核殼NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2上轉換納米顆粒的合成、葉酸修飾及性能研究

吳　灝，劉美芳，齊　澤，梁旭華，胡曉云，樊　君

(1. 西北大學 化工學院， 西安 710069; 2. 西北大學 物理學院， 西安 710069)

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核殼NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2上轉換納米顆粒的合成、葉酸修飾及性能研究

吳灝1，劉美芳1，齊澤1，梁旭華1，胡曉云2，樊君1

(1. 西北大學 化工學院， 西安 710069; 2. 西北大學 物理學院， 西安 710069)

采用水熱法成功制備了NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2核殼結構上轉換發(fā)光納米粒子(upconversion nanoparticles, UCNPs)，并用葉酸對其表面進行了修飾，繼而通過TEM、XRD、FT-IR、BET以及上轉換發(fā)射光譜對其形貌、結構和光學性質進行了表征。結果表明，制備的NaYF4∶Yb3+,Er3+納米顆粒為純立方相，表面均勻地包覆了一層SiO2，顯示出明顯的核-殼結構，平均粒徑為80 nm，并且葉酸成功修飾在NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2樣品表面。在980 nm近紅外光激發(fā)下，該UCNPs具有良好的上轉換發(fā)光效果，其主要發(fā)射峰位于524，541和655 nm波長處。該研究可以為開發(fā)兼具生物成像和良好載藥性能的靶向藥物載體提供一定的參考。

水熱法；核殼結構；稀土摻雜；上轉換發(fā)光；葉酸修飾

0　引　言

稀土離子豐富的能級和4f電子的躍遷特性使其具有優(yōu)良的發(fā)光性能[1]。近年來，稀土發(fā)光材料越來越廣泛地應用于節(jié)能照明、電子信息產(chǎn)業(yè)、熒光顯示及生物醫(yī)學等領域，其中稀土上轉換發(fā)光納米晶(UCNPs)更是成為研究熱點之一[2-4]。UCNPs具備諸多優(yōu)點，它能夠吸收紅外光，發(fā)射可見光，可有效避免生物體自體熒光的干擾[5]；其次，紅外光對生物組織具有良好的穿透能力，對生物樣品造成的光損傷較小[6]；另外，上轉換納米顆粒毒性低、化學穩(wěn)定性好、發(fā)光強度高、光學性質可調并且Stokes位移大[7-8]。

上轉換發(fā)光材料在過去30年中的應用主要集中在玻璃陶瓷和晶體材料[9-10]。隨著納米科技和生物醫(yī)學技術的迅速發(fā)展，研究者才開始關注其在生物醫(yī)學等各個方面的應用，并迅速成為非常活躍的研究領域，顯示出非常廣闊的應用前景[11]。由于納米顆粒親水性差，導致UCNPs生物兼容性差[12-13]，因此有必要對納米顆粒進行表面修飾，以提高其分散性、表面活性以及和其它顆粒之間的相容性。目前，修飾所得UCNPs主要為核殼型，其可以充分發(fā)揮內(nèi)核材料和外殼材料自身的優(yōu)勢[14]，在外殼材料影響下，內(nèi)核材料的物理、化學、機械性能都會有所調整，甚至會有新性能出現(xiàn)[15-17]。

鑒于核殼型稀土摻雜UCNPs是目前較為新穎且發(fā)光效率高的上轉換納米晶，本研究探索出了一種合適的工藝條件以及稀土摻雜種類與摻雜量，利用水熱法合成出粒徑小且分布均勻、發(fā)光強度足夠高的UCNPs，并且對其結構、光學性質以及核孔分布進行了較為深入的研究。

1　實　驗

1．1NaYF4∶Yb3+,Er3+UCNPs的制備

0.3831 g Y(NO3)3·6H2O溶解于10 mL去離子水中，配制成0.1 mol/L硝酸釔溶液；0.2246 g Yb(NO3)3·5H2O溶解于5 mL去離子水中，配置成0.1 mol/L硝酸鐿溶液；0.2319 g Er(NO3)3·6H2O溶解于5 mL去離子水中，配置成0.1 mol/L硝酸鉺溶液；0.2941 g檸檬酸三鈉溶解于10 mL去離子水中，配置成0.1 mol/L檸檬酸三鈉溶液；0.6298 g NaF溶解于15 mL去離子水中，配置成1.0 mol/L氟化鈉溶液。

