一种具有荧光上转换性能的染料/金属-有机框架复合材料及其制备方法和生物成像应用与流程

本发明涉及一种具有荧光上转换性能的染料/金属-有机框架复合材料及其制备方法，该材料装载有机染料后，在红外/近红外光泵浦下，可以产生二次谐波的非线性光学信号，进而对染料传能，使本来只能在紫外可见光泵浦下发光的染料，在红外/近红外泵浦下也可发光，扩大了染料的应用范围。

背景技术：

荧光染料由于种类多、结构设计方便、发光稳定且光谱范围宽，已经被应用在了生物成像、荧光探针、细胞染色、照明led等领域；但有机染料分子聚集荧光淬灭、溶解性和生物相容性差限制了其应用。且多数染料只能用紫外可见光激发，但因为红外/近红外光相比较紫外可见光源，因生物组织对其穿透率高、生物自荧光弱、激发能量低、空间分辨率高等优势，在生物成像领域有更大的应用前景；为了解决生物成像中的这个矛盾，也就是找到一种可以使荧光染料在红外/近红外光下也可以发光的方法，对染料在更大范围的应用非常重要。

非线性光学为解决上述激发光源波长问题提供了思路。利用具有上转换功能的材料，可以将红外/近红外光转换成紫外可见光，进而激发染料发光。

金属-有机框架(mofs)是由金属离子/金属簇与有机配体通过配位键自组装形成的一种晶体材料。因大部分mofs材料都具有微孔结构，因此通过合适的孔径设计，可以很好地分散染料分子，解决上述提到的有机染料分子聚集荧光淬灭问题，mofs良好的生物相容性也改善了单独染料在生物应用时的毒性问题。且通过对mofs结构的设计，可以合成具有非线性光学性能的材料；特别是晶体学上非对称中心的mofs材料具有二次谐波(shg)性能，可以实现将红外/近红外光转换成紫外可见光，最终激发染料产生荧光。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种可用于扩大染料应用范围的具有荧光上转换性能的染料/金属-有机框架复合材料的制备方法，并对其上转换性能进行了探究。

本发明的具有荧光上转换性能的染料/金属-有机框架复合材料，具有长程有序的晶体结构以及规则的孔道，其化学式为[m(l)x(g)y]·(r)n，其中m为金属离子，包括la,ce,pr,nd,sm,eu,gd,tb；l为含有六羧酸基团的柔性有机配体，己基[4-(羧基苯基)羰基]-3-恶烷，x＝0.5；g表示与金属离子配位或在晶体孔道内的溶剂分子，为水、n，n-二甲基甲酰胺、n，n-二甲基乙酰胺或者n，n-二乙基甲酰胺；y＝0～10，r表示孔道内的染料分子，包括中性红，碱性蓝17，碱性橙14，喹吖啶酮，n＝1～50。

本发明的具有荧光上转换性能的染料/金属-有机框架复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将金属硝酸盐与有机配体一起加入去离子水和有机溶剂中，得到混合溶液，再加入1～3ml酸溶液，将得到的溶液放入反应釜内胆中，在140～180℃加热反应3～5天，离心、洗涤，得到金属-有机框架材料；将所得金属-有机框架材料浸泡在染料的水溶液中，置于40～60℃烘箱中保温2～7天后得到用于扩大染料应用范围的具有荧光上转换性能的染料/金属-有机框架复合材料。

