疏水基團修飾的核-殼型NaYF4/NaLuF4∶Yb3+，Tm3+納米粒子設計制備

郎言波，陳 歡，宋維業，趙 丹，秦偉平

(集成光電子學國家重點聯合實驗室吉林大學電子科學與工程學院，吉林長春 130012)

1 引 言

上轉換發光是非線性光學過程。上轉換發光材料能夠吸收光子能量較低的紅外光，發射出能量較高的可見光，在能源、環保、照明、醫療、通信等領域有著巨大的潛在應用價值［1-5］。特別是在生物醫學領域，近年來，稀土摻雜的上轉換發光納米材料作為光頻轉換載體和熒光探針在細胞和組織熒光標記、疾病診斷與治療中受到了廣泛的關注，成為當前的研究熱點［6-9］。隨著激光技術的發展而興起的光動力學治療是一種重要的治療癌癥的手段，具有微創、不良反應小、靶向性高等特點［10］。該種治療方法所采用的光敏劑大都需要吸收紫外光和可見光，而這兩種光都存在著在生物組織內穿透深度較小的問題，在實際應用中一般只能對表面的組織進行治療。而利用稀土離子摻雜的上轉換發光納米顆粒作為光頻轉換載體，可以將位于生物組織透射窗口的紅外光轉換為光敏劑可吸收的紫外光和可見光，因此能夠提高激發光的穿透深度，實現對較深層組織的光動力學治療。科研人員制備了光敏劑酞菁鋅/上轉換納米粒子復合材料，并進行了紅外光動力學治療的原理性實驗［11］。最近，劉莊研究組又將有機聚合物量子點與光敏劑和上轉換納米粒子相復合，開展了集熒光標記、光動力學治療等多功能為一體的生物探針研究［12-13］。在這些光敏劑/納米粒子復合材料的相關研究中，對稀土摻雜的上轉換納米材料有一定的要求:(1)作為復合材料重要的組成部分，上轉換納米粒子的尺寸應小于30 nm，以控制復合材料的尺寸;(2)上轉換納米粒子表面應修飾疏水基團，以實現納米粒子與光敏劑、有機量子點等疏水材料有效結合;(3)納米粒子的上轉換發光強度高，以保證復合材料能進行有效的光頻轉換和能量傳遞。

Na RE F4是公認的優異上轉換發光基質材料。Na RE F4基質普遍具有六角相和立方相兩種晶相。在相同濃度的敏化劑離子(一般為Yb3+)和發光離子(Er3+、Tm3+等)摻雜的情況下，六角相Na RE F4(β-Na RE F4)具有較高的上轉換發光效率。與六角相Na RE F4相比，立方相Na RE F4(α-Na RE F4)在發光閾值、發光強度上都較為遜色。傳統的制備小尺寸油溶性六角相Na RE F4的方法為高溫熱分解法，需要高于300℃的高溫和精密的溫度、保護氣氛氣流等反應條件控制才能獲得尺寸均勻的六角相納米粒子。我們利用異質核誘導的方法，調控納米粒子的尺寸;通過簡單的溶劑熱反應，以油酸為表面活性劑，成功制備了尺寸小于20 nm的油溶性具有核-殼結構的 NaYF4/NaLuF4∶20%Yb3+，1%Tm3+納米粒子。將納米粒子分散在環己烷中能夠形成清澈透明的溶液。該溶液在980 nm近紅外光激發下，發射出明亮的藍紫色光。由于表面修飾了疏水性的油酸根基團，納米粒子可以很好地和疏水性光敏劑結合，在光動力學治療上有潛在的應用價值。

2 實 驗

2.1 試劑和儀器

反應試劑:稀土氯化物RE Cl3·6H2O(YCl3·6H2O、YbCl3·6H2O、TmCl3·6H2O，99.9%，山東魚臺精細化工廠)，油酸(OA，90%，Alfa Aesar)，二水合氟化鉀、氫氧化鈉(北京化工試劑廠)，無水乙醇、環己烷(分析純，北京化工試劑廠)。以上試劑或溶劑均為直接應用，未經過進一步的提純處理。

