼層兩個部分；下轉(zhuǎn)換發(fā)光核心為釹摻雜稀土納米晶體，惰性殼層完全包裹發(fā)光核心，用于增強(qiáng)納米晶體的發(fā)光穩(wěn)定性和發(fā)光效率。本發(fā)明以高沸點稀土溶液和三氟乙酸鈉/鉀/鋰/鋇的溶液作為前驅(qū)體，在高溫條件下連續(xù)交替引入殼層前驅(qū)體溶液，實現(xiàn)對釹離子摻雜納米晶核的層層包裹；通過控制每次滴加的殼層前驅(qū)體的量，實現(xiàn)對殼層厚度的連續(xù)調(diào)節(jié)。本發(fā)明可以提高釹的下轉(zhuǎn)換熒光量子產(chǎn)率與熒光穩(wěn)定性，降低環(huán)境對釹離子摻雜的下轉(zhuǎn)換熒光的淬滅效應(yīng)。
【專利說明】一種高效抗淬滅釹摻雜稀土紅外熒光探針及其合成方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于納米生物材料【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種高效抗淬滅釹離子摻雜稀土紅外熒光探針的合成方法。

【背景技術(shù)】
[0002]近十年以來，生物成像因其在疾病的早期診斷和治療方面的突出表現(xiàn)而受到了科學(xué)研究者的廣泛關(guān)注。在現(xiàn)有的生物成像技術(shù)中，包括CT、PET、MRI等在內(nèi)的斷層成像已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，因為這些斷層層析成像不受穿透深度的限制。但是，斷層成像存在一些不可避免的缺點，如空間分辨率有限，無法實時觀察等(因為其拍照時間很長，往往需要幾分鐘到幾十分鐘獲取一張照片)。相比之下，基于光致發(fā)光原理的光學(xué)生物成像具有高反饋速率、高靈敏度和高分辨率的優(yōu)點。但目前應(yīng)用于光學(xué)生物成像的熒光探針還存在著一些缺陷，例如大多數(shù)熒光探針的激發(fā)/發(fā)射波長位于紫外-可見光范圍內(nèi)，而紫外-可見光在生物組織的穿透深度僅I _ ;大部分傳統(tǒng)熒光探針(如有機(jī)染料，量子點)往往毒性較大，而且在長時間光照下會發(fā)生光漂白現(xiàn)象，因而尋找開發(fā)一種具有高的空間分辨率和反饋速率，較深的組織穿透深度，較高的光學(xué)穩(wěn)定性和較好的生物相容性的熒光探針已經(jīng)成為了生物成像領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。
[0003]稀土離子具有非常豐富的光譜學(xué)特性，這一特點使得他們具備很寬的發(fā)射光譜庫，而這恰恰是其他熒光探針?biāo)鶡o法實現(xiàn)的。與之前報道的有機(jī)染料和量子點相比，稀土發(fā)光材料具有很大的優(yōu)勢，包括較高的發(fā)光效率、較小的光漂白、較長的熒光壽命以及較低的長期毒性等。最近，Nd3+基的化合物和納米材料已被開發(fā)成熒光探針并應(yīng)用于生物成像，與上述稀土發(fā)光材料相比，Nd3+基熒光探針的激發(fā)/發(fā)射波長均位于近紅外區(qū)，而近紅外光較之于紫外/可見光，具有更深的生物組織穿透深度(約I cm)。但是，對已報道的Nd3+基熒光探針來說，其熒光強(qiáng)度往往受其發(fā)光中心與外界的接觸作用情況所影響，例如，裸露的發(fā)光中心將把能量傳遞給外界環(huán)境中的水分子、配體、雜質(zhì)等淬滅劑，從而降低其熒光強(qiáng)度。綜上所述，尋找一種高效抗淬滅的釹摻雜稀土紅外熒光探針已成為當(dāng)務(wù)之急。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種制備工藝簡單、可用于深組織活體成像的高效抗淬滅的釹摻雜稀土紅外熒光探針及其合成方法。
