专利名称：一种用于时间分辨多色荧光标记的稀土掺杂氟化钆纳米发光材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及时 间分辨多色荧光标记材料，尤其是涉及多种稀土元素掺杂氟化钆纳 米多色发光材料的制备及其结合时间分辨检测模式在生物荧光领域的应用。
背景技术：
单一波长激发下的多色发光材料，在光电子器件、液晶显示器、生物医学成像等方 面有着广阔的应用前景，受到国内外学者的普遍关注。目前所使用的多色发光材料主要是 有机发光染料和量子点。但有机染料存在着光漂白、发射峰宽、光色度不纯等弱点；而量 子点则因毒性大且合成成本高，限制了其应用。稀土掺杂的纳米晶，具有发射峰窄、发光不 易漂白、合成成本低、毒性小等优点，被认为是最佳的多色发光材料。当前稀土多色发光材 料，大多通过控制基质与稀土的发光强度比例来实现，但由于基质发光峰较宽，寿命短，所 以它们的应用受到极大限制(Su，Y.G.et al. "Self-assembly and multicolor emission of core/shellstructured CaWO4 :Na+/Ln (3+) spheres，，Chemical Communications 4004-4006,2008 ；Wang, F. et al. "Multicolor tuning of (Ln， P)-Doped YVO4 nanoparticles by single-wavelength excitation，，Angewandte Chemie-International Edition Vol. 47，906-909，2008)。在镧系金属氟化物GdF3中，由于钆离子具有较大的能级 间隔，所以经常作为敏化离子来实现其他稀土离子(Ce，Pr，Nd，Sm, Eu，Tb，Dy，Ho, Er，Tm, Yb)的发光，而且GdF3本身亦具有稳定的物理化学性能和较低的声子振动能，被广泛认可为 一种优良的发光基质，所以有望在稀土掺杂的GdF3纳米晶中实现单一波长激发下的多色发 光。在生物荧光检测过程中，常常由于有机体的自身发光而导致信噪比差和检测结果不理 想。基于有机体自身发光寿命较短，时间分辨检测模式利用了稀土离子发光寿命较长的特 点，可以有效地去除短寿命的荧光干扰信号，从而实现高灵敏探测，被认为是一种有效的检 测手段。目前，在应用稀土掺杂纳米晶来进行生物荧光标记的领域中，尚没有结合时间分辨 的例子。本发明通过在氟化钆纳米发光材料中掺杂不同的稀土离子和不同的稀土离子组合 来实现其颜色调控。其特色在于发光峰窄、寿命较长、光稳定性好、发光范围可覆盖整个可 见光区域。同时，利用稀土离子长荧光寿命特点，结合时间分辨检测模式，可以将其用于荧 光生物标记领域来有效避免有机体背景自荧光和散射等干扰。
发明内容
本发明提出一种稀土掺杂氟化钆多色发光纳米材料的制备方法以及结合时间分 辨检测模式进行生物荧光标记应用方法。本发明制备的稀土掺杂氟化钆纳米发光材料的组分为XRe3+-(l-X)GdF3，其中Re =Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho、Er、Tm 或 Yb ;x = 0_65mol %。本发明采用如下制备工艺室温下，将稀土氯化盐、氯化钆完全溶解在蒸馏水中， 然后加入乙醇和乙二醇，搅拌得到均勻的透明溶液A ；在另一烧杯中将适量氟化铵溶解在蒸馏水中，然后加入乙二醇，搅拌得到透明溶液B ；在搅拌状态下，往溶液B中逐滴加入溶液 A，继续搅拌得到混合液C ；将混合液C在50-230°C进行热处理。冷却后，将上层澄清液去 掉，下层沉淀用水和乙醇轮流洗涤，然后干燥得到Re = GdF3纳米晶粉末。将0. 1-1000毫克Re = GdF3纳米晶粉末溶解在0. 5-400毫升的蒸馏水，可以得到 ReiGdF3无色透明溶液。本发明采用如下应用方法在Re:GdF3纳米晶水溶液中，加入干扰试剂(如红色 荧光素罗丹明，异硫氰酸荧光素等)，在稳态检测模式下，稀土的发光受到了染料和散射光 的干扰，而通过时间分辨检测模式，干扰光和散射光信号被完全去除，从而提高了信噪比和 检测灵敏度。本发明材料制备工艺简单、成本低、重复性好、可以进行大批量生产。本发明与目 前国内外制备的其他多色发光材料相比，纳米晶颗粒均一，尺寸小，发射峰窄，发光强度高， 发光寿命长，是一种优良的新型多色发光材料。纳米颗粒具有较好的水溶性，结合时间分辨 检测模式后，提高了信噪比，可以作为高检测灵敏度的生物荧光标记材料。