分別取8.8 mL硝酸釔溶液、1.0 mL硝酸鐿溶液、0.2 mL硝酸鉺溶液、7.5 mL檸檬酸三鈉溶液混合均勻；依次加入25 mL無水乙醇、0.2 g CTAB、12 mL氟化鈉溶液，均勻攪拌1 h；向混合液中加入2 mL HNO3，180 ℃水熱反應4 h，冷卻至室溫；在8 000 r/min離心機中離心，用無水乙醇和去離子水洗滌數(shù)次，70 ℃干燥4 h，所得產(chǎn)物記為NaYF4∶Yb3+,Er3+UCNPs。

1．2NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2UCNPs的制備

稱取0.1 g NaYF4∶Yb3+,Er3+UCNPs超聲分散到80 mL乙醇中，在磁力攪拌條件下依次向該溶液中加入20 mL去離子水，1 mL 28%氨水，0.02 g TEOS，室溫攪拌6 h；離心，水洗3次、醇洗1次，70 ℃干燥12 h；所得產(chǎn)物重新分散到含0.3 g CTAB，80 mL蒸餾水，1 mL 28%氨水，60 mL乙醇溶液中，攪拌0.5 h，逐滴加入適量TEOS，繼續(xù)反應6 h。醇洗、水洗多次，70 ℃干燥12 h；將產(chǎn)物超聲分散在鹽酸和無水乙醇混合溶液中(m(HCl)∶m(CH3CH2OH)=0.12∶1)，水浴室溫攪拌4 h除去CTAB，離心后重復上述超聲分散及水浴攪拌操作，所得產(chǎn)物記為NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2UCNPs。

1．3NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2UCNPs的葉酸修飾

分別量取5 mL乙醇，250 μL蒸餾水，攪拌均勻，用醋酸(3%～5%)調節(jié)pH值至4.5～5.5；向該溶液中加入100 μL APTES，攪拌條件下水解5 min，促進烷氧基水解；水解完成后，加入20 mg NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2UCNPs，室溫攪拌1 h；醇洗多次，70 ℃干燥12 h，所得產(chǎn)物記為NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2-NH2UCNPs。

然后，進一步葉酸修飾。按照摩爾比(n(FA)∶n(EDC·HCl)∶n(HOSU)=1∶1∶2.5)[18]，將1 mg葉酸加入到含5 mL EDC·HCl (0.6 mg/mL)、5 mL HOSU (0.4 mg/mL)的適量DMSO溶液中，攪拌2 h，再加入氨基功能化的NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2UCNPs室溫攪拌12 h，醇洗兩次，70 ℃干燥4 h；所得產(chǎn)物記為NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2-FA UCNPs。其制備過程如圖1。

圖1NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2-FA合成示意圖

Fig 1 Schematic illustration of the formation process of NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2-FA

1．4樣品的性能及表征

將制備的樣品結構通過D8 Focus型X射線衍射儀(XRD)進行分析，掃描范圍為10～90°,步長為5°/min；利用乙醇超聲分散30 min滴加到銅網(wǎng)上自然干燥得到測試試樣，采用TecnaiG2F20型透射電子顯微鏡(TEM)觀察了所制備納米顆粒的形 貌和尺寸；采用KBr壓片法制備樣品，并通過580B型傅立葉變換紅外光譜儀進行樣品紅外光譜分析,波長范圍4 000～400 cm-1；采用980 nm激發(fā)器及Hitachi F-7000熒光光譜儀對樣品的發(fā)光性能進行測試分析；樣品的孔性能采用ASAP 2020M型比表面積及微孔孔隙分析儀測得，其中，表面積通過Brunauer-Emmett-Teller (BET)方法計算獲得，孔徑通過Barrett-Joyner-Halenda (BJH)方法計算獲得。

2　結果與討論

2.1樣品結構

對水熱法制備的NaYF4∶Yb3+,Er3+和NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2UCNPs進行XRD分析。如圖2所示，NaYF4∶Yb3+,Er3+UCNPs的主要衍射峰位置和相對強度與立方相標準卡(JCPDS 06-0342)吻合，表明所得NaYF4晶體為純立方相。譜圖中無其它雜質衍射峰，說明在設計的水熱體系中，離子對Yb3+-Er3+很容易摻雜到NaYF4基質晶格中，顯示出樣品具有較高純度，這對獲取高強度熒光非常有益。而經(jīng)過SiO2包覆后，所得樣品衍射峰仍與標準卡(JCPDS 06-0342)吻合，說明了SiO2包覆不改變NaYF4∶Yb3+,Er3+UCNPs的晶體結構。樣品高強度和尖銳的衍射峰進一步表明α-NaYF4樣品具有良好的結晶性。

