一种镓酸盐长余辉纳米发光材料及其制法与应用的制作方法

本发明属于长余辉纳米发光材料技术领域，具体涉及一种镓酸盐长余辉纳米发光材料及其制备方法与应用。

背景技术：

长余辉发光材料具有移除激发光源后仍然保持长时间发光的特性，目前已广泛应用于紧急照明、安全应急指示、夜视侦查、工艺美术涂料、外观装饰、信息存储以及高能射线探测等领域。由于长余辉纳米发光材料可以在荧光成像和生物检测前激发，在“免激发”条件下实现生物传感和成像，因而有效避免了原位激发产生的背景干扰，在生物技术领域具有广阔的应用前景。目前报道的长余辉纳米发光材料的应用研究主要集中在荧光成像领域，在荧光标记生物检测上仅有为数不多的研究报道，并且这些荧光标记生物检测都是基于荧光共振能量传递(fret)的均相生物检测。但均相生物检测体系中由于存在生物基体对激发光的竞争吸收，同时还与荧光标记物存在相互能量传递引起自发荧光干扰影响，大大降低了检测的准确性和灵敏性。与均相检测相比，异相生物检测将检测标本与生物基体分离，可以排除生物基体的影响，从而极大提高检测灵敏度与准确性。此外，国内外报道长余辉纳米发光材料合成主要是采用水热法、溶胶-凝胶法并结合高温热处理，然而高温热处理的过程会导致所合成的长余辉纳米发光材料发生团聚，且形貌和分散性差。同时由于在纳米尺度下余辉强度弱、余辉时间短的问题，无法满足生物体内长时间监测的迫切需求。因此，发展一种简单的方法合成出形貌尺寸均一、分散性好且余辉性能优良的长余辉纳米发光材料，是其在生物医学领域面向实际应用的前提。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的问题，本发明的目的之一是提供一种镓酸盐长余辉纳米发光材料的制备方法。所述制备方法的合成条件容易控制，可以合成出形貌尺寸均一、分散性较好、重复率高的水溶性或油溶性的镓酸盐长余辉纳米发光材料。

本发明的目的之二是提供上述方法制备得到的镓酸盐长余辉纳米发光材料，所述材料可以是水溶性或油溶性的，具有良好的长余辉发光性能，可以实现重复性再激发获得超长余辉时间。

本发明的目的之三是提供上述水溶性的镓酸盐长余辉纳米发光材料的应用，主要是应用于生物技术领域；具体地，将其与生物分子偶联后可应用于生物检测，特别是应用于异相荧光标记生物检测领域。

发明人研究发现，长余辉纳米发光材料尤其是近红外发光(650-1000nm)的长余辉纳米发光材料逐渐引起人们的广泛关注。与其他传统的荧光标记材料相比，近红外长余辉纳米发光材料可以有效避免因直接激发所引起的生物组织自发荧光、背景噪音等干扰，同时近红外发射具有较高的生物组织穿透力，因此近红外长余辉纳米发光材料在荧光成像和生物检测等领域有着广阔的应用前景。尤其是采用本发明所述的制备方法制备得到的水溶性的镓酸盐长余辉纳米发光材料具有形貌尺寸均一、分散性好、无任何团聚等特点，这恰恰为所述材料在荧光成像与生物检测中的应用提供了一个重要的保障。同时，目前还没有研究报道过将所述长余辉纳米发光材料作为无背景荧光纳米探针实现对生物分子的异相生物检测领域中的应用。

基于这样的思路，我们完成了本发明。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种镓酸盐长余辉纳米发光材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

(1)配制碱金属的氢氧化物的醇水溶液；

(2)配制镓盐、其他金属盐及任选地铬盐的混合水溶液；

(3)向上述步骤(1)的醇水溶液中依次加入长链有机酸和步骤(2)的混合水溶液，进行溶剂热反应，即制备得到油溶性的镓酸盐长余辉纳米发光材料。

根据本发明，步骤(1)中使用的碱金属的氢氧化物为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂中的至少一种；优选为氢氧化钠。

根据本发明，步骤(1)和步骤(2)中使用的水为去离子水、超纯水、蒸馏水中的至少一种；优选为去离子水。

根据本发明，步骤(1)中使用的醇为甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、丁醇中的至少一种；优选为乙醇；还优选为无水乙醇。

根据本发明，上述步骤(1)中，所述水和醇的体积比为1:2～10，所述碱金属的氢氧化物与水的质量比为0.05～0.2:1。

根据本发明，上述步骤(2)中，所述镓盐选自硝酸镓、氯化镓、醋酸镓、硫酸镓中的至少一种；所述铬盐选自硝酸铬、氯化铬、醋酸铬、硫酸铬中的至少一种。

根据本发明，所述其他金属盐选自除镓盐和铬盐以外的其他金属盐；优选地，所述其他金属盐选自锌盐、镁盐中的至少一种；还优选地，所述锌盐选自硝酸锌、氯化锌、醋酸锌、硫酸锌中的至少一种；所述镁盐选自硝酸镁、氯化镁、醋酸镁、硫酸镁中的至少一种。

