核壳型稀土上转换复合纳米粒子及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种核壳型稀土上转换复合纳米粒子及其制备方法。该复合纳米粒子是以包覆有二氧化硅纳米颗粒的银离子为核，该核外包覆有稀土氧化物而形成粒径为80～90nm的核壳结构的纳米粒子，其化学式为：Ag@SiO2@Lu2O3:Gd/Yb/Er；其中所述的银核的粒径为：18～22nm；二氧化硅壳的厚度为：17～33nm；稀土氧化物壳层厚度为：3.5～4.5nm。本发明的复合纳米粒子荧光强度增强了30倍。将该纳米粒子应用于HeLa细胞成像，能检测到较强的荧光。这是第一次以Lu2O3:Gd,Yb,Er作为上转换荧光团进行的金属增强荧光研究，30倍的金属增强荧光值亦是现有上转换纳米晶中最强的。这种增加效果使得所制备的复合纳米粒子成为一种非常有应用前景的荧光纳米探针，可广泛应用于高灵敏的生物、医学和光学检测领域。
【专利说明】核壳型稀土上转换复合纳米粒子及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种上转换复合纳米粒子及其制备方法，特别是一种核壳型稀土上转换复合纳米粒子及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着纳米科技的迅猛发展，稀土上转换发光纳米晶因其独特的光学及化学性质受到诸多关注。相对于其他荧光材料(如有机染料或量子点)，稀土上转换纳米晶(UCNs)呈现出许多优点，例如低毒性，高化学稳定性，窄带发射，较大的反斯托克位移，较深的光穿透深度和空间分辨率，对生物组织无损伤等；此外，稀土上转换发光只需要低功率密度的近红外连续激光器(典型的激发波长为980nm)。但是，UCNs通常因为结构上的缺陷上而导致上转换发光效率低，同时小的吸收截面也导致了它的激发效率受到限制。因此UCNs应用于高敏感度医学和生物探测仍然受到一定限制，如单分子测定，生动成像和其它光学应用。为了增强上转换荧光强度并扩展UCNs的应用，目前已经研究出一些方法，例如包裹二氧化硅壳，制造核壳结构，Gd3+离子掺杂,引入贵金属纳米粒子等。众所周知，引入贵金属纳米粒子用于金属增强荧光(MEF)是一种有效的增强荧光强度的策略。MEF产生于荧光团和金属纳米粒子(银和金)等离子体共振的相互作用，导致金属纳米微粒周围的局域电磁场增强，从而增强激发效率，同时使荧光团的辐射衰变速率亦随之增强，这两方面都共同作用增强荧光团的荧光强度。MEF在 有机染料，量子点和稀土配合物的应用已经被广泛地研究，这其中也包含了我们之前所做的工作。但是，截止目前为止MEF应用于UCNs还鲜有报道。更重要的是，在现有的报导中，其增强倍数不够理想。最近报导的NaYF4:Yb，ErOSiO2OAg和AgOSiO2OY2O3 = Er核壳纳米结构的最大金属增强荧光为4倍和14.4倍，其中14.4为已报导的文献中的最大值。但是，这些增强可能仍然难以满足高敏感度检测的要求。因此，进一步的研究以取得更高的增强效果，得到更大荧光强度的上转换纳米粒子显得十分有必要。
【发明内容】
[0003]本发明的目的之一在于提供一种核壳型稀土上转换复合纳米粒子。
[0004]本发明的目的之二在于提供该复合纳米粒子的制备方法。
[0005]为达到上述目的，本发明采用如下技术方案:
一种核壳型稀土上转换复合纳米粒子，其特征在于该复合纳米粒子是以包覆有二氧化硅纳米颗粒的银离子为核，该核外包覆有稀土氧化物而形成粒径为80~90nm的核壳结构的纳米粒子，其化学式为=AgOSiO2OLu2O3:Gd/Yb/Er ;其中所述的银核的粒径为:18~22nm ；二氧化硅壳的厚度为:17~33nm ;稀土氧化物壳层厚度为:3.5~4.5 nm。
[0006]上述的稀土氧化物为氧化镥，氧化镱，氧化钆或氧化铒。
[0007]—种制备上述的核壳型稀土上转换复合纳米粒子的方法，其特征在于该方法的具体步骤为:
a.将硝酸银和聚乙烯吡咯烷酮按9:1~10:1的摩尔比溶解在乙二醇中，其中硝酸银的浓度为0.03、.04mol/L,再以10°C /min的速度加热到120°C，并保温lh，冷却，在溶液中加入丙酮，析出沉淀，离心分离，制得到纳米银溶解于去离子水中配成lOmg/mL的水溶液；