[0005]本發(fā)明提供的高效抗淬滅的釹摻雜稀土近紅外熒光探針，是一種核殼結(jié)構(gòu)的納米晶體，包括下轉(zhuǎn)換發(fā)光核心和惰性殼層兩個部分；其中，下轉(zhuǎn)換發(fā)光核心為釹摻雜稀土納米晶體，其在800 nm近紅外光激發(fā)下，可以發(fā)出850-950 nm和1030-1080 nm兩個波段的近紅外熒光；惰性殼層完全包裹發(fā)光核心，用于增強(qiáng)納米晶體的發(fā)光穩(wěn)定性和發(fā)光效率，同時減少外界環(huán)境(配體和水)對下轉(zhuǎn)換熒光的影響。與傳統(tǒng)包裹惰性殼層方法不同的是，本發(fā)明采用連續(xù)層層生長的包裹惰性殼層的方法，該方法已被證明可以通過控制每次滴加殼層前驅(qū)體的量，實現(xiàn)對殼層厚度的連續(xù)可調(diào)，使得發(fā)光核心被完全包裹，因此用此法包裹的釹摻雜稀土近紅外熒光探針有更高的熒光量子產(chǎn)率與更強(qiáng)的抗淬滅特性。
[0006]本發(fā)明中，所述的下轉(zhuǎn)換發(fā)光核心包括基質(zhì)和發(fā)光中心；其中，基質(zhì)材料為:氟化物、氧化物、硫氧化物或鹵化物；氟化物為:CaF2、BaF2、LaF3> YF3> ZnF2, NaYF4^NaYbF4, LiYF4,KYF4, NaGdF4 或 NaLuF4 ;氧化物為:La203、Y2O3> Yb2O3> Gd2O3 或 Lu2O3 ;硫氧化物為 Y202S、CaS2或La2S3 ;鹵化物為Cs3Lu2Br9 ;發(fā)光中心為Nd3+ ;發(fā)光中心的摩爾含量為0.01%^50% ;該下轉(zhuǎn)換發(fā)光核心能在一定波長的激發(fā)下，發(fā)射出相對應(yīng)的下轉(zhuǎn)換突光。例如800 nm激發(fā)光,發(fā)射出850-950 nm和1030-1080 nm兩個波段的近紅外熒光。
[0007]本發(fā)明中，所述的惰性殼層僅由基質(zhì)組成；其基質(zhì)材料為:氟化物、氧化物，、硫氧化物或鹵化物；氟化物為:CaF2、BaF2, LaF3> YF3> ZnF2, NaYF4, NaYbF4, LiYF4, KYF4, NaGdF4 或NaLuF4 ;氧化物為:La203、Y203、Yb2O3'Gd2O3 或 Lu2O3 ;硫氧化物為 Y2O2S'CaS2 或 La2S3 ;鹵化物為Cs3Lu2Br9 ;惰性殼層用于增強(qiáng)納米晶體的發(fā)光穩(wěn)定性和發(fā)光效率，減少外界環(huán)境對下轉(zhuǎn)換熒光的淬滅。
[0008]本發(fā)明提供上述高效抗淬滅的釹摻雜稀土紅外熒光探針的合成方法，具體步驟如下:
(I)殼層前驅(qū)體的制備:
a、稀土溶液前驅(qū)體的制備:將稀土鹽在真空條件下溶解在高沸點的溶劑當(dāng)中；其中，稀土鹽選自:氯化物、硝酸鹽、醋酸鹽、氧化物、三氟乙酸鹽、乙酰丙酮鹽；包括的稀土元素為 Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb 或 Lu ;高沸點溶劑為:油酸、硬脂酸、癸酸、月桂酸、肉豆蘧酸、棕櫚酸、十八烯、液體石蠟、橄欖油中的一種或者幾種；溶解溫度為20-150攝氏度，優(yōu)選溫度為100-140攝氏度；最終所得溶液的濃度為0.01 mol/L到5mol/L,優(yōu)選濃度為 0.1-2 mol/L ；
b、三氟乙酸鈉/鉀/鋰/鋇溶液的制備:將三氟乙酸鈉/鉀/鋰/鋇鹽，即三氟乙酸鈉或三氟乙酸鉀或三氟乙酸鋰或三氟乙酸鋇，溶解在高沸點溶劑中；高沸點溶劑為:油酸、硬脂酸、癸酸、月桂酸、肉豆蘧酸、棕櫚酸、十八烯、液體石蠟、橄欖油中的一種或者幾種?’溶解溫度為20-150攝氏度，優(yōu)選溫度為30-80攝氏度；最終所得溶液的濃度為0.01 mol/L到5 mol/L，優(yōu)選濃度為0.4 -3 mol/L。
