水溶性NaYF₄@NaGdF₄上转换核壳结构纳米晶及其制备方法

专利名称：水溶性NaYF₄@NaGdF₄上转换核壳结构纳米晶及其制备方法
技术领域：
本发明属于微波多元醇化学方法合成技术的领域，特别是涉及一种水溶性上转换核壳结构荧光纳米晶的制备方法。
背景技术：
上转换材料是一种由长波长激发发出短波长光的发光材料，即将低能光子转换成高能光子的材料。上转换发光成像使用的是近红外(如980nm)连续激光激发，具有相对较低的组织吸收和散射，可以完全消除生物背景荧光。另外，稀土掺杂氟化物纳米晶具有较低的声子能量，低毒性，化学稳定性好，Stokes位移大且发射峰窄和强并具有较长的突光寿命，组织穿透深度深和红外激发容易的优点，被广泛的应用于生物标记，医学成像，分析检测，临床治疗等相关的前沿热点领域。水溶性上转换材料广泛应用于环境科学、生物分析、医学检测和生物医学成像等领域。其中水溶性是上转换材料能否应用于上述领域的先决条件，因此能否制备出具有良好水溶性的材料，是决定上述领域是否能够进一步发展的关键。应用于生物荧光标记的纳米材料，还需要纳米粒子的粒径分布均匀且尽量的小，发光效率高。提高上转换荧光发光效率的最佳途径就是制备具有核壳结构的材料，简称核壳材料，集成了核层材料组分和壳层材料组分的双重功能性质，同时由于复合带来的协同效应，其功能更是单层材料或单组分材料所无法比拟的。在众多氟化物基质中，六方相四氟钇钠(NaYF4) [CNl386817A，CNl539917A，CNlO101645A]纳米材料是目前广泛应用于上转换发光的基质材料。四氟钆钠(NaGdF4) [CNl02140344A, CN102191061A, CN101862463A]不仅可以通过掺杂不同的稀土离子调控出从可见到近红外一系列不同颜色的光，而且是具有高空间分辨率的核磁共振响应的磁性材料。迄今为止，已经发展了许多方法用来制备形貌可控的上转换核壳材料，目前一些有效的方法主要有油酸或者亚油酸协助的水热合成法，三氟乙酸稀土盐热分解法和液相共沉淀法。例如，陈学元课题组[Adv.Mater.2010，22，3266-3271]采用一种独特的设计思路，将Tm3+、Yb3+和Eu3+分别掺入到NaGdF`4纳米晶的内核和壳层中，首次在单分散的六方相NaGdF4纳米晶中实现了 Eu3+的双模式发光；新加坡国立大学的Xiaogang Liu课题组在Nature, 2010, 463，1061 - 1065上报道了 NaGdF4_aGdF4 —系列核壳结构的合成；复旦大学的 Dongyuan Zhao 研究组在 Nano Lett.2012，12，2852-2858 上报道了 NaYF4_aGdF4 多层核壳结构的合成；但是，由于选择油酸和十八烯的油相的化学反应环境，体系需要较高的热分解温度，为了进一步的生物应用，产物还需要集团交换以至于油相转水相的纳米晶表面修饰。现有成熟的方法大多数在有机相中的合成方法，用到的药品毒性非常大，费用昂贵，合成温度通常在300°C以上，步骤复杂，难以控制，污染也较大。需要发展一种低温、快捷的方法来合成结晶度好的水溶性上转换核壳材料。因此，直接水溶性，上转换发光强度高，分散均匀且粒径小的NaYF4/NaGdF4上转换核壳结构纳米晶的合成是很有创造性的一项工作，对多功能生物标记技术的发展具有重大的意义。

发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对背景技术中存在的不足，提供一种高水溶性、荧光效率高的稀土掺杂NaYF4ONaGdF4上转换核壳结构纳米晶的微波合成制备方法，可以解决现有制备方法中粒子水溶性差，上转换荧光效率低，生物兼容性低等方面存在的问题。本发明的稀土离子掺杂NaYF4ONaGdF4上转换核壳结构纳米晶是双掺杂。双掺杂是在做为核的四氟钇钠中掺杂镱(Yb )和铒(Er )。本发明的稀土离子掺杂NaYF4ONaGdF4上转换核壳结构纳米晶根据制备外层四氟钆钠壳添加的量不同尺寸可调控，从直径14纳米到38纳米(如图1)。并且随着不同四氟钆钠壳层的增加，所得到的稀土离子掺杂NaYF4ONaGdF4I转换核壳结构纳米晶的物相有所改变，从四方相的NaYF4向六方相的NaGdF4转变(如图2)。本发明的水溶性稀土离子掺杂NaYF4ONaGdF4上转换核壳结构纳米晶中，所述的稀土离子掺杂，稀土离子是Yb3+和Er3+，按摩尔比Yb3+: Er3+: Y3+=20: 2: 78。