微乳液法制備上轉(zhuǎn)換納米粒子組裝體的綜合實驗設(shè)計

＊張 振

（中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 廣東 510006）

上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米粒子（Upconversion Nanoparticles，UCNPs）是一類稀土摻雜的無機(jī)納米發(fā)光材料[1-5]，因其所用的稀土離子具有豐富的電子能級和長壽命的亞穩(wěn)態(tài)能級，從而導(dǎo)致處于中間亞穩(wěn)態(tài)能級的電子可以連續(xù)吸收兩個或多個低能量的光子，發(fā)射出高能量短波長的光子。UCNPs所吸收的光源為近紅外光，其波長范圍在780～2500nm之間，生物組織對該波段的光吸收很低，造成NIR組織穿透能力強(qiáng)，又因NIR自身能量較低，對生物組織的傷害也較小，促使充當(dāng)能量轉(zhuǎn)換器的UCNPs平臺在生物成像、分子檢測、光遺傳學(xué)、光動力療法（PDT）、光控藥物/生物分子釋放等諸多領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注。因上述應(yīng)用使用的分子大多僅對紫外或可見光具有敏感性，這也就是為何一定要將NIR上轉(zhuǎn)換的重要原因之一[6-9]。當(dāng)前，得益于成熟的合成技術(shù)和對上轉(zhuǎn)換發(fā)光機(jī)理系統(tǒng)全面的研究，UCNPs的發(fā)射光波段范圍已覆蓋紫外到可見光的整個光譜區(qū)域（圖1）。

圖1 上轉(zhuǎn)換納米粒子示意圖

目前，對UCNPs材料的研究主要集中在對其上轉(zhuǎn)換機(jī)理、發(fā)光增強(qiáng)和材料可控合成這幾個方面，其中通過多種合成手段，不同尺寸和形狀的UCNPs已被成功制備，但這些合成步驟和操作過程較為復(fù)雜，且大多涉及高溫反應(yīng)，存在安全隱患，不適合在教學(xué)實驗中進(jìn)行。

近些年，自組裝在現(xiàn)代科學(xué)和技術(shù)中扮演越來越重要的角色，以有機(jī)或無機(jī)粒子作為構(gòu)造單元，通過調(diào)控粒子之間的相互作用構(gòu)筑各種尺寸和結(jié)構(gòu)的高級粒子組裝體的研究工作已引起人們廣泛的興趣，這是因為人們希望能夠像原子構(gòu)筑分子或者像用分子構(gòu)筑超分子那樣，以粒子為基本單元來構(gòu)筑結(jié)構(gòu)、形態(tài)和功能確定的高級粒子組裝體，并為實現(xiàn)不同功能用以滿足實際需要提供便利[10-13]。粒子自組裝是以納米粒子為基本組裝單元，在某些情況下，用于組裝的粒子本身也是先由分子通過有序自組裝形成，即在該粒子內(nèi)分子呈現(xiàn)規(guī)整排列的狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上通過粒子自組裝而形成的具有宏觀尺寸的多級次粒子組裝體則會將粒子內(nèi)部的微觀上的有序性擴(kuò)展至宏觀尺寸，從而成為一條連接微觀與宏觀的紐帶，具有重要意義。基于此，借鑒自組裝“自下而上”成功構(gòu)建功能組裝體的方式，可為UCNPs組裝體的制備提供借鑒，而本實驗所使用的UCNPs隸屬于無機(jī)粒子，利用合適的自組裝策略如聚合物誘導(dǎo)法、薄膜法和微乳液法等都為制備UCNPs組裝體提供了理論和技術(shù)手段可能性的支持，而這其中通過微乳液法則成為本實驗設(shè)計的首選，這是因為該方法的簡易性、有效性和通用性，已被證實可適用于多種粒子功能組裝體的制備，受到人們的青睞。利用該法，具體到本實驗而言，只需將事先合成好（或購買）并分散在有機(jī)相（通常為環(huán)己烷）的UCNPs和含有一定濃度的表面活性劑水溶液進(jìn)行混合，再通過劇烈的磁力攪拌或者超聲便會形成水包油的乳液體系，隨后將較低沸點的有機(jī)溶劑進(jìn)行熱揮發(fā)處理，就可以得到較大尺寸UCNPs組裝體，且該UCNPs組裝體的表面會被表面活性劑包裹，使其具有在水中穩(wěn)定分散的特性，為后續(xù)相關(guān)應(yīng)用提供了保證。

此外，該方法對UCNPs的組份、形狀和大小沒有選擇性，甚至對多種UCNPs或者UCNPs和其他功能粒子的混合物也適用，彰顯出其普適性的優(yōu)點。基于此特點，也可開設(shè)與本實驗相關(guān)的學(xué)生課后興趣系列實驗，讓學(xué)生根據(jù)不同應(yīng)用場景，自主選擇UCNPs的種類，進(jìn)行功能組合，如實現(xiàn)UCNPs組裝體的正交光發(fā)射或顏色編碼，也可進(jìn)一步擴(kuò)充到UCNPs和其他功能粒子諸如金納米粒子、四氧化三鐵納米粒子及量子點等進(jìn)行組合，得到更加豐富的上轉(zhuǎn)換基功能組裝體。該實驗內(nèi)容的設(shè)置可提高學(xué)生課后自主學(xué)習(xí)的能力、獨(dú)立思考的能力和完整實驗設(shè)計的能力，調(diào)動他們的學(xué)習(xí)的積極性，提高實驗課的教學(xué)質(zhì)量和效果。