本发明中，金属硝酸盐为硝酸镧、硝酸铈、硝酸镨、硝酸钕、硝酸钐、硝酸铕、硝酸钆、硝酸铽。

本发明中，所述的含有六羧酸基团的柔性有机配体为己基[4-(羧基苯基)羰基]-3-恶烷；结构式如下：

本发明中，染料结构式如下：(a)中性红；(b)碱性蓝17；(c)碱性橙14；(d)喹吖啶酮。

本发明中，所用的有机溶剂为n，n-二甲基甲酰胺、n，n-二甲基乙酰胺或者n，n-二乙基甲酰胺中任意一种。

本发明中，金属硝酸盐中金属离子与有机配体摩尔比为1～3：1。

本发明中，有机溶剂和去离子水的体积比为5～10：1。

本发明中，所用的酸溶液中酸可以是硝酸、盐酸、硫酸、乙酸，溶剂为水且浓度为0.5～2m。

本发明中具有荧光上转换性能的染料/金属-有机框架复合材料，泵浦光波长位于红外/近红外区，金属-有机框架材料可以产生二次谐波的非线性光学信号；此信号进一步对染料进行传能，使有机染料发射荧光。通过这种方式，让本来只能在紫外可见光泵浦下发光的染料，在红外/近红外光泵浦下也可发光。

本发明具体的有益效果在于：

1、染料因其种类多、结构设计方便、发光稳定且光谱范围宽，已经被应用在了生物成像、照明led等领域；但聚集荧光淬灭、溶解性差、多数染料只能用紫外可见光激发等缺点限制了其在更大范围的应用。红外/近红外光相比较紫外可见光源，因生物组织对其穿透率高、生物自荧光弱、激发能量低、空间分辨率高等优势，在生物成像领域有更大的应用前景。本发明的方法可用于扩大染料应用范围，减小对激发波长的限制，利用具有荧光上转换性能的染料/金属-有机框架复合材料把红外/近红外光转换为紫外可见光，进而被染料吸收，最终发射出染料荧光。

2、与商用上转换荧光生物成像染料相比，在相同测试条件下，本发明的具有荧光上转换性能的染料/金属-有机框架复合材料的荧光发射强度是前者的10倍以上。说明本发明的复合材料效率更高，更有希望被应用在生物成像上。

3、生物相容性是评价一种材料能否被应用于生物医学领域的重要标准。本发明的具有荧光上转换性能的染料/金属-有机框架复合材料生物生物相容性好，细胞存活率维持在80％以上。且与单纯的染料毒性相比，被装载进金属-有机框架后，毒性有显著降低(2倍以上)。

4、与无机化合物、配合物或有机分子相比，金属-有机框架材料是一种具有有序微孔的晶态材料，具有长程有序的晶体结构和规则的孔道。通过氮气等温吸附曲线验证了mofs的微孔特征。且装载染料后，bet显著降低，为染料占据mofs孔道提供了证据。染料分子能够均匀地分散在框架内，避免了分子团聚导致的荧光淬灭，从而可以将发光效率提高30倍以上。

附图说明

图1是本发明的具有二次谐波性能的金属-有机框架材料gd-hcoo在不同波长激光泵浦下的二次谐波信号，与磷酸二氢钾(kdp)对比；

图2是本发明的具有二次谐波性能的金属-有机框架材料gd-hcoo、染料装载后的gd-hcoo的氮气等温吸附曲线；

图3是本发明中具有荧光上转换性能的染料/金属-有机框架复合材料装载不同浓度中性红染料后，在900nm激光泵浦下的光谱，与相同测试条件下的纯染料粉末/溶液对比；

图4是本发明的具有二次谐波性能的金属-有机框架材料gd-hcoo、中性红装载后的gd-hcoo、纯染料的生物相容性表征；

图5是是本发明中具有荧光上转换性能的染料/金属-有机框架复合材料装载喹吖啶酮染料后，在1060nm激光泵浦下的光谱。

具体实施方式

下面将结合实例进一步阐明本发明的内容，但这些实例并不限制本发明的保护范围，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

实施例1：

利用硝酸钆与己基[4-(羧基苯基)羰基]-3-恶烷，通过溶剂热方法合成金属-有机框架材料，其具体的合成路线如下：

将0.1mmol的硝酸钆和0.1mmol的己基[4-(羧基苯基)羰基]-3-恶烷溶解于7mldmf和1mlh2o混合溶剂中，随后加入1mlhno3水溶液(1m)。将溶液封装于20ml聚四氟乙烯反应釜中，置于160℃烘箱中反应72h。冷却至室温，用dmf洗涤3次，得到无色针状金属-有机框架材料gd2l(dmf)2·(h2o)5(dmf)3(简写为gd-hcoo)。将40mg该晶体放入0.001moll^-1中性红(nr)的去离子水溶液。将混合物装入15ml玻璃瓶中放60℃烘箱中反应3天后取出，过滤去除染料溶液，用去离子水洗涤3次，放入60℃烘干，得到含有机染料的金属-有机框架材料，染料含量为1.8wt％。通过荧光光谱也表明，染料被装载后的量子效率由粉末的2.64％提升到74.26％，这在一定程度上也减小了对染料使用环境的限制。