包覆一层四氟钆钠壳层时，核壳层按摩尔比Y3+:Gd3+=3: 1，制备得到的纳米晶，纳米粒子呈球状，平均粒径14 16nm;包覆两层四氟钆钠壳层时，核壳层按摩尔比Y3+:Gd3+=3: 2，制备得到的纳米晶，纳米粒子呈球状，平均粒径16 18nm ;包覆三层四氟钆钠壳层时，核壳层按摩尔比Y3+ =Gd3+=I: 1，制备得到的纳米晶，纳米粒子呈球状，平均粒径18 25nm;包覆四层四氟钆钠壳层时，核壳层按摩尔比Y3+:Gd3+=3: 4，制备得到的纳米晶，纳米粒子呈类球状，平均粒径28 38nm ;聚乙烯亚胺(PEI)包覆在纳米晶的表面。聚乙烯亚胺(PEI)包覆在制备的稀土离子掺杂NaYF4ONaGdF4上转换核壳结构纳米晶的表面(参见图3)，使粒子具备良好的水溶性，可以控制产物的形貌，还能以共价键与生物蛋白分子偶联。综上所述，本发明的水溶性NaYF4/NaGdF4上转换核壳结构纳米晶的技术方案是:—种水溶性NaYF4ONaGdF4上转换核壳结构纳米晶,其特征是,所述的核是四氟宇乙钠中掺杂镱和铒稀土离子，掺杂量按摩尔比为Yb3+: Er3+: Y3+=20: 2: 78 ;所述的核壳结构纳米晶呈类球形，平均直径14 38纳米。上述的水溶性NaYF4ONaGdF4上转换核壳结构纳米晶，其特征是，所述的核壳结构纳米晶表面包覆有聚乙烯亚胺，聚乙烯亚胺分子链上的氨基吸附在粒子的晶面上。上述的水溶性NaYF4_aGdF4上转换核壳结构纳米晶，其特征是，所述的NaYF4ONaGdF4上转换核壳结构纳米晶，是四六方两种物相的混合相。本发明制备稀土掺NaYF4ONaGdF4上转换核壳结构纳米晶的方法，以氟化铵为氟源，氯化钠为钠源，以三氯化钆为钆源，三氯化钇为钇源，六水合三氯化镱、六水合三氯化铒为掺杂稀土离子的原料，以聚乙烯亚胺为表面修饰大分子，乙二醇(EG)为溶剂，在内衬为聚四氟乙烯的微波反应器中，设置相应功率，时间在微波反应器中进行反应。制备水溶性NaYF4ONaGdF4I转换核壳结构纳米晶的具体技术方案如下:一种水溶性NaYF4ONaGdF4上转换核壳结构纳米晶的制备方法，步骤如下:I)将氟化铵与乙二醇按摩尔比为1: 60 120的比例混合，搅拌至均勻，得到氟化铵的乙二醇溶液；2)将三氯化钇、聚乙烯亚胺、乙二醇、氯化钠、六水合三氯化镱和六水合三氯化铒混合搅拌至均匀，得到反应混合物A ;其中三氯化钇、聚乙烯亚胺和乙二醇按摩尔比1: 4 8: 269 537，六水合三氯化镱和六水合三氯化铒加入量按摩尔比Yb3+: Er3+: Y3+=20: 2: 78计算，氯化钠摩尔用量等于稀土盐的总摩尔数，所述的稀土盐是三氯化钇、六水合三氯化镱和六水合三氯化铒；3)在反应混合物A中加入步骤I)得到的氟化铵的乙二醇溶液，装入微波反应器的内衬中，放入微波反应器里，在200 240°C下反应10 60分钟，反应结束后自然冷却至常温，得到反应产物a;其中，稀土盐总摩尔数与氟离子摩尔数之比为1: 4 5;4)反应产物a直接离心，沉淀分别用水和乙醇洗涤，除去乙二醇和未反应的聚乙烯亚胺，再真空干燥， 按每mmol稀土盐分散在5mL乙醇中，制得稀土掺杂四氟钇钠荧光标记纳米晶核的乙醇溶液；5)按体积取一半量的步骤4)得到的稀土掺杂四氟钇钠荧光标记纳米晶核的乙醇溶液，与三氯化钆、聚乙烯亚胺和乙二醇按摩尔比3:1: 4 8: 269 537的比例称量到容器中，加入氯化钠搅拌至均匀得到反应混合物B，其中，氯化钠与三氯化钆的摩尔比为1:1;6)将氟化铵与乙二醇按摩尔比为1: 60 120的比例混合，搅拌至均勻，得到氟化铵的乙二醇溶液，注入到步骤5)的反应混合物B中，装入微波反应器的内衬中，放入微波反应器里，在200 240°C下反应10 60分钟，反应结束后自然冷却至常温，得到反应产物b ;其中，稀土离子总摩尔数与氟离子摩尔数之比为1: 4 5;7)反应产物b直接离心，沉淀分别用水和乙醇洗涤，除去乙二醇和未反应的聚乙烯亚胺，再真空干燥，按每mmol稀土盐分散在5mL乙醇中，制得水溶性稀土掺杂四氟钇钠核@四氟钆钠壳荧光标记纳米晶的乙醇分散液；8)将得到的稀土掺杂四氟钇钠核O四氟钆钠壳荧光标记纳米晶的乙醇分散液重复步骤5 7，共O、1、2或3次；每次重复开始都是取前一次稀土掺杂四氟钇钠核O四氟钆钠壳荧光标记纳米晶的乙醇分散液的一半体积的量；每次重复时，三氯化钆摩尔用量均为稀土掺杂四氟钇钠中钇摩尔数的1/3。在上述的稀土离子掺杂NaYF4ONaGdF4上转换核壳结构纳米晶的制备过程中，溶剂乙二醇的用量在一定体积范围内对最终产品几乎没有影响，只影响后处理时的反复洗涤的次数。