根据本发明，上述步骤(2)中，所述混合水溶液中其他金属盐、镓盐、铬盐的摩尔比为(0.7～2):2:(0～0.1)；所述混合水溶液中镓盐的浓度为0.5～2mol/l。

根据本发明，步骤(3)中，所述长链有机酸选自油酸、亚油酸等中的至少一种；优选地，所述长链有机酸选自油酸。

根据本发明，上述步骤(3)中，所述长链有机酸和醇水溶液的体积比为1:1～7；所述混合水溶液和醇水溶液的体积比为1:1～7。

根据本发明，上述步骤(3)中，所述溶剂热反应的温度为150～280℃；所述溶剂热反应的时间为4-48h；优选地，所述溶剂热反应的温度为170～210℃；所述溶剂热反应的时间为5-24h。

根据本发明，上述制备方法还包括以下步骤：

(4)对步骤(3)制备得到的油溶性的镓酸盐长余辉纳米发光材料进行表面改性，即制备得到水溶性的镓酸盐长余辉纳米发光材料。

根据本发明，上述步骤(4)中，所述表面改性包括酸洗处理和配体交换中的至少一种方法。

根据本发明，所述的酸洗处理方法具体为：将步骤(3)制备得到的油溶性的镓酸盐长余辉纳米发光材料溶于盐酸的醇溶液(该盐酸的醇溶液的ph＝1～2)中，搅拌，离心并收集纳米颗粒，再用醇洗涤，即制备得到水溶性的镓酸盐长余辉纳米发光材料。

其中，盐酸的醇溶液中的醇和洗涤用醇，为乙醇，优选为无水乙醇。

根据本发明，所述的配体交换方法具体为：将步骤(3)制备得到的油溶性的镓酸盐长余辉纳米发光材料溶于环己烷中，与溶解有四氟硼酸亚硝的二氯甲烷相互混合，搅拌后离心洗涤，并将沉淀物分散在二甲基甲酰胺中，加入磷酸乙醇胺，继续搅拌后离心洗涤，即制备得到水溶性的镓酸盐长余辉纳米发光材料。

本发明还提供一种镓酸盐长余辉纳米发光材料，所述材料是通过上述方法制备得到的。

根据本发明，所述镓酸盐长余辉纳米发光材料是油溶性的，其本体的化学式为mga2o4:x％cr³⁺；其中，m为zn或mg；0≤x≤10；其表面有长链有机酸。

优选地，所述0＜x≤5；还优选地，所述0＜x≤1；进一步优选地，所述0＜x≤0.6。

根据本发明，所述镓酸盐长余辉纳米发光材料是水溶性的，其本体的化学式为mga2o4:x％cr³⁺；其中，m为zn或mg；0≤x≤10；其表面有氨基或其表面是经酸化改性的。

优选地，所述0＜x≤5；还优选地，所述0＜x≤1；进一步优选地，所述0＜x≤0.6。

也就是说，所述水溶性的长余辉纳米发光材料可以是氨基化的镓酸盐、或者是表面酸化改性的镓酸盐。

其中，所述镓酸盐具有立方相尖晶石结构。

其中，所述纳米发光材料为纳米颗粒形式且尺寸形貌均一，呈近球形，粒径范围在3-30nm。

本发明的纳米发光材料为纳米颗粒形式，其分散性、均一性和重复性好；另外，本发明的发光材料具有良好的长余辉发光性能，

本发明进一步提供了一种上述水溶性的镓酸盐长余辉纳米发光材料在生物技术领域中的应用。

优选地，将所述水溶性的镓酸盐长余辉纳米发光材料与生物分子偶联后在生物检测领域的应用。

还优选地，将所述水溶性的镓酸盐长余辉纳米发光材料与生物分子偶联后在异相荧光检测领域的应用。

进一步优选地，使用所述水溶性的镓酸盐长余辉纳米发光材料作为无背景荧光探针实现了异相荧光生物检测。

本发明的有益效果在于：

1.本发明提供了一种镓酸盐长余辉纳米发光材料的制备方法，所述方法是以长链有机酸(如油酸)为表面活性剂，采用溶剂热法制备得到一系列不同粒径的镓酸盐长余辉纳米发光材料。该方法制备的长余辉纳米发光材料的粒径范围在3-30nm，其尺寸形貌均一、分散性好，具有良好的长余辉发光性能，可以实现重复性再激发获得超长余辉时间。