附图1 掺Eu3+2. 5at %的GdF3纳米晶XRD衍射图样。
附图2 掺Tb3+O. 5at %的GdF3纳米晶的透射电镜图。附图3 掺Dy3+2. Oat %的GdF3纳米晶的高分辨透射电镜图。附图4 掺Re3+L 5at% (Re = Eu3+，Tb3+，Dy3+)的GdF3纳米晶发射光谱，激发波长 为 272. 5nm。附图5 掺杂不同稀土离子(Re = Eu3+，Tb3+，Dy3+)浓度的GdF3纳米晶发射光谱，激 发波长为272. 5nm。附图6 =GdF3纳米晶中掺杂不同稀土离子(Re = Eu3+，Tb3+，Dy3+)及浓度在272. 5纳 米激发下的发光照片附图7 在1. Oat. %掺杂浓度下，在氟化钆纳米晶中，稀土离子的(Re = Eu3+，Tb3+， Dy3+)在272. 5纳米激发下的荧光寿命分别为10. 51，5. 91，0. 86毫秒附图8 在2. 5at. % DyiGdF3纳米晶与红色荧光素罗丹明(RBITC)混合状态下， 在272. 5纳米激发下，分别进行稳态和时间分辨检测，得到的光谱图。
具体实施例方式实例1 称取 0. 0037g 氯化铕(EuCl3 · 6H20)和 0. 37g 氯化钆(GdCl3 · 6H20)完全 溶解在12毫升蒸馏水中，然后加入1毫升乙醇和30毫升乙二醇，搅拌得到透明溶液；在另 一烧杯中将适量氟化铵溶解在0. 5毫升蒸馏水中，然后加入2. 5毫升乙醇，搅拌得到透明溶 液B ；在搅拌状态下，往溶液B中逐滴加入到溶液A，继续搅拌十分钟，将溶液转移入水热罐 中，在170°C下水热处理20小时.冷却后，将上层澄清液去掉，将下层沉淀用水和乙醇轮流 洗涤三次后干燥，然后在60°C真空条件下干燥得到EiKGdF3纳米晶粉末。将10毫克Eu:GdF3 纳米晶粉末溶解在20毫升的蒸馏水，可以得到EU:GdF3无色透明溶液。在272. 5nm激发下， 能够观察到较强红色发光。实例2 称取 0. 0037g 氯化铽(TbCl3 · 6H20)和 0. 37g 氯化钆(GdCl3 · 6H20)完全溶解在5毫升蒸馏水中，然后加入30毫升乙醇和5毫升乙二醇，搅拌得到透明溶液；在另一 烧杯中将适量氟化铵溶解在1毫升蒸馏水中，然后加入1毫升乙醇，搅拌得到透明溶液B ； 在搅拌状态下，往溶液B中逐滴加入到溶液A，继续搅拌十分钟，将溶液转移入水热罐中，在 110°C下水热处理18小时.冷却后，将上层澄清液去掉，将下层沉淀用水和乙醇轮流洗涤三 次后干燥，然后在50°C真空条件下干燥得到Tb = GdF3纳米晶粉末。将2毫克Tb = GdF3纳米 晶粉末溶解在20毫升的蒸馏水，可以得到Tb = GdF3无色透明溶液。用272. 5nm激发下，能 够看到绿色的发光。
实例3 称取 0. 0037g 氯化镝(DyCl3 · 6H20)和 0. 37g 氯化钆(GdCl3 · 6H20)完全 溶解在2毫升蒸馏水中，然后加入30毫升乙二醇，搅拌得到透明溶液；在另一烧杯中将适 量氟化铵溶解在5毫升蒸馏水中，然后加入1毫升乙醇，搅拌得到透明溶液B ；在搅拌状态 下，往溶液B中逐滴加入到溶液A，继续搅拌十分钟，将溶液转移入水热罐中，在140°C下水 热处理24小时.冷却后，将上层澄清液去掉，将下层沉淀用水和乙醇轮流洗涤三次后干燥， 然后在65°C真空条件下干燥得到Dy = GdF3纳米晶粉末。将15毫克Dy = GdF3纳米晶粉末溶 解在20毫升的蒸馏水，可以得到Dy = GdF3无色透明溶液。用272. 5nm激发下，能够看到蓝 色的发光。实例4 称取 0. 0037g 氯化镝(DyCl3 · 6Η20),0. 