[0009](2)下轉(zhuǎn)換發(fā)光核心的合成:采用油酸、油胺、三正辛基氧膦、十八烯、液體石蠟為高溫溶劑，稀土原料采用稀土氯化物，稀土三氟乙酸鹽，稀土硝酸鹽，或者稀土醋酸鹽；反應(yīng)物還應(yīng)包括氟化銨、氟化鈉、氟化鋰、氟化鉀、氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鋰中的一種或者幾種；在200-320攝氏度、氮氣氣氛下反應(yīng)，即得到分散性和均勻性較好的下轉(zhuǎn)換稀土納米晶體。
[0010](3)核殼結(jié)構(gòu)納米晶體(高效抗淬滅的釹摻雜稀土近紅外熒光探針)的合成:以上一步中制備的下轉(zhuǎn)換下轉(zhuǎn)換稀土納米晶體(即發(fā)光核心)為晶核，在高溫條件下，連續(xù)交替引入殼層前驅(qū)體溶液，引入方式為滴加，溫度為150-340攝氏度；每次引入高沸點稀土溶液前驅(qū)體與三氟乙酸鈉/鉀/鋰/鋇溶液的體積比例為10:1到1:10，優(yōu)選比例為2:1到1: 2。
[0011]本發(fā)明中，通過控制每次滴加殼層前驅(qū)體的量，可以實現(xiàn)對殼層厚度的連續(xù)可調(diào)，是指殼層的厚度可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)方法為改變滴加前驅(qū)體的濃度或者滴加前驅(qū)體的次數(shù)；其中前驅(qū)體的濃度可以為0.01 mol/L到5 mol/L ;滴加次數(shù)可以為I次到100次。
[0012]本發(fā)明所合成的核殼結(jié)構(gòu)納米晶體(高效抗淬滅的釹摻雜稀土近紅外熒光探針)，最終實現(xiàn)了在低熱效應(yīng)800 nm激發(fā)光下，850-950 nm和1030-1080 nm兩個波段的近紅外發(fā)射。通過研究不同殼層厚度下的熒光強(qiáng)度和抗淬滅特性，我們確定了其最佳殼層厚度。與傳統(tǒng)包殼方法相比，連續(xù)層層生長法合成的核殼結(jié)構(gòu)納米晶體(高效抗淬滅的釹摻雜稀土近紅外熒光探針)具有更高的熒光量子產(chǎn)率和更強(qiáng)的抗淬滅效應(yīng)。實驗結(jié)果表明，通過控制每次滴加的殼層前驅(qū)體的量，可以實現(xiàn)對殼層厚度的連續(xù)調(diào)節(jié)，并且殼層厚度具有窄的尺寸分布。本發(fā)明不僅可以極大地提高釹的下轉(zhuǎn)換熒光量子產(chǎn)率與熒光穩(wěn)定性，還能夠極大地降低環(huán)境(溶劑，如水)對釹離子摻雜的下轉(zhuǎn)換熒光的淬滅效應(yīng)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1高效抗淬滅的釹摻雜稀土近紅外熒光材料的結(jié)構(gòu)示意圖與發(fā)光機(jī)理圖。
[0014]圖2利用連續(xù)層層生長法制備的高效抗淬滅的釹摻雜稀土近紅外熒光探針的透射電子顯微鏡照片。
[0015]圖3制備的釹摻雜稀土近紅外熒光材料在800 nm近紅外光激發(fā)下的量子產(chǎn)率圖。
[0016]圖4制備的釹摻雜稀土近紅外熒光材料在轉(zhuǎn)水相前后的熒光淬滅比。

【具體實施方式】
[0017]實施例1:
(I)殼層前驅(qū)體的制備。Gd-OA (0.1 M)前驅(qū)體的制備:取50 mL三口圓底燒瓶為反應(yīng)容器，依次加入2.5 mmol GdCl3,10 mL油酸(0A)，15 mL十八烯(ODE)。在真空和磁力攪拌條件下加熱至140攝氏度并保持I小時，最終得到澄清透明的Gd-OA (0.1 M)前驅(qū)體。
[0018]Na-TFA-OA前驅(qū)體的制備:取25 mL三口圓底燒瓶為反應(yīng)容器，依次加入4 mmol三氟乙酸鈉和10 mL油酸，在真空和攪拌條件下室溫溶解，得到無色透明澄清的Na-TFA-OA前驅(qū)體溶液。