在上述的稀土离子掺杂NaYF4ONaGdF4上转换核壳结构纳米晶的制备过程中，聚乙烯亚胺作为表面修饰大分子在用量上可以按照实施例的给出的比例上下略有浮动。在上述的稀土离子掺杂NaYF4ONaGdF4上转换核壳结构纳米晶的制备过程中，氟化铵的用量与稀土盐按摩尔比至少为4: 1，考虑氟化铵的挥发性，可以加大氟化铵的用量，使其与稀土盐摩尔比达到5: I。优点及效果:本发明通过简单易行的微波合成法，微波是电磁波的一种，会在空间中产生电场和磁场的变化，引起物质内极性分子改变极化方向，使分子运动加剧获得热能。本发明的方法微波法作为合成纳米粒子的一种新方法具有其特有的突出的优点:高反应效率，操作方法简单便捷，物相均匀，无环境污染且产物产率高及工艺重复性好等。合成体系中，壳层钆源的量决定包覆的核壳层数，可以得到不同尺寸的核壳纳米晶，从直径14纳米到38纳米。选用聚乙烯亚胺做表面修饰大分子制备出分散良好且水溶性高的稀土离子掺杂NaYF4ONaGdF4上转换核壳结构纳米晶。通过红外光谱表征了洗涤干燥后的稀土离子掺杂NaYF4ONaGdF4上转换核壳结构纳米晶，证明了聚乙烯亚胺包覆在制备的稀土离子掺杂NaYF4ONaGdF4上转换核壳结构纳米晶的表面(如图3)，包裹作用一方面能提高上转换荧光发光效率，另一方面可克服外界环境对发光试剂的影响(如猝灭作用等)，增加发光试剂的稳定性。本发明利用敏化离子镱离子对980nm激光的高效吸收以及与激活离子之间有效的能量传递使激活离子发出特征峰，详细研究了各发光峰对应能级的跃迁及其发光机理。本发明更深入的对制备不同四氟钆钠壳层的掺杂稀土离子四氟钇钠纳米晶做了深入的研究、测试，表明随着壳层的增加可使上转换发光随之增强(如图4)，荧光寿命淬灭时间增加(如图5)。而且由于钆离子具有良好的X射线吸收性质，使得稀土掺杂NaYF4m米核被引入四氟钆钠的壳层之后，可以作为一种有效的CT响应剂(如图6)，在CT生物成像等领域也有着潜在的应用价值。这就更好的说明了本发明所制得的稀土离子掺杂NaYF4ONaGdF4上转换核壳结构纳米晶具有较高的荧光效率，较好的水溶性和生物应用价值。


图1是本发明实施例1 4制得的纯的四方相四氟钇钠母体掺杂镱离子和铒离子纳米晶和不同四氟钆纳壳层的低倍的透射电镜(TEM)图片。其中(a)为实施例1制得的纯的四方相四氟钇钠母体掺杂镱离子和铒离子纳米晶低倍的透射电镜(TEM) 图片；(b)为实施例1制得的一层四氟钆纳壳层的低倍的透射电镜(TEM)图片；(c)为实施例2制得的两层四氟钆纳壳层的低倍的透射电镜(TEM)图片；(d)为实施例3制得的三层四氟钆纳壳层的低倍的透射电镜(TEM)图片；(e)为实施例4制得的四层四氟钆纳壳层的低倍的透射电镜(TEM)图片。图2是本发明实施例1 4制得的纯的四方相四氟钇钠母体掺杂镱离子和铒离子纳米晶低倍的的粉末衍射(XRD)数据。其中(a)为实施例1制得的纯的四方相四氟钇钠母体掺杂镱离子和铒离子纳米晶低倍的粉末衍射(XRD)数据；(b)为实施例2制得的两层四氟钆纳壳层的低倍的粉末衍射(XRD)数据；(c)为实施例3制得的三层四氟钆纳壳层的低倍的粉末衍射(XRD)数据；(d)为实施例4制得的四层四氟钆纳壳层的低倍的粉末衍射(XRD)数据。图3是本发明实施例4制得的水溶性NaYF4ONaGdF4上转换核壳结构纳米晶的红外吸收光谱。图4是本发明实施例1 4制得的是本发明制得的纯的四方相四氟钇钠母体掺杂镱离子和铒离子纳米晶和不同四氟钆纳壳层的上转换荧光发射谱。其中(a)为实施例1制得的纯的四方相四氟钇钠母体掺杂镱离子和铒离子纳米晶低倍的上转换荧光发射谱；(b)为实施例1制得的一层四氟钆纳壳层的低倍的上转换荧光发射谱；(c)为实施例2制得的两层四氟钆纳壳层的低倍的上转换荧光发射谱；(d)为实施例3制得的三层四氟钆纳壳层的低倍的上转换荧光发射谱；(e)为实施例4制得的四层四氟钆纳壳层的低倍的上转换荧光发射谱。图5是本发明实施例1 4制得的是本发明制得的纯的四方相四氟钇钠母体掺杂镱离子和铒离子纳米晶和不同四氟钆纳壳层的上转换荧光寿命淬灭曲线。其中(a)为实施例1制得的纯的四方相四氟钇钠母体掺杂镱离子和铒离子纳米晶在650纳米处的上转换荧光寿命淬灭曲线；(b)为实施例1制得的一层四氟礼纳壳层在650纳米处的上转换突光寿命淬灭曲线.
(c)为实施例2制得的两层四氟钆纳壳层在650纳米处的上转换荧光寿命淬灭曲线.
(d)为实施例3制得的三层四氟钆纳壳层在650纳米处的上转换荧光寿命淬灭曲线.