0015g 氯化铕(EuCl3 · 6H20)和 0. 37g氯化钆(GdCl3 · 6H20)完全溶解在2毫升蒸馏水中，然后加入40毫升乙醇，搅拌得到 透明溶液；在另一烧杯中将适量氟化铵溶解在1毫升蒸馏水中，然后加入5毫升乙醇，搅拌 得到透明溶液B ；在搅拌状态下，往溶液B中逐滴加入到溶液A，继续搅拌十分钟，将溶液转 移入水热罐中，在10(TC下水热处理57小时.冷却后，将上层澄清液去掉，将下层沉淀用水 和乙醇轮流洗涤三次后干燥，然后在70°C真空条件下干燥得到Dy/Eu:GdF3纳米晶粉末。将 15毫克Dy/Eu:GdF3纳米晶粉末溶解在20毫升的蒸馏水，可以得到Dy/Eu:GdF3无色透明溶 液。用272. 5nm激发下，能够看到紫色的发光。实例5 称取 0. 0037g 氯化铽(TbCl3 · 6Η20),0. 0015g 氯化铕(EuCl3 · 6H20)和 0. 37g氯化钆(GdCl3 · 6H20)完全溶解在2毫升蒸馏水中，然后加入5毫升乙醇和35毫升 乙二醇，搅拌得到透明溶液；在另一烧杯中将适量氟化铵溶解在5毫升蒸馏水中，搅拌得到 透明溶液B ；在搅拌状态下，往溶液B中逐滴加入到溶液A，继续搅拌十分钟，将溶液转移入 水热罐中，在120°C下水热处理30小时.冷却后，将上层澄清液去掉，将下层沉淀用水和乙 二醇轮流洗涤三次后干燥，然后在80°C真空条件下干燥得到Tb/Eu:GdF3纳米晶粉末。将32 毫克Tb/Eu:GdF3纳米晶粉末溶解在20毫升的蒸馏水，可以得到Tb/Eu:GdF3无色透明溶液。 用272. 5nm激发下，能够看到黄色的发光。实例6 将07:6(^3溶液中加入有机染料红色荧光素罗丹明，用272. 5nm激发，在稳 态检测模式下，得到以背景(罗丹明，散射光等)为主的较强的干扰信号，而通过时间分辨 检测模式，则完全抑制了干扰背景，得到了完全以强稀土发光为主的荧光信号。
权利要求
1.一种用于时间分辨多色荧光标记的稀土掺杂氟化钆纳米发光材料，其组分为 xRe3+-(l-x) GdF3,其中 Re = Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho、Er、Tm 或 Yb ；χ = 0_65mol%。
2.一种如权利要求1所述的稀土掺杂氟化钆纳米发光材料的制备方法，其特征在于 室温下，将稀土氯化盐、氯化钆完全溶解在蒸馏水中，然后加入乙醇和乙二醇，搅拌得到均 勻的透明溶液A ；在另一烧杯中将适量氟化铵溶解在蒸馏水中，然后加入乙二醇，搅拌得到 透明溶液B ；在搅拌状态下，往溶液B中逐滴加入溶液A，继续搅拌得到混合液C ；将混合液C 在50-230°C进行热处理；冷却后，将上层澄清液去掉，下层沉淀用水和乙醇轮流洗涤，然后 干燥得到Re = GdF3纳米晶粉末。
3.—种如权利要求1所述的稀土掺杂氟化钆纳米发光材料的应用方法，其特征在于 室温下，在有机分子或其它短寿命自荧光分子，如有机染料红色素罗丹明或异硫氰酸荧光 素等的干扰下，通过设置延迟时间从0. 01纳秒到10毫秒，可以有效去除背景荧光和自荧 光，从而提高了信噪比和检测灵敏度。
全文摘要
一种用于时间分辨多色荧光标记的稀土掺杂氟化钆纳米发光材料及其制备方法，涉及多色发光纳米材料制备及其结合时间分辨检测模式在生物荧光标记领域的应用方法。本发明制备的氟化钆纳米晶的组分为xRe3+-(1-x)GdF3(RE＝Ce，Pr，Nd，Pm，Sm，Eu，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb；x＝0-60mol％)。通过掺杂不同稀土离子和掺杂浓度，得到单一波长激发下的不同颜色发光。用荧光光谱仪测样品的发光，在紫外光激发下，可以分别得到不同颜色的可见光。通过结合时间分辨检测模式，可以有效地去除短寿命干扰信号，提高检测灵敏度。
文档编号C09K11/85GK102140345SQ20101010542
公开日2011年8月3日 申请日期2010年2月3日 优先权日2010年2月3日
发明者朱浩淼, 李仁富, 陈学元, 鞠强 申请人:中国科学院福建物质结构研究所