實驗儀器:利用Model Rigaku RU-200bx進行X射線衍射測試(電壓40 kV，電流20mA，輻射源為Cu靶Kα射線，鎳單色器濾波，λ=0.154 06 nm);使用日立H-600透射電子顯微鏡進行納米材料粒徑與形貌的表征;采用日立F-4500熒光分光光度計進行樣品上轉換光譜的測試，激發光源選用980 nm的半導體二極管激光器;溶液照片采用Nikon D300s商品照相機拍攝。所有測試均在室溫下進行。

2.2 樣品制備

2.2.1 NaYF4核納米粒子的制備

在油酸環境下，以生成的油酸鈉作為表面活性劑，利用溶劑熱的方法合成了疏水表面的納米粒子。量取20 mL油酸、10 mL乙醇和2 mL去離子水攪拌混合。稱取0.6 g NaOH固體加入到混合溶液中，攪拌至充分溶解，獲得澄清的溶液A。稱取0.5 mmol的YCl3·6H2O固體，溶解在4 mL去離子水中。將該溶液滴加進混合溶液A中，強力攪拌0.5 h，獲得溶液 B。稱取2 mmol KF·2H2O固體，充分溶解在4 mL的去離子水中，將其滴加進溶液B中，繼續攪拌0.5 h。最后，將混合溶液平均轉移至兩個30mL聚四氟乙烯內襯的高壓反應釜中，密封，置于160℃的烘箱中加熱8 h，獲得NaYF4核納米粒子。

2.2.2 以NaYF4納米晶為核誘導制備 NaYF4/NaLuF4異質核-殼納米粒子

量取10 mL油酸、5 mL乙醇和1 mL去離子水充分攪拌，加入0.3 g NaOH固體，在100 mL燒杯中攪拌至溶液澄清透明。將第一步得到的含核液體的一半加入其中，攪拌0.5 h。稱取化學計量比的 LuCl3·6H2O、YbCl3·6H2O、TmCl3·6H2O(n(Lu)∶n(Yb)∶n(Tm)=79∶20∶1)共計 0.25 mmol，溶解于2 mL水中，滴加入燒杯。稱取2 mmol的KF·2H2O固體溶解在2 mL水中，滴加進燒杯中，繼續攪拌0.5 h。分裝進兩個有聚四氟乙烯的高壓反應釜，置于160℃的鼓風烘箱中加熱8 h。待反應自然冷卻到室溫，分裝進入離心管中，使用乙醇對其中的納米粒子進行沉淀，離心洗滌，分別分散在環己烷中和放在真空干燥箱中烘干，進行下一步測試。

3 結果與討論

3.1 結構與形貌表征

對所獲得的材料進行XRD 測試，獲得了核和誘導后獲得的樣品的結構信息。圖1為樣品的XRD圖譜和立方相NaYF4(α-NaYF4)晶體、六角相NaLuF4晶體的標準衍射譜。從圖中可以看出核的各個衍射峰與立方相NaYF4晶體的各個衍射峰相匹配，而且衍射峰較寬。通過謝樂公式計算可知，納米晶的尺寸約為10～15 nm左右。我們以該NaYF4納米晶為核，在反應過程中加入了異質NaLuF4前驅體，進行了誘導實驗。樣品的XRD圖譜除了立方相NaYF4的衍射峰以外，出現了明顯的新衍射峰。這些衍射峰與六角相NaLuF4(β-NaLuF4)晶體標準衍射圖 JCPDS No.27-726中的衍射峰一一對應。這說明以立方相NaYF4納米晶為核誘導生成了六角相的NaLuF4。根據反應機理［14］，我們認為已成功合成了 α-NaYF4/β-NaLuF4納米粒子。