(e)为实施例4制得的四层四氟钆纳壳层在650纳米处的上转换荧光寿命淬灭曲线。图6为本发明实施例4制得的四层NaYF4:Yb3+,Er3+iNaGdF4纳米晶的小鼠CT标记呈像照片。分别显示的是在标记0分钟，5分钟，15分钟，30分钟，60分钟，90分钟的脾脏和肾脏的CT显示图像。
具体实施例方式下面通过具体实施例对本发明中稀土离子掺杂NaYF4ONaGdF4上转换核壳结构纳米晶的制备作进一步说明，其目的仅在于更好理解本发明的内容而非限制本发明的保护范围。各实施例中所述的稀土盐的总量，是三氯化钇，六水合三氯化镱和六水合三氯化铒的总量。所述的稀土离子掺杂，是指镱、铒离子的掺杂；所有实施例中都有稀土离子镱、铒的掺杂。实施例1NaYF4核上包覆I层NaGdF4壳(I)将2.4mmol氟化铵与6mL乙二醇混合在称量瓶中，室温搅拌2h至均匀，得到nh4f/eg混合溶液。
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(2)称取0.15g聚乙烯亚胺到另一称量瓶中，按比例加入氯化钠、三氯化钇，六水合三氯化镱，六水合三氯化铒；注射入9mL乙二醇混合搅拌，得到反应混合物A。其中三氯化钇与聚乙烯亚胺按摩尔比1: 6的比例计算，六水合三氯化铒、六水合三氯化镱和三氯化钇的摩尔比为 2% (即 0.012mmol): 20% (即 0.12mmol): 78% (即 0.468mmol)的比例计算，稀土盐的总量为0.6mmol ;氯化钠(0.6mmol)与稀土盐的总量的摩尔比为1:1。(3)当反应混合物A混合搅拌至均匀溶液时，快速注入(I)步骤已制备好的氟化铵的乙二醇溶液(6mL)，搅拌约lOmin，将溶液装入微波反应釜衬中，放入微波反应器中2000C，反应lOmin，冷却至常温，得到反应产物a。(4)反应产物a直接离心，沉淀用水和乙醇分别反复洗涤，除去反应中的乙二醇和未反应的多余的聚乙烯亚胺，然后分散在3ml乙醇中，即可制备分散性良好的水溶性的NaYF4 =Yb3+, Er3+稀土荧光纳米粒子。(5)取1.5ml上述制备的NaYF4:Yb3+，Er3+稀土荧光纳米粒子的乙醇溶液(S卩，其中的稀土盐总摩尔量为0.3mmol)，与三氯化钆，聚乙烯亚胺和乙二醇按摩尔比3:1: 4 8: 269 537的比例称量到容器中，加入氯化钠搅拌至均匀得到反应混合物B，其中，三氯化钆为0.1mmol，氯化钠与三氯化钆的摩尔比为1:1;(6)将0.5mmol氟化铵与乙二醇按摩尔比为1: 60 120的比例混合，搅拌至均匀，得到氟化铵的乙二醇溶液；将配置的氟化铵的乙二醇溶液注入到(5)的反应混合物B中，装入微波反应器的内衬中，放入微波反应器里，在200°C下反应10分钟，反应结束后自然冷却至常温，得到反应产物b;其中，稀土离子总摩尔数与氟离子摩尔数之比为1: 5;(7)反应产物b直接离心，沉淀分别用水和乙醇洗涤，除去乙二醇和未反应的聚乙烯亚胺，再真空干燥，分散在乙醇中，制得水溶性稀土掺杂一层四氟钇钠核四氟钆钠壳荧光标记纳米晶分散到3毫升乙醇中(NaYF4 =Yb3+, Er3+觀aGdF4纳米晶)。反应产物a经X射线粉末衍射鉴定为四方相NaYF4 =Yb3+, Er3+纳米晶(如图2中a)，反应产物b经X射线粉末衍射鉴定为四方相NaYF4 =Yb3+, Er3+觀aGdF4纳米晶；反应产物a经透射电镜(TEM)检测 形貌，NaYF4:Yb3+，Er3+纳米粒子为类球状，大小约14nm (如图la)。反应产物b经透射电镜(TEM)检测形貌，NaYF4:Yb3+, Er3+iNaGdF4纳米粒子为类球状，大小约15nm (如图lb)。实施例2NaYF4核上包覆2层NaGdF4壳(I)将2.4mmol氟化铵与6mL乙二醇混合在称量瓶中，室温搅拌2h至均匀，得到nh4f/eg混合溶液。(2)先称取0.15g聚乙烯亚胺到另一称量瓶中，然后按比例加入氯化钠、三氯化钇，六水合三氯化镱，六水合三氯化铒；三氯化钇与聚乙烯亚胺按摩尔比1: 6的比例计算，六水合三氯化铒、六水合三氯化镱和三氯化钇的摩尔比为2%: 20%: 78%的比例计算；稀土盐的总量为0.6mmol，氯化钠与稀土盐的总量的摩尔比为1:1。在同一称量瓶中，注射A 9mL乙二醇混合搅拌至均匀，得到反应混合物A。(3)在反应混合物A中，快速注入已制备好的氟化铵的乙二醇溶液，搅拌约lOmin，将溶液装入微波反应釜衬中，放入微波反应器中200°C，反应lOmin，冷却至常温。(4)反应产物直接离心，沉淀用水和乙醇分别反复洗涤，除去反应中的乙二醇和未反应的多余的聚乙烯亚胺，然后分散在3ml乙醇中，即可制备分散性良好的水溶性的NaYF4:Yb3+，Er3+稀土荧光纳米粒子。