对gd2l(dmf)2·(h2o)5(dmf)3的二次谐波性能进行了表征。由图1可知，在960-1140nm激光泵浦下，mofs都可以表现出比kdp参照高得多的二次谐波信号。说明此材料可以将红外/近红外光转化成紫外可见光，可被应用在上转换光学上。mofs装载染料前后的氮气等温吸附曲线表明，bet由314.2929m²/g减小到97.7216m²/g。染料占据了一部分孔道位置，导致mofs的孔道减小(图2)，也间接证明了染料的成功装载。

在900nm激光泵浦下，染料装载的mofs同时显示出450nm的二次谐波信号和染料的600nm宽谱荧光信号，而在同样条件下，染料粉末或溶液都无法表现出荧光。证实了复合材料中发生了由近红外-shg-荧光的能量转移。通过这样的方式可以使很多本来只能在紫外可见光泵浦下发光的染料，在红外/近红外光泵浦下也可发光，极大地扩展了染料的应用范围。

对染料装载后的mofs的生物相容性进行了表征，发现mofs材料以及染料装载后的mofs的细胞存活率在100μg/ml的浓度下都可以维持在80％以上；而相同浓度的纯染料只有30％。这说明染料被装载后的生物相容性有明显提高，我们设计的复合材料有望在生物系统中实现应用。

实施例2：

利用硝酸钆与己基[4-(羧基苯基)羰基]-3-恶烷，通过溶剂热方法合成金属-有机框架材料，其具体的合成路线如下：

将0.1mmol的硝酸钆和0.1mmol的己基[4-(羧基苯基)羰基]-3-恶烷溶解于7mldmf和1mlh2o混合溶剂中，随后加入1mlhno3水溶液(1m)。将溶液封装于20ml聚四氟乙烯反应釜中，置于160℃烘箱中反应72h。冷却至室温，用dmf洗涤3次，得到无色针状金属-有机框架材料gd2l(dmf)2·(h2o)5(dmf)3(gd-hcoo)。将40mg该晶体放入0.001moll^-1喹吖啶酮(qu)的去离子水溶液。将混合物装入15ml玻璃瓶中放60℃烘箱中反应3天后取出，过滤去除染料溶液，用去离子水洗涤3次，放入60℃烘干，得到含有机染料的金属-有机框架材料，染料含量为1.42wt％。通过荧光光谱也表明，染料被装载后的量子效率由粉末的0.75％提升到58.23％，这在一定程度上也减小了对染料使用环境的限制。

在1060nm激光泵浦下，染料装载的mofs同时显示出530nm的二次谐波信号和染料的600nm宽谱荧光信号，通过这样的方式可以使很多本来只能在紫外可见光泵浦下发光的染料，在红外/近红外光泵浦下也可发光，极大地扩展了染料的应用范围。

实施例3：

利用硝酸钆与己基[4-(羧基苯基)羰基]-3-恶烷，通过溶剂热方法合成金属-有机框架材料，其具体的合成路线如下：

将0.1mmol的硝酸钆和0.1mmol的己基[4-(羧基苯基)羰基]-3-恶烷溶解于7mldmf和1mlh2o混合溶剂中，随后加入1mlhno3水溶液(1m)。将溶液封装于20ml聚四氟乙烯反应釜中，置于160℃烘箱中反应72h。冷却至室温，用dmf洗涤3次，得到无色针状金属-有机框架材料gd2l(dmf)2·(h2o)5(dmf)3(gd-hcoo)。将40mg该晶体放入0.001moll^-1中性红(nr)的去离子水溶液。将混合物装入15ml玻璃瓶中放60℃烘箱中反应3天后取出，过滤去除染料溶液，用去离子水洗涤3次，放入60℃烘干，得到含有机染料的金属-有机框架材料，染料含量为1.8wt％。通过荧光光谱也表明，染料被装载后的量子效率由粉末的2.64％提升到74.26％，这在一定程度上也减小了对染料使用环境的限制。