為了進一步證明納米粒子的核-殼結構，我們進行了透射電鏡表征。利用日立H-600透射電子顯微鏡獲得了所合成立方相NaYF4核納米晶和α-NaYF4/β-NaLuF4納米粒子的形貌、尺寸和特征照片。另外，將核與α-NaYF4/β-NaLuF4納米粒子分別分散在環己烷中形成透明澄清的溶液，利用激光動態光散射，測試了核與 α-NaYF4/β-NaLuF4納米粒子的尺寸分布。圖2(a)為NaYF4核的透射電鏡照片，可以看出核納米粒子大都呈比較規則的方形，這與通過XRD獲得納米粒子為立方相的結論相一致。納米粒子的粒徑在10～15 nm之間，與利用XRD譜圖通過謝樂公式計算獲得的尺寸一致。由于疏水表面活性劑的作用，納米粒子呈一定程度的規則排列。圖2(c)為核納米晶利用動態光散射測量的尺寸分布結果。從圖中可以看出，核納米晶的尺寸分布較窄，大多數粒子的尺寸在15 nm左右。激光動態光散射測量的是粒子在溶液中的尺寸，由于粒子表面修飾了疏水基團，所以尺寸略大于透射電鏡觀察的結果。圖2(b)為誘導反應后制備的α-NaYF4/β-NaLuF4納米粒子的透射電鏡照片，可以看出在異質核的誘導下生成的納米粒子呈現出不規則的形貌，方形納米晶的棱角變得平滑，逐漸生長成球形納米粒子。粒徑尺寸也相應變大，達到了20 nm左右。根據上述測試結果，我們認為已生成了α-NaYF4/β-NaLuF4核-殼型納米粒子。圖 2(d)為 α-NaYF4/β-NaLuF4納米粒子利用動態光散射測量的尺寸分布，可以更明顯地看出納米粒子尺寸增大。α-NaYF4/β-NaLuF4納米粒子的尺寸分布較窄，尺寸在20 nm左右的納米粒子居多。動態光散射測試結果與透射電鏡照片所反映出的粒子尺寸基本一致。

圖1 核納米粒子、NaYF4/NaLuF4∶Yb，Tm納米粒子的XRD衍射圖譜以及立方相NaYF4晶體、六角相NaLuF4晶體的標準衍射圖譜。Fig.1 XRD patterns of core nanoparticles and NaYF4/NaLuF4∶Yb，Tm nanoparticles，and standard XRD patterns of α-NaYF4 crystals(JCPDS No.6-342)and β-NaLuF4 crystals(JCPDSNo.27-726).

圖2 (a)NaYF4核納米粒子的透射電鏡照片;(b)具有核-殼結構的α-NaYF4/β-NaLuF4∶20%Yb，1%Tm納米粒子的透射電鏡照片;(c)NaYF4核納米粒子的動態光散射測試尺寸分布圖;(d)核-殼結構α-NaYF4/β-NaLuF4∶20%Yb，1%Tm納米粒子的動態光散射測試尺寸分布圖。Fig.2 (a)TEM images of NaYF4 core nanoparticles.(b)TEM images of α-NaYF4/β-NaLuF4∶20%Yb，1%Tm core-shell nanoparticles.(c)Size distribution of NaYF4 core nanoparticles.(d)Size distribution ofα-NaYF4/β-NaLuF4∶20%Yb，1%Tm core-shell nanoparticles.