(5)取1.5ml上述制备的NaYF4:Yb3+，Er3+稀土荧光纳米粒子的乙醇溶液(S卩，其中的稀土盐总摩尔量为0.3mmol)，与三氯化钆，聚乙烯亚胺和乙二醇按摩尔比3:1: 4 8: 269 537的比例称量到容器中，加入氯化钠搅拌至均匀得到反应混合物B，其中，三氯化钆为0.1mmol，氯化钠与三氯化钆的摩尔比为1:1;(6)将0.5mmol氟化铵与乙二醇按摩尔比为1: 60 120的比例混合，搅拌至均匀，得到氟化铵的乙二醇溶液；将配置的氟化铵的乙二醇溶液注入到(5)的反应混合物B中，装入微波反应器的内衬中，放入微波反应器里，在200°C下反应10分钟，反应结束后自然冷却至常温，得到反应产物b;其中，稀土离子总摩尔数与氟离子摩尔数之比为1: 5;(7)反应产物b直接离心，沉淀分别用水和乙醇洗涤，除去乙二醇和未反应的聚乙烯亚胺，再真空干燥，分散在乙醇中，制得水溶性稀土掺杂四氟钇钠核和一层四氟钆钠壳的荧光标记纳米晶分散到3毫升乙醇中(NaYF4 =Yb3+, Er3+觀aGdF4纳米晶)。(8)取1.5ml (其中的稀土盐总摩尔量为0.3mmol)上述制备的NaYF4 =Yb3+,Er3+觀aGdF4稀土荧光纳米粒子的乙醇溶液，与三氯化钆，聚乙烯亚胺和乙二醇按摩尔比3:1: 4 8: 269 537的比例称量到容器中，加入氯化钠搅拌至均匀得到反应混合物C，其中，三氯化钆为0.2mmol，氯化钠与三氯化钆的摩尔比为1:1;(9)将1.0mmol氟化铵与乙二醇按摩尔比为1: 60 120的比例混合，搅拌至均匀，得到氟化铵的乙二醇溶液；将配置的氟化铵的乙二醇溶液注入到(8)的反应混合物C中，装入微波反应器的内衬中，放入微波反应器里，在200°C下反应10分钟，反应结束后自然冷却至常温，得到反应产物c ;其中，稀土离子总摩尔数与氟离子摩尔数之比为1: 5;(10)反应产物c直接离心，沉淀分别用水和乙醇洗涤，除去乙二醇和未反应的聚乙烯亚胺，再真空干燥，分散在乙醇中，制得水溶性稀土掺杂四氟钇钠核和两层四氟钆钠壳的荧光标记纳米晶分散到3毫升乙醇中(NaYF4:Yb3+, Er3+ONaGdF4ONaGdF4纳米晶)。反应产物c经X射线粉末衍射鉴定为四方相NaYF4:Yb3+, Er3+iNaGdF4iNaGdF4纳米晶(如图2b);透射电镜(TEM)检测反应产物c形貌，NaYF4:Yb3+, Er3+_aGdF4_aGdF4纳米粒子为类球状，大小约17nm (如图lc)。实施例3NaYF4核上包覆3层NaGdF4壳(I)将2.4mmol氟化铵与6mL乙二醇混合在称量瓶中，室温搅拌2h至均匀，得到nh4f/eg混合溶液。(2)先称取0.15g聚乙烯亚胺到 另一称量瓶中，然后按比例加入氯化钠、三氯化钇，六水合三氯化镱，六水合三氯化铒；三氯化钇与聚乙烯亚胺按摩尔比1: 6的比例计算，六水合三氯化铒、六水合三氯化镱和三氯化钇的摩尔比为2%: 20%: 78%的比例计算；稀土盐的总量为0.6mmol，氯化钠与稀土盐的总量的摩尔比为1:1。在同一称量瓶中，注射A 9mL乙二醇混合搅拌至均匀，得到反应混合物A。(3)在反应混合物A中，快速注入已制备好的氟化铵的乙二醇溶液，搅拌约lOmin，将溶液装入微波反应釜衬中，放入微波反应器中200°C，反应lOmin，冷却至常温。(4)反应产物直接离心，沉淀用水和乙醇分别反复洗涤，除去反应中的乙二醇和未反应的多余的聚乙烯亚胺，然后分散在3ml乙醇中，即可制备分散性良好的水溶性的NaYF4:Yb3+，Er3+稀土荧光纳米粒子。(5)取1.5ml上述制备的NaYF4:Yb3+，Er3+稀土荧光纳米粒子的乙醇溶液(S卩，其中的稀土盐总摩尔量为0.3mmol)，与三氯化钆，聚乙烯亚胺和乙二醇按摩尔比3:1: 4 8: 269 537的比例称量到容器中，加入氯化钠搅拌至均匀得到反应混合物B，其中，三氯化钆为0.1mmol，氯化钠与三氯化钆的摩尔比为1:1;(6)将0.5mmol氟化铵与乙二醇按摩尔比为1: 60 120的比例混合，搅拌至均匀，得到氟化铵的乙二醇溶液；将配置的氟化铵的乙二醇溶液注入到(5)的反应混合物B中，装入微波反应器的内衬中，放入微波反应器里，在200°C下反应10分钟，反应结束后自然冷却至常温，得到反应产物b;其中，稀土离子总摩尔数与氟离子摩尔数之比为1: 5;(7)反应产物b直接离心，沉淀分别用水和乙醇洗涤，除去乙二醇和未反应的聚乙烯亚胺，再真空干燥，分散在乙醇中，制得水溶性稀土掺杂一层四氟钇钠核四氟钆钠壳荧光标记纳米晶分散到3毫升乙醇中(NaYF4 =Yb3+, Er3+觀aGdF4纳米晶)。