圖2NaYF4∶Yb3+,Er3+和NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2UCNPs的XRD圖譜

Fig 2 XRD patterns of the NaYF4∶Yb3+,Er3+and NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2UCNPs

2.2樣品形貌

采用TEM觀察所制備UCNPs的形貌和尺寸，圖3分別是低放大倍數(shù)的電鏡照片和高放大倍數(shù)的電鏡照片。如圖3(a)所示，NaYF4∶Yb3+,Er3+UCNPs單分散性好，無團聚現(xiàn)象，包覆后形成球形或近球形顆粒，平均粒徑為80 nm。由圖3(b)可清晰地看出NaYF4∶Yb3+,Er3+UCNPs均勻地包覆了一層SiO2層，包覆后UCNPs顯示出核-殼結構，包裹層厚度大約在4～8 nm。

2.3紅外光譜(FT-IR)分析

圖4分別給出了NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2，NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2-NH2，NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2-FA UCNPs的紅外吸收光譜圖。

圖3NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2納米粒子透射電鏡圖

Fig 3 TEM images of pure NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2with low and high magnification

圖4　樣品紅外吸收光譜圖

由曲線(a)可見，在3 446 cm-1處有—OH的振動峰；1 082、806 cm-1處有Si—O—Si的反對稱與對稱伸縮振動峰；955 cm-1處有Si—OH的對稱伸縮振動峰；456 cm-1處有Si—O的對稱伸縮振動峰，表明NaYF4∶Yb3+,Er3+UCNPs表面成功包覆SiO2。在曲線(b)中，可以觀察到1 643 cm-1處有N—H的振動吸收峰，1 394 cm-1處有C—N的振動吸收峰，說明在NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2UCNPs粒子表面修飾了—NH2。與曲線(b)相比，曲線(c)新增了在2 923 cm-1處—CH3的振動吸收峰和1 528 cm-1附近COO—的振動吸收峰，表明FA配體已成功地接到了NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2UCNPs上。

2.4上轉換發(fā)射光譜分析

圖5為980 nm激發(fā)的NaYF4∶Yb3+,Er3+和NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2上轉換發(fā)射光譜圖。如圖所示，NaYF4∶Yb3+,Er3+粒子主要發(fā)射帶位于波長為524，541，655 nm處，分別來自于Er3+的4S3/2能級，2H11/2能級和4F9/2能級向基態(tài)的躍遷，表明了Yb、Er摻雜的NaYF4材料有良好的上轉換發(fā)光效果。從該圖還可以看出NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2UCNPs比NaYF4∶Yb3+,Er3+UCNPs上轉換發(fā)射光要強大約1.6倍，兩者之間的發(fā)射光光譜形狀一致。說明核殼結構的NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2UCNPs更容易實現(xiàn)高光子過程的熒光輻射，這是由于SiO2的包覆修復了表面缺陷和發(fā)光猝滅中心，使得UCNPs的正常發(fā)光中心數(shù)量增加，同時SiO2包覆后還能夠促進表面發(fā)光中心4F7/2—2H11/2,4S3/2的弛豫，增加2H11/2,4S3/2能級數(shù)，最終使包覆后UCNPs相對未包覆UCNPs發(fā)光增強。圖6為NaYF4∶Yb3+,Er3+能級躍遷圖。

圖5980 nm激發(fā)的NaYF4∶Yb3+,Er3+和NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2上轉換發(fā)射光譜圖

Fig 5 Upconversion emission spectra of NaYF4∶Yb3+,Er3+and NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2under 980 nm near infrared light excitation