对gd2l(dmf)2·(h2o)5(dmf)3的二次谐波性能进行了表征。由图1可知，在960-1140nm激光泵浦下，mofs都可以表现出比kdp参照高得多的二次谐波信号。说明此材料可以将红外/近红外光转化成紫外可见光，可被应用在上转换光学上。mofs装载染料前后的氮气等温吸附曲线表明，bet由314.2929m²/g减小到97.7216m²/g。染料占据了一部分孔道位置，导致mofs的孔道减小(图2)，也间接证明了染料的成功装载。

为了证实复合材料可以在红外/近红外激光泵浦下应用，我们还测试了复合材料在1000，1100nm激光泵浦下的光学信号，发现染料装载的mofs同时显示出二次谐波信号和染料的宽谱荧光信号，而在同样条件下，染料粉末或溶液都无法表现出荧光。证实了复合材料中发生了由近红外-shg-荧光的能量转移。通过这样的方式可以使很多本来只能在紫外可见光泵浦下发光的染料，在红外/近红外光泵浦下也可发光，极大地扩展了染料的应用范围。

对染料装载后的mofs的生物相容性进行了表征，发现mofs材料以及染料装载后的mofs的细胞存活率在100μg/ml的浓度下都可以维持在80％以上；而相同浓度的纯染料只有30％。这说明染料被装载后的生物相容性有明显提高，我们设计的复合材料有望在生物系统中实现应用。

实施例4：

利用硝酸铕与己基[4-(羧基苯基)羰基]-3-恶烷，通过溶剂热方法合成金属-有机框架材料，其具体的合成路线如下：

将0.1mmol的硝酸铕和0.1mmol的己基[4-(羧基苯基)羰基]-3-恶烷溶解于7mldmf和1mlh2o混合溶剂中，随后加入1mlhno3水溶液(1m)。将溶液封装于20ml聚四氟乙烯反应釜中，置于160℃烘箱中反应72h。冷却至室温，用dmf洗涤3次，得到无色针状金属-有机框架材料eu2l(dmf)2·(h2o)3(dmf)3。将40mg该晶体放入0.001moll^-1中性红的去离子水溶液。将混合物装入15ml玻璃瓶中放60℃烘箱中反应3天后取出，过滤去除染料溶液，用去离子水洗涤3次，放入60℃烘干，得到含有机染料的金属-有机框架材料。通过荧光光谱也表明，染料被装载后的量子效率明显提升，这在一定程度上也减小了对染料使用环境的限制。

对eu2l(dmf)2·(h2o)3(dmf)3的二次谐波性能进行了表征。在红外/近红外激光泵浦下，mofs都可以表现出比kdp参照高得多的二次谐波信号。说明此材料可以将红外/近红外光转化成紫外可见光，可被应用在上转换光学上。mofs装载染料前后的氮气等温吸附曲线表明，染料占据了一部分孔道位置，导致mofs的孔道减小，也间接证明了染料的成功装载。

在红外/近红外激光泵浦下，染料装载的mofs同时显示出二次谐波信号和染料的宽谱荧光信号，而在同样条件下，染料粉末或溶液都无法表现出荧光。证实了复合材料中发生了由近红外-shg-荧光的能量转移。通过这样的方式可以使很多本来只能在紫外可见光泵浦下发光的染料，在红外/近红外光泵浦下也可发光，极大地扩展了染料的应用范围。染料装载后的mofs具有优秀的生物相容性，因此我们设计的复合材料有望在生物系统中实现应用。