(8)取1.5ml (其中的稀土盐总摩尔量为0.3mmol)上述制备的NaYF4 =Yb3+,Er3+觀aGdF4稀土荧光纳米粒子的乙醇溶液，与三氯化钆，聚乙烯亚胺和乙二醇按摩尔比3:1: 4 8: 269 537的比例称量到容器中，加入氯化钠搅拌至均匀得到反应混合物C，其中，三氯化钆为0.2mmol，氯化钠与三氯化钆的摩尔比为1:1;(9)将1.0mmol氟化铵与乙二醇按摩尔比为1: 60 120的比例混合，搅拌至均匀，得到氟化铵的乙二醇溶液；将配置的氟化铵的乙二醇溶液注入到(8)的反应混合物C中，装入微波反应器的内衬中，放入微波反应器里，在200°C下反应10分钟，反应结束后自然冷却至常温，得到反应产物c ;其中，稀土离子总摩尔数与氟离子摩尔数之比为1: 5;(10)反应产物c直接离心，沉淀分别用水和乙醇洗涤，除去乙二醇和未反应的聚乙烯亚胺，再真空干燥，分散在乙醇中，制得水溶性稀土掺杂四氟钇钠核和两层四氟钆钠壳的荧光标记纳米晶分散到3毫升乙醇中(NaYF4:Yb3+, Er3+ONaGdF4ONaGdF4纳米晶)。(11)取1.5ml (其中的稀土盐总摩尔量为0.3mmol)上述制备的NaYF4:Yb3+, Er3+iNaGdF4ONaGdF4稀土荧光纳米粒子的乙醇溶液，与三氯化钆，聚乙烯亚胺和乙二醇按摩尔比3:1: 4 8: 269 537的比例称量到容器中，加入氯化钠搅拌至均匀得到反应混合物D，其中，三氯化钆为0.3mmol，氯化钠与三氯化钆的摩尔比为1:1;(12)将1.5mmol氟化铵与乙二醇按摩尔比为1: 60 120的比例混合，搅拌至均匀，得到氟化铵的乙二醇溶液；将配置的氟化铵的乙二醇溶液注入到(11)的反应混合物D中，装入微波反应器的内衬中，放入微波反应器里，在200°C下反应10分钟，反应结束后自然冷却至常温，得到反应产物d;其中，稀土离子总摩尔数与氟离子摩尔数之比为1: 5;(13)反应产物d直接离心，沉淀分别用水和乙醇洗涤，除去乙二醇和未反应的聚乙烯亚胺，再真空干燥，分散在乙醇中，制得水溶性稀土掺杂四氟钇钠核和三层四氟钆钠壳的荧光标记纳米晶分散到3毫升乙醇中(NaYF4:Yb3+, Er3+ONaGdF4ONaGdF4ONaGdF4纳米晶)。
反应产物d经X射线粉末衍射鉴定为四方相NaYF4:Yb3+，Er3+iNaGdF4iNaGdF4iNaGdF4纳米晶(如图2c);透射电镜(TEM)检测反应产物d形貌，NaYF4:Yb3+, Er3+ONaGdF4ONaGdF4_aGdF4纳米粒子为类球状，大小约21nm (如图1d)。

实施例4NaYF4核上包覆4层NaGdF4壳(I)将2.4mmol氟化铵与6mL乙二醇混合在称量瓶中，室温搅拌2h至均匀，得到nh4f/eg混合溶液。(2)先称取0.15g聚乙烯亚胺到另一称量瓶中，然后按比例加入氯化钠、三氯化钇，六水合三氯化镱，六水合三氯化铒；三氯化钇与聚乙烯亚胺按摩尔比1: 6的比例计算，六水合三氯化铒、六水合三氯化镱和三氯化钇的摩尔比为2%: 20%: 78%的比例计算；稀土盐的总量为0.6mmol，氯化钠与稀土盐的总量的摩尔比为1:1。在同一称量瓶中，注射A 9mL乙二醇混合搅拌至均匀，得到反应混合物A。(3)在反应混合物A中，快速注入已制备好的氟化铵的乙二醇溶液，搅拌约lOmin，将溶液装入微波反应釜衬中，放入微波反应器中200°C，反应lOmin，冷却至常温。(4)反应产物直接离心，沉淀用水和乙醇分别反复洗涤，除去反应中的乙二醇和未反应的多余的聚乙烯亚胺，然后分散在3ml乙醇中，即可制备分散性良好的水溶性的NaYF4:Yb3+，Er3+稀土荧光纳米粒子。(5)取1.5ml上述制备的NaYF4:Yb3+，Er3+稀土荧光纳米粒子的乙醇溶液(S卩，其中的稀土盐总摩尔量为0.3mmol)，与三氯化钆，聚乙烯亚胺和乙二醇按摩尔比3:1: 4 8: 269 537的比例称量到容器中，加入氯化钠搅拌至均匀得到反应混合物B，其中，三氯化钆为0.1mmol，氯化钠与三氯化钆的摩尔比为1:1;
(6)将0.5mmol氟化铵与乙二醇按摩尔比为1: 60 120的比例混合，搅拌至均匀，得到氟化铵的乙二醇溶液；将配置的氟化铵的乙二醇溶液注入到(5)的反应混合物B中，装入微波反应器的内衬中，放入微波反应器里，在200°C下反应10分钟，反应结束后自然冷却至常温，得到反应产物b;其中，稀土离子总摩尔数与氟离子摩尔数之比为1: 5;(7)反应产物b直接离心，沉淀分别用水和乙醇洗涤，除去乙二醇和未反应的聚乙烯亚胺，再真空干燥，分散在乙醇中，制得水溶性稀土掺杂一层四氟钇钠核四氟钆钠壳荧光标记纳米晶分散到3毫升乙醇中(NaYF4 =Yb3+, Er3+觀aGdF4纳米晶)。