b.聚氧代乙烯(5)壬基苯基醚、环己烷、步骤a所得纳米银水溶液中纳米银按27:52:1~ 30:55:1质量比溶解于去离子水中，搅拌20分钟后加入催化剂用量的，再次搅拌25分钟，加入正硅酸乙酯和环己烷按1:1的体积比配制成的混合液，其中所述的纳米银和TEOS的摩尔比为6: f 7:1，搅拌48h后加入丙酮，析出沉淀，离心分离，再用水洗醇洗后，得到二氧化硅包覆的银，即AgOSiO2 ；
c.将稀土氧化物溶解于浓盐酸和水按3:1的体积比的混合液中，升温至90°C，反应至溶液变澄清透明，继续加热，蒸发掉溶剂，稀土氯化物以白色粉末状结晶析出；然后将步骤b所得AgOSiO2、所得稀土氯化物和尿素按1:5:44的质量比加入到水中，磁力搅拌20分钟后，加热至90°C，并维持2 h，冷却后离心分离，醇洗，干燥，然后于70(TC下高温煅烧3h，得到产品 AgOSiO2OLu2O3:Gd/Yb/Er 纳米粒子。
[0008]本发明的核壳型复合纳米粒子AgOSiO2OLu2O3:Gd/Yb/Er,并对其性能进行了研究。研究发现，由于MEF和Lu2O3:Gd/Yb/Er形成的新型核壳结构，与单纯的无金属纳米银的SiO2OLu2O3:Gd/Yb/Er纳米粒子相比，新型的复合纳米粒子荧光强度增强了 30倍。将该纳米粒子应用于HeLa细胞成像，能检测到较强的荧光。这是第一次以Lu2O3 = Gd, Yb，Er作为上转换荧光团进行的金属增强荧光研究，30倍的金属增强荧光值亦是现有上转换纳米晶中最强的。这种增加效果使得所制备的复合纳米粒子成为一种非常有应用前景的荧光纳米探针，可广泛应用于高灵敏的生物、医学和光学检测领域。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1为本发明制备方法的流程图。
[0010]图2 为 SiO2OLu2O3:Gd/Yb/Er (A)和 AgiSi02iLu203: Gd/Yb/Er (B) X 射线荧光衍射(XRD)谱图。
[0011]图3为 AgOSiO2(A) and AgOSiO2OLu2O3: Gd/Yb/Er (B)透射电镜(TEM)照片，Ag (A内部)and Lu2O3 (B内部)为高分辨投射(HRTEM)照片。
[0012]图4为AgOSiO2OLu2O3:Gd/Yb/Er为能量色散型X射线荧光(EDX)图谱。
[0013]图5 AgiSiO2, SiO2OLu2O3: Gd/Yb/Er 和 AgOSiO2OLu2O3: Gd/Yb/Er 紫外可见吸收光谱。
[0014]图6 SiO2OLu2O3:Gd/Yb/Er(A)和 AgOSiO2OLu2O3:Gd/Yb/Er (B)的荧光发射光谱。
[0015]图7明场肝癌细胞细胞(A)，绿光成像图(520-560 nm) (B)，红光成像图(625-700nm) channels (C), B 和 C 叠加图(D), A 和 D 叠加图(E)。
[0016]图8上转换荧光信号扫描图，细胞外区域(I和5，细胞质区域(2和4)，细胞核区域(3)。
[0017]图9为三维肝癌细胞荧光成像图。
【具体实施方式】
[0018]实验原料:氧化镥，氧化镱，氧化钆，氧化铒(纯度:99.999%，上海跃龙有色金属有限公司)，聚氧代乙烯(5)壬基苯基醚(C0-520)，聚乙烯吡咯烷酮(Sigma-aldrich)，浓盐酸，硝酸银，乙二醇，正硅酸乙酯，聚乙烯吡咯烷酮，尿素，氨水(国药试剂)
实施例一:参见图1，具体步骤为:
1.Ag纳米球的制备:将0.4gAgN03固体和10 g PVP溶解在75ml乙二醇中，将混合物以10 ° C/min的速度加热到120 ° C，并保温lh，冷却，在溶液中加入大量丙酮，析出沉淀，离心分离，置于无水乙醇中保存，以备使用。 [0019]2核壳微粒制备:4ml C0-520, 10 ml环己烷，2 ml水，0.15g纳米银加入30ml圆底烧瓶中，搅拌20分钟后加入50 μ L氨水，再次搅拌25分钟，加入100 TEOS混合液(50%TEOS /50%环己烷)，搅拌48h后加入适量丙酮，离心分离，水洗醇洗数次后保存以备使用。