[0019](2)下轉(zhuǎn)換發(fā)光核心的合成。取50 mL三口圓底燒瓶為反應(yīng)容器，首先加入0.95mmol GdCl3J 0.5 mmol NdClJiI后加入6 mL油酸(0A), 15 mL十八稀(0DE)。將上述混合物攪拌加熱至140°C，真空脫水脫氧60分鐘，最終得到透明混合溶液。待該透明溶液冷卻至室溫后，將2.5 mmol NaOH和4 mmol NH4F溶解于10 mL甲醇溶液中混合并且注入上述反應(yīng)溶液中進(jìn)行反應(yīng)。連續(xù)攪拌20分鐘后，將反應(yīng)物在高純氬氣保護(hù)下以10 oC/min的速度升溫至285攝氏度并保溫反應(yīng)100分鐘。待反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)母液冷卻至50 °G后加入乙醇使產(chǎn)物從溶液中沉淀析出，隨后離心，使用無水乙醇反復(fù)洗滌3-5次后得到產(chǎn)物，并將產(chǎn)物溶解于10 mL環(huán)己烷中備用。
[0020](3)核殼結(jié)構(gòu)納米晶體(高效抗淬滅的釹摻雜稀土近紅外熒光探針)的合成。取5 mL上述提純液(?0.5 mmol)于8 mL油酸(0A), 12 mL十八烯(ODE)混合加熱至70攝氏度，在真空條件下保持30分鐘除去反應(yīng)體系中的環(huán)己烷和氧氣。然后將反應(yīng)體系以200Vmin的速度升溫至260攝氏度。然后向反應(yīng)瓶中交替滴加I mL Gd-OA前驅(qū)體和0.5 mLNa-TFA-OA前驅(qū)體。每次滴加的間隔時間為15分鐘。滴加次數(shù)可根據(jù)殼層厚度的需要進(jìn)行調(diào)整。待反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)母液冷卻至50⑷后加入乙醇使產(chǎn)物從溶液中沉淀析出，隨后離心，使用無水乙醇反復(fù)洗滌3-5次后得到產(chǎn)物，并將產(chǎn)物溶解于5 mL環(huán)己烷中備用。
[0021]該實施例中所制備的高效抗淬滅的釹摻雜稀土核殼結(jié)構(gòu)納米晶體可以在800 nm近紅外光激發(fā)下，發(fā)出850-950 nm和1030-1080 nm兩個波段的近紅外熒光。通過熒光量子產(chǎn)率測試，我們發(fā)現(xiàn)采用連續(xù)層層生長法合成的核殼結(jié)構(gòu)納米晶體比用傳統(tǒng)包殼方法合成的核殼結(jié)構(gòu)納米晶體有更高的熒光量子產(chǎn)率。
[0022]實施例2:實施例1中所制備的高效抗淬滅的釹摻雜稀土核殼結(jié)構(gòu)納米晶體的表面是疏水的，通過雙親分子對其修飾可以將所得納米晶體變成水溶性，從而使其具有更好的生物相容性。通過熒光光譜表征，我們發(fā)現(xiàn)，通過連續(xù)層層生長法合成的核殼結(jié)構(gòu)納米晶體比用傳統(tǒng)包殼方法合成的核殼結(jié)構(gòu)納米晶體有更高的抗淬滅效應(yīng)，而且，當(dāng)包裹的殼層越厚，其抗淬滅效應(yīng)越強(qiáng)。
【權(quán)利要求】
1.一種高效抗淬滅的釹摻雜稀土近紅外熒光探針，是一種核殼結(jié)構(gòu)的納米晶體，其特征在于包括下轉(zhuǎn)換發(fā)光核心和惰性殼層兩個部分；其中，下轉(zhuǎn)換發(fā)光核心為釹摻雜稀土納米晶體，其在800 nm近紅外光激發(fā)下，可以發(fā)出850-950 nm和1030-1080 nm兩個波段的近紅外熒光；惰性殼層完全包裹發(fā)光核心，用于增強(qiáng)納米晶體的發(fā)光穩(wěn)定性和發(fā)光效率，同時減少外界環(huán)境對下轉(zhuǎn)換熒光的影響。