(8)取1.5ml (其中的稀土盐总摩尔量为0.3mmol)上述制备的NaYF4:Yb3+，Er3+觀aGdF4稀土荧光纳米粒子的乙醇溶液，与三氯化钆，聚乙烯亚胺和乙二醇按摩尔比3:1: 4 8: 269 537的比例称量到容器中，加入氯化钠搅拌至均匀得到反应混合物C，其中，三氯化钆为0.2mmol，氯化钠与三氯化钆的摩尔比为1:1;(9)将1.0mmol氟化铵与乙二醇按摩尔比为1: 60 120的比例混合，搅拌至均匀，得到氟化铵的乙二醇溶液；将配置的氟化铵的乙二醇溶液注入到(8)的反应混合物C中，装入微波反应器的内衬中，放入微波反应器里，在200°C下反应10分钟，反应结束后自然冷却至常温，得到反应产物c ;其中，稀土离子总摩尔数与氟离子摩尔数之比为1: 5;(10)反应产物c直接离心，沉淀分别用水和乙醇洗涤，除去乙二醇和未反应的聚乙烯亚胺，再真空干燥，分散在乙醇中，制得水溶性稀土掺杂四氟钇钠核和两层四氟钆钠壳的荧光标记纳米晶分散到3毫升乙醇中(NaYF4:Yb3+, Er3+ONaGdF4ONaGdF4纳米晶)。(11)取1.5ml (其中的稀土盐总摩尔量为0.3mmol)上述制备的NaYF4:Yb3+, Er3+iNaGdF4ONaGdF4稀土荧光纳米粒子的乙醇溶液，与三氯化钆，聚乙烯亚胺和乙二醇按摩尔比3:1: 4 8: 269 537的比例称量到容器中，加入氯化钠搅拌至均匀得到反应混合物D，其中，三氯化钆为0.3m mol，氯化钠与三氯化钆的摩尔比为1:1;(12)将1.5mmol氟化铵与乙二醇按摩尔比为1: 60 120的比例混合，搅拌至均匀，得到氟化铵的乙二醇溶液；将配置的氟化铵的乙二醇溶液注入到(11)的反应混合物D中，装入微波反应器的内衬中，放入微波反应器里，在200°C下反应10分钟，反应结束后自然冷却至常温，得到反应产物d;其中，稀土离子总摩尔数与氟离子摩尔数之比为1: 5;(13)反应产物d直接离心，沉淀分别用水和乙醇洗涤，除去乙二醇和未反应的聚乙烯亚胺，再真空干燥，分散在乙醇中，制得水溶性稀土掺杂四氟钇钠核和三层四氟钆钠壳的荧光标记纳米晶分散到3毫升乙醇中(NaYF4:Yb3+, Er3+ONaGdF4ONaGdF4ONaGdF4纳米晶)。(14)取1.5ml (其中的稀土盐总摩尔量为0.3mmol)上述制备的NaYF4:Yb3+, Er3+iNaGdF4ONaGdF4稀土荧光纳米粒子的乙醇溶液，与三氯化钆，聚乙烯亚胺和乙二醇按摩尔比3:1: 4 8: 269 537的比例称量到容器中，加入氯化钠搅拌至均匀得到反应混合物E，其中，三氯化钆为0.4mmol，氯化钠与三氯化钆的摩尔比为1:1;(15)将2.0mmol氟化铵与乙二醇按摩尔比为1: 60 120的比例混合，搅拌至均匀，得到氟化铵的乙二醇溶液；将配置的氟化铵的乙二醇溶液注入到(14)的反应混合物E中，装入微波反应器的内衬中，放入微波反应器里，在200°C下反应10分钟，反应结束后自然冷却至常温，得到反应产物e;其中，稀土离子总摩尔数与氟离子摩尔数之比为1: 5;(16)反应产物e直接离心，沉淀分别用水和乙醇洗涤，除去乙二醇和未反应的聚乙烯亚胺，再真空干燥，分散在乙醇中，制得水溶性稀土掺杂四氟钇钠核和四层四氟钆钠壳的荧光标记纳米晶分散到3毫升乙醇中(NaYF4:Yb3+, Er3+iNaGdF4iNaGdF4iNaGdF4iNaGdF4纳米晶)。反应产物e经X射线粉末衍射鉴定为四六方混合相NaYF4 =Yb3+, Er3+觀aGdF4@NaGdF4ONaGdF4纳米晶(如图2d);透射电镜(TEM)检测反应产物e形貌，NaYF4 =Yb3+, Er、NaGdF4@NaGdF4@NaGdF4@NaGdF4纳米粒子为类球状，大小约32nm(如图le)。至此，四层NaYF4:Yb3+，Er3+iNaGdF4iNaGdF4iNaGdF4iNaGdF4纳米粒子制备完毕，所得的荧光强度随着壳层的增加逐渐增强(如图4a_e)，荧光寿命随着壳层的增加逐渐增大(如图5a_e)。实施例5改变微波反应时间在实施例1 4的步骤(3)、(6)中，放入微波反应器里2001:反应60111111，均可得到分散性良好的水溶性的NaYF4:Yb3+, Er3+ONaGdF4稀土荧光纳米晶。增加反应时间不会使粒径变大，但会使纳米晶结晶化好以致荧光效率高。实施例6改变微波反应温度在实施例1 4的步骤(3)、(6)中，放入微波反应器里2201:反应10111111，均可得到分散性良好的水溶性的NaYF4:Yb3+, Er3+ONaGdF4稀土荧光纳米晶。增加反应温度不会使粒径变大，但会使纳米晶结晶化好以致荧光效率高。实施例7改变氟化铵的用量在实施例1 4的步骤(1)、(6)、(9)、(12)中，氟化铵的量按与稀土盐的总量(SP，三氯化钇，六水合三氯化镱和六水合三氯化铒的总量)摩尔比1: 4 12的比例计算，均可得到分散性良好的水溶性的NaYF4:Yb3+, Er3+ONaGdF4稀土荧光纳米晶。实施例8改变乙二醇的用量