圖6　NaYF4∶Yb3+, Er3+的能級躍遷圖

首先，在980 nm處近紅外光激發(fā)下，Yb3+的一個電子從2F7/2躍遷到4F5/2能級。當該電子返回到基態(tài)(2F7/2)時，能量無輻射轉移至Er3+，導致Er3+的4I11/2得到填充。隨后Er3+的4I11/2～4I13/2的無輻射弛豫也填充4I13/2能級。然后在第二個980 nm光子激發(fā)下，Yb3+的激發(fā)態(tài)能量轉移并填充Er3+位于可見光區(qū)的4F7/2高能量狀態(tài)，Er3+可以通過快速多聲子衰變過程無輻射釋放到2H11/2和4S3/2能級。當這些電子再次返回基態(tài)，在521 nm(2H11/2→4I15/2)和542 nm(4S3/2→4I15/2)處發(fā)射出綠光。另外，Er3+可以進一步激發(fā)并填充4F9/2能級，隨后大多數(shù)輻射至基態(tài)4I15/2，發(fā)射出656 nm的紅光[19-20]。

2.5樣品的孔性能

由圖7可知，該UCNPs吸附-脫附曲線屬于Ⅳ型等溫線，該圖在整個壓力范圍內(nèi)表現(xiàn)為前半段斜率較小，上升緩慢，后半段急劇上升，由于介孔孔道內(nèi)出現(xiàn)毛細凝聚現(xiàn)象，致使吸附線和脫附線不能重合出現(xiàn)滯后環(huán)。

不同材料的吸附-脫附曲線形狀是不同的，這反映了多孔固體吸附材料的孔結構差異。UCNPs吸附分支與脫附分支的分離發(fā)生在相對壓力為0.1左右處，在相對壓力為0.8～1.0之間時，2個分支都陡，所反映的是一種典型的核殼型結構。NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2UCNPs比表面積和孔體積為22.775 m2/g和0.0694 cm3/g。孔尺寸分布曲線反映了孔隙尺寸在9.47 nm處有窄的頂點中心以及高孔體積，這些數(shù)據(jù)表明包覆了致密和介孔雙層SiO2的UCNPs可以作為存儲藥物分子的載體。

圖7NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2納米粒子吸附脫附及孔尺寸分布曲線

Fig 7 The nitrogen adsorption desorption curves of NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2nanoparticles and the pore size distribution curve (inset in figure 7)

3　結　論

通過水熱法制備的NaYF4∶Yb3+,Er3+UCNPs為立方型晶型，平均粒徑為80 nm。包覆兩層SiO2的UCNPs為核殼結構，單分散性好，包覆層厚度為4～8 nm，包覆后納米顆粒具有高的孔體積和比表面積。由于SiO2的包覆修復了NaYF4∶Yb3+,Er3+UCNPs的表面缺陷和發(fā)光猝滅中心，使其上轉換發(fā)射光增強了1.6倍，因此具有良好的上轉換發(fā)光效果。最后將葉酸成功修飾在NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2UCNPs表面，使得該UCNPs具有良好的腫瘤靶向性及生物相容性。本研究表明該UCNPs在藥物輸送和生物成像方面具有很大的應用潛力。

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Synthesis, folic acid modification and characterization of core-shell structured upconversion NaYF4∶ Yb3+, Er3+@nSiO2@mSiO2nanoparticles

WU Hao1, LIU Meifang1, QI Ze1, LIANG Xuhua1, HU Xiaoyun2, FAN Jun1

(1. School of Chemical Engineering, Northwest University, Xi’an 710069, China;2. School of Physics, Northwest University, Xi’an 710069, China)

Core-shell structure NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2nanoparticles were synthesized via hydrothermal method and modified by folic acid, then the structure and luminescence property of the samples were characterized by XRD, TEM, FT-IR, BET and upconversion luminescence spectrum. The results show that the obtained nanoparticles are cubic phase and uniformly coated with a layer of transparent SiO2, which possess obvious spherical core-shell structure with average size of 80 nm. The results in present research indicate that the folic acid is successfully modified on the surface of UCNPs. The UCNPs has a good up-conversion luminescent effect and the main emission peak is located in 524, 541, 655 nm. This study may provide a new idea to the development of drug carrier target which possess both biological imaging and good drug loading properties.

hydrothermal method; core-shell structure; rare earth doping; up-conversion luminescent; folic acid modification

1001-9731(2016)05-05111-05

國家自然科學基金資助項目(21176199, 51372201, 21306150)；國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃資助項目(201410697007)

2015-03-10

2015-09-10 通訊作者：樊君，E-mail: fanjun@nwu.edu.cn

吳灝(1992-)，男，西安人，本科生，師承樊君教授，從事納米復合材料研究。

TB333；TB34

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.05.020