3.2 表面修飾疏水基團表征

圖 3 α-NaYF4/β-NaLuF4∶20%Yb，1%Tm 納米粒子的傅里葉變換紅外光譜Fig.3 FTIR spectrum of α-NaYF4/β-NaLuF4∶20%Yb，1%Tm nanoparticles

將干燥后的核 NaYF4納米晶與 NaYF4/NaLuF4∶Yb，Tm納米粒子固體粉末分別與光譜純的KBr以1∶100的質量比混合并壓片，利用傅里葉變換紅外光譜儀對壓片進行分析，獲得納米粒子的紅外光譜。在圖3中，3 000～2 800 cm－1處的強峰是C—H鍵的對稱與反對稱伸縮振動，1 430～1 290 cm－1之間是C—H的面內彎曲運動，說明在樣品中存在有機C—H鍵。在1 700 cm－1左右有一較強的吸收峰，歸屬于不飽和基團 ==C O的伸縮振動，反映了樣品中羧基的存在。同樣在1 700 cm－1左右還存在一個 ==C C的吸收峰，但由于強度較低而被 ==C O吸收峰所掩蓋。在納米粒子的制備過程中，我們加入油酸作為表面活性劑。紅外光譜表明，在納米粒子表面已修飾了疏水性的基團。生成的核 NaYF4納米晶與NaYF4/NaLuF4∶Yb，Tm納米粒子可以分散在環己烷中，形成透明澄清的溶液，也說明在納米粒子表面修飾了疏水基團。

3.3 發光特性表征

為了研究樣品的發光性質，我們將制備的NaYF4/NaLuF4∶20%Yb，1%Tm 納米粒子分散在環己烷溶液中。圖4(a)為核-殼NaYF4/NaLuF4∶20%Yb，1%Tm納米粒子分散在環己烷中的照片。從照片中可以看出納米粒子在環己烷中形成透明澄清的溶液，背景的字跡清晰可見，證明納米粒子在環己烷中的分散性非常好。由于在六角相的NaLuF4殼層中摻雜了Yb和Tm離子，實驗制備的樣品可以吸收980 nm的近紅外光，通過光子上轉換過程，發射紫外和可見光。圖4(b)為在980 nm 近紅外光激發下，NaYF4/NaLuF4∶20%Yb，1%Tm納米粒子的發光照片。從圖中可以看出，溶液發出了肉眼可見的明亮的藍紫色光。納米粒子良好的分散性和疏水性的表面為其與脂溶性的光敏劑相結合提供了非常有利的條件。

圖 4 (a) α-NaYF4/β-NaLuF4∶20%Yb，1%Tm 納米粒子分散在環己烷中的照片;(b)在980 nm紅外光激發下的 α-NaYF4/β-NaLuF4∶20%Yb，1%Tm 納米粒子環己烷溶液的發光照片。Fig.4 (a)Photograph of α-NaYF4/β-NaLuF4∶20%Yb，1%Tm nanoparticles dispersed in cyclohexane.(b)Emission photograph ofα-NaYF4/β-NaLuF4∶20%Yb，1%Tm nanoparticles solution under 980 nm laser excitation.

為了研究核-殼納米粒子的發光性質，我們同樣利用溶劑熱方法，在沒有異質核誘導的條件下，制備了相同尺寸的NaLuF4∶20%Yb，1%Tm納米粒子作為對照材料，其XRD衍射圖譜與圖2(a)相似。因此我們確定在相同的制備條件下，沒有異質核存在，獲得的納米粒子是單純的立方相。將立方相的NaLuF4∶20%Yb，1%Tm 納米粒子和核-殼 NaYF4/NaLuF4∶20%Yb，1%Tm 納米粒子以相同的濃度分散在環己烷溶劑中，利用F-4500熒光分光光度計，獲得了兩種溶液在相同激發密度的980 nm紅外光激發下的熒光光譜(圖5)。在光譜圖中，兩種材料均呈現出Tm3+離子的特征發射峰，但是核殼 NaYF4/NaLuF4∶20%Yb，1%Tm納米粒子的發光強度明顯高于立方相的NaLuF4∶20%Yb，1%Tm納米粒子。根據異質核誘導制備核-殼納米粒子的反應機理［14］，我們認為通過異質核的誘導，生成了β相的NaLuF4殼層。對于NaLuF4晶體材料來講，立方相的對稱性較高，六角相的對稱性較低。稀土離子的發光來自于4f電子組態內的躍遷，這種躍遷是宇稱禁戒的，但是由于晶體場的作用，躍遷禁戒“部分解除”，而使得稀土的4f電子組態內的躍遷可以發生，獲得稀土離子的特征發光。因此，基質的晶體結構對稀土發光中心離子的發光有很大的影響。我們認為在核-殼 NaYF4/NaLuF4∶20%Yb，1%Tm 納米粒子中，Tm離子摻雜在β相的NaLuF4殼層中;而在NaLuF4∶20%Yb，1%Tm 納米粒子中，Tm 離子摻雜在立方相基質中。雖然摻雜離子的濃度和兩種納米粒子的尺寸都相近，但是與對稱性較高的立方相晶體環境相比，在對稱性較低的六角相晶體環境中，Tm離子的宇稱禁戒更易解除，特征發光強度較高。