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效抗淬滅的釹摻雜稀土近紅外熒光探針，其特征在于所述的下轉(zhuǎn)換發(fā)光核心包括基質(zhì)和發(fā)光中心；其中，基質(zhì)材料為:氟化物、氧化物、硫氧化物或鹵化物；氟化物為:CaF2、BaF2, LaF3> YF3> ZnF2, NaYF4, NaYbF4, LiYF4, KYF4, NaGdF4 或NaLuF4 ;氧化物為:La203、Y2O3'Yb2O3'Gd2O3 或 Lu2O3 ;硫氧化物為 Y2O2S'CaS2 或 La2S3 ;鹵化物為Cs3Lu2Br9 ;發(fā)光中心為Nd3+ ;發(fā)光中心的摩爾含量為0.01%?50%。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高效抗淬滅的釹摻雜稀土近紅外熒光探針，其特征在于所述的惰性殼層由基質(zhì)組成；其基質(zhì)材料為:氟化物、氧化物、硫氧化物或鹵化物；氟化物為:CaF2, BaF2, LaF3> YF3> ZnF2, NaYF4, NaYbF4, LiYF4, KYF4, NaGdF4 或 NaLuF4 ;氧化物為:La203、Y2O3> Yb2O3> Gd2O3 或 Lu2O3 ;硫氧化物為 Y202S、CaS2 或 La2S3 ；鹵化物為 Cs3Lu2Br9。
4.一種如權(quán)利要求1?3之一所述的高效抗淬滅釹摻雜稀土紅外熒光探針的合成方法，其特征在于具體步驟為: (O殼層前驅(qū)體的制備: a、稀土溶液前驅(qū)體的制備:在真空條件下將稀土鹽溶解于高沸點的溶劑當(dāng)中；其中，稀土鹽選自:氯化物、硝酸鹽、醋酸鹽、氧化物、三氟乙酸鹽、乙酰丙酮鹽；包括的稀土元素為 Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb 或 Lu ;高沸點溶劑為:油酸、硬脂酸、癸酸、月桂酸、肉豆蘧酸、棕櫚酸、十八烯、液體石蠟、橄欖油中的一種或者幾種；溶解溫度為20-150攝氏度；最終所得溶液的濃度為0.01 mol/L到5 mol/L ； b、三氟乙酸鈉/鉀/鋰/鋇溶液的制備:將三氟乙酸鈉或三氟乙酸鉀或三氟乙酸鋰或三氟乙酸鋇，溶解在高沸點溶劑中；高沸點溶劑為:油酸、硬脂酸、癸酸、月桂酸、肉豆蘧酸、棕櫚酸、十八烯、液體石蠟、橄欖油中的一種或者幾種；溶解溫度為20-150攝氏度；最終所得溶液的濃度為0.01 mol/L到5 mol/L ； (2)下轉(zhuǎn)換發(fā)光核心的合成:采用油酸、油胺、三正辛基氧膦、十八烯、液體石蠟為高溫溶劑，稀土原料采用稀土氯化物、稀土三氟乙酸鹽、稀土硝酸鹽或者稀土醋酸鹽；反應(yīng)物還應(yīng)包括氟化銨、氟化鈉、氟化鋰、氟化鉀、氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鋰中的一種或者幾種；在200-320攝氏度、氮氣氣氛下反應(yīng)，得到分散性和均勻性較好的下轉(zhuǎn)換稀土納米晶體； (3)核殼結(jié)構(gòu)納米晶體即高效抗淬滅的釹摻雜稀土近紅外熒光探針的合成:以上一步中制備的下轉(zhuǎn)換稀土納米晶體為晶核，在150-340攝氏度高溫條件下，連續(xù)交替引入殼層前驅(qū)體溶液，引入方式為滴加；每次引入高沸點稀土溶液前驅(qū)體與三氟乙酸鈉/鉀/鋰/鋇溶液的體積比例為10:1到1:10。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高效抗淬滅釹摻雜稀土紅外熒光探針的合成方法，其特征在于通過控制每次滴加殼層前驅(qū)體的量，實現(xiàn)對殼層厚度的連續(xù)可調(diào)；控制措施為改變滴加前驅(qū)體的濃度或者滴加前驅(qū)體的次數(shù):前驅(qū)體的濃度為0.01 mol/L到5 mol/L，滴加次數(shù)為I次到100次。
【文檔編號】C09K11/61GK104327849SQ201410519536
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月7日
【發(fā)明者】張凡, 王睿 申請人:復(fù)旦大學(xué)