[0020].Ag@Si02@Lu203:Gd/Yb/Er核壳结构复合纳米粒子的制备:首先分别将稀土氧化物Lu2O3, Gd2O3, Yb2O3, Er2O3溶解于适量浓硝酸及水，经过蒸发去除多余的酸及水，结晶制得稀土氯化物。然后将 0.05 g AgOSiO2, 2.2g 尿素，0.75 mmol LnCl3 (Ln = 54%Lu, 24%Gd,20%Yb, 2%Er )混合后加入到200 mL水中，磁力搅拌20分钟后，置于锥形瓶中加热至90° C并维持2 h，冷却后离心分离，醇洗3次，将制得的产品于80 ° C干燥12h，然后于700° C下高温煅烧3h，得到产品AgOSiO2OLu2O3: Gd/Yb/Er纳米粒子。
[0021]共聚焦显微镜成像
HeLa细胞接种在底部厚度为0.17mm的细胞培养皿中，置于37° C、5%二氧化碳的细胞培养箱中培养24h后，弃去原培养基，加入200 μ g/mL AgOSiO2OLu2O3:Gd/Yb/Er溶液，继续培养3h后，弃去培养液，培养皿用PBS缓冲液(pH7.4)清洗细胞3次除去未进细胞的AgOSiO2OLu2O3:Gd/Yb/Er纳米粒子，最后加入ImL PBS缓冲液。最后用配置980nm波长连续激光器的共聚焦激光扫描显微镜观察细胞成像。
[0022]结果与讨论
参见图2。谱图A和B中出现了 Ag和Lu203的明显衍射峰。图谱中衍射峰位置(211，222，400, 440, 622)与标准立方相 Lu203 (JCPDS 12-0728)的 XRD 谱线相吻合。AgOSiO2OLu2O3:Gd/Yb/Er出现四个明显的衍射峰(111，200, 220 311)与立方晶型Ag (JCPDS87-0720)的XRD标准卡相符合，并且无其他杂质的衍射峰出现。
[0023]为观察样品其形貌和尺寸，对样品进行了 TEM和HRTEM的测定，如图3所示。从图3A可见,Ag核成球形,粒径分布在20nm左右,包裹SiO2后颗粒仍为球形,大小均匀,AgOSiO2粒径在80nm左右，SiO2厚度约为30nm。图3B为AgiSiO^Lu2O3: Gd/Yb/Er的TEM图，纳米粒子成形状均一的球形，粒径在88nm左右，Lu2O3: Gd/Yb/Er壳厚度约为4nm。图3 A中右上角为Ag纳米粒子的高分辨TEM图，可以看到晶面间距为0.241nm对应于(111)晶面间距，此为立方向纳米Ag。图3B右上角为Lu2O3层的高分辨TEM图，其晶格间距为0.319nm对应于(222)晶面间距，说明Lu2O3层为立方相晶型。图4为AgOSiO2OLu2O3:Gd/Yb/Er为EDX图谱，由图可看出其元素组成为Ag, Si, O, Lu, Gd, Yb,进一步证明AgOSiO2OLu2O3:Gd/Yb/Er已成功合成。
[0024]紫外可见吸收光谱(UV-Vis)分析
样品UV-Vis谱图如图5所示,AgOSiO2在450 nm附件出现Ag的等离子体共振吸收峰。单纯的Ag纳米粒子等离子体共振吸收峰为390nm附近,包裹SiO2后,使得Ag纳米颗粒周围的局域折射率增大，从而导致了 Ag颗粒表面等离子体共振吸收峰红移。Ag@Si02@Lu203:Gd/Yb/Er复合粒子的等离子体共振吸收峰位于550nm,相对AgOSiO2又有较大的红移,这是因为AgOSiO2被Lu2O3: Gd/Yb/Er包覆形成核壳结构后，使得AgOSiO2粒子的表面折射率继续增大，这种变化使得红移再次发生。Ag@Si02@Lu203:Gd/Yb/Er纳米粒子的UV-Vis吸收光谱中出现Ag的表面等离子体共振吸收峰，表明Ag核成功包裹在纳米粒子中。
[0025]荧光光谱分析
SiO2OLu2O3:Gd/Yb/Er 和 AgOSiO2OLu2O3:Gd/Yb/Er 纳米粒子在浓度为 1.0 mg/mL 下的荧光发射光谱如图6所示，激发波长为980nm，均表现出Er3+的特征红光发射峰，最强发射峰位于662nm,对应于Er3+的4F9/2 — 4I1572电子跃迁。同时在520nm和550nm处有Er3+的2H1172 — 4I1572 and 4S372 — 4115/2的特征发射跃迁峰，这是Er3+的特征绿光发射，但强度较弱。