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在实施例1 4的(5)、(8)、(11)、(14)步骤中，可以是注入乙二醇，得到反应混合物B、C、D、E0乙二醇摩尔量与稀土盐的摩尔总量(即，三氯化钇,六水合三氯化镱和六水合三氯化铒的总量)比为269 537: 1，均可得到分散性良好的水溶性的NaYF4 =Yb3+, Er、NaGdF4稀土荧光纳米晶。
权利要求
1.一种水溶性NaYF4ONaGdF4上转换核壳结构纳米晶，其特征是，所述的核是四氟钇钠中掺杂镱和铒稀土离子，掺杂量按摩尔比为Yb3+: Er3+: Y3+=20: 2: 78 ;所述的核壳结构纳米晶呈类球形，平均直径14 38纳米。
2.按照权利要求1所述的水溶性NaYF4ONaGdF4上转换核壳结构纳米晶，其特征是，所述的核壳结构纳米晶表面包覆有聚乙烯亚胺，聚乙烯亚胺分子链上的氨基吸附在粒子的晶面上。
3.按照权利要求1或2所述的水溶性NaYF4ONaGdF4上转换核壳结构纳米晶，其特征是，所述的NaYF4ONaGdF4上转换核壳结构纳米晶，是四六方两种物相的混合相。
4.一种权利要求1的水溶性NaYF4ONaGdF4上转换核壳结构纳米晶的制备方法，步骤如下: 1)将氟化铵与乙二醇按摩尔比为1: 60 120的比例混合，搅拌至均匀，得到氟化铵的乙二醇溶液； 2)将三氯化钇、聚乙烯亚胺、乙二醇、氯化钠、六水合三氯化镱和六水合三氯化铒混合搅拌至均匀，得到反应混合物A ;其中三氯化钇、聚乙烯亚胺和乙二醇按摩尔比1: 4 8: 269 537，六水合三氯化镱和六水合三氯化铒加入量按摩尔比Yb3+: Er3+: Y3+=20: 2: 78计算，氯化钠摩尔用量等于稀土盐的总摩尔数，所述的稀土盐是三氯化钇、六水合三氯化镱和六水合三氯化铒； 3)在反应混合物A中加入步骤I)得到的氟化铵的乙二醇溶液，装入微波反应器的内衬中，放入微波反应器里，在200 240°C下反应10 60分钟，反应结束后自然冷却至常温，得到反应产物a;其中，稀土盐总摩尔数与氟离子摩尔数之比为1: 4 5; 4)反应产物a直接离心，沉淀分别用水和乙醇洗涤，除去乙二醇和未反应的聚乙烯亚胺，再真空干燥，按每mmol稀土盐分散在5mL乙醇中，制得稀土掺杂四氟钇钠荧光标记纳米晶核的乙醇溶液； 5)按体积取一半量的步骤4)得到的稀土掺杂四氟钇钠荧光标记纳米晶核的乙醇溶液，与三氯化钆、聚乙烯亚胺和乙二醇按摩尔比3:1: 4 8: 269 537的比例称量到容器中，加入氯化钠搅拌至均匀得到反应混合物B，其中，氯化钠与三氯化钆的摩尔比为1:1; 6)将氟化铵与乙二醇按摩尔比为1: 60 120的比例混合，搅拌至均匀，得到氟化铵的乙二醇溶液，注入到步骤5)的反应混合物B中，装入微波反应器的内衬中，放入微波反应器里，在200 240°C下反应10 60分钟，反应结束后自然冷却至常温，得到反应产物b ；其中，稀土离子总摩尔数与氟离子摩尔数之比为1: 4 5; 7)反应产物b直接离心，沉淀分别用水和乙醇洗涤，除去乙二醇和未反应的聚乙烯亚胺，再真空干燥，按每mmol稀土盐分散在5mL乙醇中，制得水溶性稀土掺杂四氟钇钠核O四氟钆钠壳荧光标记纳米晶的乙醇分散液； 8)将得到的稀土掺杂 四氟钇钠核@四氟钆钠壳荧光标记纳米晶的乙醇分散液重复步骤5 7，共O、1、2或3次；每次重复开始都是取前一次稀土掺杂四氟钇钠核O四氟钆钠壳荧光标记纳米晶的乙醇分散液的一半体积的量；每次重复时，三氯化钆摩尔用量均为稀土掺杂四氟钇钠中钇摩尔数的1/3。
全文摘要
本发明的水溶性NaYF4@NaGdF4上转换核壳结构纳米晶及其制备方法属于微波多元醇化学方法合成的技术领域。本发明的上转换核壳结构纳米晶是制备外层四氟钆钠壳添加量的不同尺寸可调控的球，平均直径14～38纳米；所得到的物相从四方相向六方相转变。本发明的核壳结构纳米晶有聚乙烯亚胺包覆在四氟钆钠纳米晶的表面,使粒子具备良好的水溶性,可以控制产物的形貌，使纳米晶具有很好的生物兼容性；随着壳层的增加可使上转换发光随之增强，荧光寿命淬灭时间增长；可作为一种有效的CT响应剂，在生物成像等领域有着潜在的应用价值。即，本发明核壳结构纳米晶具有较高的荧光效率，较好的水溶性和生物应用价值。
文档编号C09K11/85GK103173222SQ20131008401
公开日2013年6月26日 申请日期2013年3月15日 优先权日2013年3月15日
发明者施展, 李菲菲, 李春光, 白天语, 陈彩玲, 冯守华 申请人:吉林大学