為此，本實驗通過微乳液自組裝的策略[14-16]，可以規(guī)避較大尺寸UCNPs合成涉及高溫這一弊端，以UCNPs為基本單元來構(gòu)筑UCNPs聚集組裝體，該制備過程簡單成熟，且所制備的組裝體具有尺寸均一且大小可調(diào)的特點，可在本科教學(xué)實驗室內(nèi)安全有序地進(jìn)行。同時在這個過程中，期望學(xué)生們可以了解自組裝的基本原理，乳液自組裝的制備工藝，掌握粒徑儀、光譜儀、掃描電鏡和透射電鏡的表征手段的測試原理、樣品制備、儀器操作和數(shù)據(jù)處理及分析，整體上較為系統(tǒng)地完成從材料制備、結(jié)構(gòu)表征到性能測試三個過程的綜合訓(xùn)練，是較好的教學(xué)實驗方案。

1.實驗部分

(1)實驗試劑

UCNPs（NaYF4：20%Yb,2%Er@NaYF4:75%Lu）環(huán)己烷溶液（5mg/mL），十二烷基磺酸鈉（SDS），去離子水。

(2)實驗儀器

25mL圓底燒瓶，細(xì)胞破碎儀（Sonics Vibracell），攪拌臺（艾卡加熱磁力攪拌器C-MAG HS7），移液槍（艾本德），粒度儀（馬爾文MS3000粒度儀），熒光光譜儀（愛丁堡FS5），掃描電子顯微鏡（SEM,日本電子JSM-IT200A），透射電子顯微鏡（TEM，日本電子JEM-1400Plus）。

(3)實驗過程

①表征UCNPs的基本性能

取2mL UCNPs的環(huán)己烷溶液置于石英比色皿中，利用熒光光譜儀器測試其在980nm激發(fā)下的發(fā)射光譜；利用980nm近紅外激光器，直接對樣品進(jìn)行照射，觀察其發(fā)光顏色，并與熒光光譜進(jìn)行對照，驗證其發(fā)光的大致范圍，需要特別注意的是此操作步驟涉及激光，在使用過程中，應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生配帶防護(hù)眼鏡、激光不可以對人進(jìn)行照射和實驗完畢后應(yīng)第一時間關(guān)閉激光器等好的實驗習(xí)慣。利用粒徑儀測試分散在環(huán)己烷中UCNPs的尺寸；準(zhǔn)備TEM樣品：用移液槍取20μL UCNPs環(huán)己烷溶劑加入到2mL離心管內(nèi)，再向其中加入200μL環(huán)己烷進(jìn)行樣品稀釋，取稀釋后溶液10μL滴在電鏡銅網(wǎng)上即可，常溫?fù)]發(fā)干燥樣品后，可通過TEM觀察UCNPs樣品形貌；準(zhǔn)備SEM樣品：首先，將導(dǎo)電膠粘在樣品臺上。其次，將干凈的薄銅片粘在導(dǎo)電膠上，采用少量多次的方法把UCNPs液體樣品滴在銅片上。最后，等待溶劑完全揮發(fā)干燥后就可以進(jìn)行噴鍍處理和掃描電鏡測試。

②UCNPs組裝體的制備

取25mL圓底燒瓶，向其中依次加入SDS溶液10mL（0.7mg/mL），1mL UCNPs的環(huán)己烷溶液，因環(huán)己烷和水不互溶，兩者存在明顯的相分離特點，又因為環(huán)己烷的密度為0.78mg/mL。明顯低于水的密度，故可清晰地觀察到水油分離現(xiàn)象：UCNPs環(huán)己烷溶液漂浮在水層上。在1400rpm轉(zhuǎn)速下劇烈攪拌混合溶劑2min之后進(jìn)行超聲（功率75%，45s），作為表面活性劑的SDS，其疏水烷基鏈會伸到環(huán)己烷溶液內(nèi)部，而親水的磺酸根則伸到水中，將環(huán)己烷溶液以環(huán)己烷小液滴的形式分散在水中，得到類似牛奶狀的水包油乳液，最后將該乳液在70℃水浴條件下敞口反應(yīng)3h，用以除去混合溶劑中的環(huán)己烷。在環(huán)己烷不斷揮發(fā)的過程中，分散在環(huán)己烷液滴內(nèi)的UCNPs也被濃縮，濃度不斷提高，UCNPs彼此之間的距離會減小，并通過其表面油酸（OA）分子的疏水相互作用，不斷相互靠近和聚集，最終單個小環(huán)己烷液滴內(nèi)的多個UCNPs聚集在一起，形成UCNPs組裝體[17]。與此同時，SDS疏水的鏈段和UCNPs表面的OA分子通過疏水相互作用，將SDS嵌插入UCNPs組裝體的表面，而外部的親水鏈段用于穩(wěn)定分散在水中的UCNPs組裝體（圖2）。