[0026]图6中，AgOSiO2OLu2O3:Gd/Yb/Er复合纳米粒子的荧光强度相比较于没有银的纳米粒子SiO2OLu2O3:Gd/Yb/Er高出30倍，说明利用金属纳米Ag的金属增强荧光效应有效地提高了纳米粒子的荧光强度。其增强机理可解释为:金属纳米微粒可通过表面等离子激元与光子间强烈的共振耦合极大地增强金属纳米微粒周围的电磁场，进而提高金属纳米微粒附近发光体的激发效率，同时增强其辐射衰变速率。两者共同作用的结果使发光体的荧光强度增强。在我们的研究中，银纳米的表面离子体共振吸收带没有和荧光团的激活波长(980nm)重叠。由此可以推断，增加激发效率在所制备的复合纳米粒子的荧光增强不起主要作用，起关键作用的是系统的辐射衰变速率增强。当然，在复合纳米粒子中，Ag纳米粒子和荧光团之间的分隔距离，Ag纳米粒子的粒径等在金属增强荧光效应中也起到了重要的作用。参考文献报导，我们在该研究中，选取二氧化硅壳厚度和银核粒径分别为30nm和20nm。结果表明，所制备的纳米粒子选用该尺寸的硅壳厚度和银核粒径可以达到理想的荧光增强效果。
[0027]细胞成像`
为验证纳米复合材料应用于生物成像的可能性，以980nm激发波长对HeLa细胞进行细胞成像。将含200 μ g/mL纳米粒子的PBS缓冲溶液加入HeLa细胞中，37 ° C下温育3个小时，通过共聚焦显微镜观测。如图7所示，在细胞质区域观察到了在625-700nm(红色)和520-560nm(绿色)的强光信号。此外，为了验证纳米复合材料进入了细胞质而没有进入细胞核，我们还进行了上转换发光(UCL)信号强度的定量分析，试验选取细胞中5个位置不同点分别分析其UCL。由图7可看出，HeLa细胞质区域有很高的荧光信号(区域2和区域4计数为4000),而细胞核处没有检测到荧光信号。
[0028]此外，还进行了活细胞的三维成像，结果如图8所示，结果进一步证明该纳米粒子能进入细胞可用于细胞成像，且纳米粒子进入细胞后分布在细胞质区域。
【权利要求】
1.一种核壳型稀土上转换复合纳米粒子，其特征在于该复合纳米粒子是以包覆有二氧化硅纳米颗粒的银离子为核，该核外包覆有稀土氧化物而形成粒径为80~90nm的核壳结构的纳米粒子，其化学式为:Ag@Si02@Lu203:Gd/Yb/Er ;其中所述的银核的粒径为:18~22nm ;二氧化硅壳的厚度为:17~33nm ;稀土氧化物壳层厚度为:3.5~4.5 nm。
2.根据权利要求1所述的核壳型稀土上转换复合纳米粒子，其特征在于所述的稀土氧化物为氧化镥，氧化镱，氧化钆或氧化铒。
3.一种制备根据权利要求1或2所述的核壳型稀土上转换复合纳米粒子的方法，其特征在于该方法的具体步骤为: a.将硝酸银和聚乙烯吡咯烷酮按9:1~10:1的摩尔比溶解在乙二醇中，其中硝酸银的浓度为0.03、.04mol/L,再以10°C /min的速度加热到120°C，并保温lh，冷却，在溶液中加入丙酮，析出沉淀，离心分离，制得到纳米银溶解于去离子水中配成lOmg/mL的水溶液； b.聚氧代乙烯(5)壬基苯基醚、环己烷、步骤a所得纳米银水溶液中纳米银按27:52: 30:55:1质量比溶解于去离子水中，搅拌20分钟后加入催化剂用量的，再次搅拌25分钟，加入正硅酸乙酯和环己烷按1:1的体积比配制成的混合液，其中所述的纳米银和TEOS的摩尔比为6: f 7:1，搅拌48h后加入丙酮，析出沉淀，离心分离，再用水洗醇洗后，得到二氧化硅包覆的银，即AgOSiO2 ； c.将稀土氧化物溶解于浓盐酸和水按3:1的体积比的混合液中，升温至90°C，反应至溶液变澄清透明，继续加热，蒸发掉溶剂，稀土氯化物以白色粉末状结晶析出；然后将步骤b所得AgOSiO2、所得稀土氯化物和尿素按1:5:44的质量比加入到水中，磁力搅拌20分钟后，加热至90°C，并维持2 h，冷却后离心分离，醇洗，干燥，然后于70(TC下高温煅烧3h，得到产品 AgOSiO2OLu2O3:Gd/Yb/Er 纳米粒子。
【文档编号】C09K11/02GK103756668SQ201410007982
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月8日 优先权日:2014年1月8日
【发明者】尹东光, 欧阳娟 申请人:上海大学