圖5 在980 nm的近紅外光激發下，異質核殼誘導生成的 α-NaYF4/β-NaLuF4∶20%Yb，1%Tm 納米粒子與立方相NaLuF4∶20%Yb，1%Tm納米粒子的上轉換發射光譜。Fig.5 UC emission spectra of α-NaYF4/β-NaLuF4∶20%Yb，1%Tm and α-NaLuF4∶20%Yb，1%Tm nanoparticles under 980 nm NIR excitation

為了更好地理解以Yb3+離子作為敏化劑的Tm3+離子的上轉換發光過程，我們給出了可能的上轉換能量傳遞及發光機理示意圖，見圖6。在Yb3+和Tm3+共摻雜系統中，紅外光泵浦的藍紫色上轉換發光機制已經研究得比較成熟。在圖6所示的能量傳遞示意圖中，給出了樣品各個上轉換發射峰的電子布居過程。位于～290 nm的紫外發射來自于1I6→3H4躍遷，～345 nm的發射峰來自于1I6→3F4躍遷，～362 nm的發射峰來自于1D2→3H6躍遷，～450 nm的發射峰來自于1D2→3F4躍遷，～480 nm的發射峰則來自1G4→3H6的躍遷。在可見光區域中，最強的發射峰位于450 nm和480 nm，所以肉眼觀察會看到明亮的藍紫色發光。在這里我們給出了Yb3+向Tm3+離子能量傳遞的可能過程。Yb3+離子在980 nm處有較大的吸收截面，可吸收近紅外光并將能量傳遞給相鄰的Tm3+離子，使電子布居在3H5、3F2(3F3)和1G4能級。通過3F2(3F3)→3H6(Tm3+):3H5→1D2(Tm3+)的交叉馳豫過程可實現Tm離子1D2能級的布居。隨著交叉馳豫的發生，Tm3+離子在1D2能級上布居數增多，使得2F5/2→2F7/2(Yb3+):1D2→3P2(Tm3+)過程得以發生。3P2能級上的電子經過無輻射弛豫過程到達1I6能級，通過輻射躍遷產生強的紫外上轉換發光。

圖6 合成的納米材料的上轉換能量傳遞及發光機理示意圖Fig.6 Schematic diagram of Yb3+-Tm3+energy transfer and emittingmechanism of the as prepared nanomaterial

4 結 論

采用溶劑熱方法，以油酸作為表面活性劑，在相對溫和的條件下，成功合成了NaYF4/NaLuF4∶20%Yb，1%Tm核-殼結構納米粒子。合成的核-殼結構納米粒子尺寸在20 nm以下，具有六角相的NaLuF4殼層。納米粒子的表面成功地修飾了油酸基團，使其具有疏水表面。核-殼納米粒子可以在環己烷或其他有機溶劑中良好分散形成透明澄清的溶液。在980 nm紅外光激發下，分散核-殼納米粒子的溶液發出明亮的藍紫光，在光譜的紫外區和藍紫區存在較強的上轉換發光峰。以上結果表明，利用異質核誘導的方法制備的核-殼型納米粒子在生物醫學領域具有潛在的應用價值。

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