圖2 微乳液法制備UCNPs組裝體示意圖

③表征UCNPs組裝體的基本性能

取2mL UCNPs組裝體水溶液樣品置于石英比色皿中，利用粒徑儀測試UCNPs組裝體的尺寸；制備TEM樣品：用移液槍直接取20μL UCNPs組裝體滴在電鏡銅網(wǎng)上制備TEM樣品或者滴在薄銅片上制備SEM樣品，由于溶解在水中的樣品通常很難在電鏡銅網(wǎng)上附著，故可以采用多次滴加的方式進(jìn)行多次上樣，又因水溶液較難揮發(fā)，可將制備好的樣品在紅外燈下烘烤，用以快速干燥樣品，方便課堂上用SEM、TEM表征UCNPs組裝體的形貌。

2.結(jié)果與討論

(1)UCNPs的基本性質(zhì)表征

上轉(zhuǎn)換粒子（NaYF4：20%Yb,2%Er@NaYF4:75%Lu）在近紅外光源980nm照射下主要發(fā)射出545/650nm附近的熒光（圖3a）[18-19]，其中，綠色波段（545nm）處發(fā)射峰對應(yīng)于Er3+的4S3/2→4I15/2和4H3/2→4I15/2的光子躍遷，紅色波段（650nm）處的發(fā)射峰對應(yīng)于Er3+的4F9/2→4I15/2的光子躍遷，又因為綠色波段的發(fā)射峰強(qiáng)度明顯高于紅色波段，故該UNCPs整體呈現(xiàn)出綠色發(fā)光的特點（圖3b）。通過粒徑儀表征，在環(huán)己烷中，UCNPs的直徑分布呈現(xiàn)窄單峰分布的特點，直徑顯示約為38nm（圖3c）。

圖3（a）UCNPs在980nm近紅外激發(fā)下熒光光譜；（b）UCNPs的環(huán)己烷溶液在980nm近紅外激發(fā)下發(fā)射綠光圖片；（c）UCNPs在環(huán)己烷中的DLS測試結(jié)果曲線

(2)UCNPs組裝體的基本性質(zhì)表征

待環(huán)己烷揮發(fā)完全后，溶液呈現(xiàn)透明的微發(fā)藍(lán)的特點，理論上通過微乳液法制備的UCNPs組裝體因其是由多個UCNPs聚集而成，故其尺寸相比于單個UCNP而言，應(yīng)有明顯的提升。通過比較單個UCNP（呈現(xiàn)球形）和UCNPs的球形組裝體TEM結(jié)果（圖4a～b）可知：直徑約為35nm球形UCNPs組裝成粒徑約為250nm較大尺寸的UCNPs組裝體，具有較深的襯度且組裝體外延呈現(xiàn)一種UCNPs交錯排列的輪廓，表明該組裝體是由多個UCNPs團(tuán)聚到一起形成。進(jìn)一步放大TEM結(jié)果可以觀察到，在UCNPs組裝體的內(nèi)部，單個UCNP的球形輪廓依舊清晰可見，意味著在組裝體內(nèi)部，UCNPs也是成像聚集的狀態(tài)，并非彼此相互融合成一個較大的球。同時，組裝體的粒徑分布（圖4c）也和TEM顯示較大尺寸的組裝體相吻合，再次驗證該乳液誘導(dǎo)UCNPs進(jìn)行自組裝成UCNPs組裝體方法的可行性。此外，本實驗是采用微乳液的方法制備UCNPs組裝體，理論上僅需增加表面活性劑的用量、提高超聲功率和延長超聲時間有助于減小水包油乳液體系中油滴的尺寸，即得到較小尺寸的UCNPs組裝體。

圖4 UCNPs（a）和UCNPs組裝體（b）TEM測試結(jié)果；（c）UCNPs組裝體DLS測試結(jié)果

3.結(jié)語

本實驗采用微乳液這一簡單高效的方法，成功地將單個UCNP團(tuán)聚在一起，用于構(gòu)建較大尺寸UCNPs球形組裝體。該實驗包含對上轉(zhuǎn)換發(fā)光機(jī)理和微乳液自組裝的了解，實驗操作包括對材料的制備和諸如粒徑、形貌和熒光等性能的表征，這些操作具有一定的專業(yè)性，可以提高學(xué)生的動手能力，提高他們的實驗技能。同時實驗內(nèi)容需要使用粒徑儀、光譜儀、掃描電鏡和透射電鏡等常用且重要的性能表征手段，可以讓同學(xué)們了解其測試原理、樣品準(zhǔn)備等事項，并能在老師的指導(dǎo)下正確進(jìn)行儀器操作，為往后的學(xué)習(xí)和未來的科研之路打下重要且堅實的基礎(chǔ)。