2.对于本发明制备的油溶性的镓酸盐长余辉纳米发光材料可以采用酸洗处理和配体交换中的至少一种方法进行表面修饰，所述表面修饰的方法简单实用，周期时间短。且改性后的水溶性的镓酸盐长余辉纳米发光材料可与生物分子进行偶联，利用长余辉的发光特性，可应用于生物技术领域，具体是应用于生物检测领域，特别是应用于异相荧光生物检测领域。

附图说明

图1为实施例1制备得到的znga2o4:0.4％cr³⁺长余辉纳米发光材料的x射线粉末衍射图。

图2为实施例1制备得到的znga2o4:0.4％cr³⁺长余辉纳米发光材料的透射电镜图。

图3为实施例1制备得到的znga2o4:0.4％cr³⁺长余辉纳米发光材料的室温发射光谱图。

图4为实施例1制备得到的znga2o4:0.4％cr³⁺长余辉纳米发光材料的长余辉衰减曲线。

图5为实施例1制备得到的znga2o4:0.4％cr³⁺长余辉纳米发光材料的多次长余辉衰减-再激发曲线图。

图6中的(a)、(b)分别为实施例2制备得到的znga2o4:0.4％cr³⁺长余辉纳米发光材料的x射线粉末衍射图、在水溶液中放置一个月前后的水合粒径分布图。

图7为实施例1和2制备得到的znga2o4:0.4％cr³⁺长余辉纳米发光材料的长余辉衰减曲线对比图。

图8为实施例1和3制备得到的znga2o4:0.4％cr³⁺长余辉纳米发光材料的红外光谱对比图。

图9为实施例4中利用生物素化的znga2o4:0.4％cr³⁺长余辉纳米发光材料对亲和素蛋白进行异相检测的校准曲线，插图为校准曲线的线性范围曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不是用于限制本发明的保护范围。此外，应理解，在阅读了本发明所记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落如本发明的保护范围。

本发明中，所述纳米材料的x射线粉末衍射图(xrd)，测试仪器型号为miniflex2，厂家为rigaku，铜靶辐射波长为λ＝0.154187nm。

本发明中，所述的纳米材料的透射电镜照片(tem)，测试仪器型号为jem-2010，厂家为jeol。

本发明中，所述纳米材料的发射光谱图，测试仪器型号为fls980，厂家为edinburgh，激发光源为450w的氙灯。

本发明中，所述纳米材料的水合粒径分布图，测试仪器型号为nanozszen3600，厂家为malvern。

本发明中，所述纳米材料的红外光谱图，测试仪器型号为magna750，厂家为nicolet。

实施例1

油溶性znga2o4:0.4％cr³⁺长余辉纳米发光材料的制备

(1)将8ml去离子水、18ml无水乙醇以及0.6g氢氧化钠混合超声，使氢氧化钠完全溶解，即配制得到氢氧化钠的乙醇水溶液；

(2)将6ml油酸加入到步骤(1)中的氢氧化钠的乙醇水溶液中，搅拌15min；

(3)将1ml硝酸锌溶液(1mol/l)、2ml硝酸镓溶液(1mol/l)以及8μl硝酸铬溶液(0.5mol/l)相互混合，超声获得透明的混合水溶液，然后逐滴加入到步骤(2)获得的混合液中，在室温下均匀搅拌0.5h；

(4)将得到的混合溶液转移到40ml容积的水热釜中(内村为聚四氟乙烯)，将水热釜密封，进行溶剂热反应，放入预设定温度为210℃的烘箱中加热16h；

(5)将自然冷却至室温的水热釜从烘箱中取出，釜底白色沉淀经离心、洗涤，得到油溶性长余辉纳米发光材料，其本体的化学式为znga2o4:0.4％cr³⁺。

从图1中可以看出，该油溶性长余辉纳米发光材料具有良好的结晶性，其衍射峰的位置与znga2o4的pdf标准卡片(jcpdsno.86-0415)一致，为纯的立方相尖晶石结构，无杂相。

如图2所示，该油溶性长余辉纳米发光材料为近球形，在环己烷中分散性好、形貌均一，粒径约为7nm。

如图3所示，在271nm的激发波长下，该油溶性长余辉纳米发光材料具有高效的近红外光发射。

如图4所示，当停止紫外光激发后，该油溶性长余辉纳米发光材料的近红外长余辉在经过2h后仍然具有较高的长余辉信号。

如图5所示，该油溶性长余辉纳米发光材料的近红外长余辉经过40min后，使用家用式白光led灯预先照射3min，激发停止后可以观察到长余辉信号又可以恢复且几乎没有明显的信号减弱，并且至少可以实现6次这样的余辉衰减-再激发过程。

实施例2

水溶性znga2o4:0.4％cr³⁺长余辉纳米发光材料的制备-酸洗处理

(1)取15ml无水乙醇于三角烧瓶中，加入115μl浓盐酸，使其ph＝1；

(2)将40mg上述实施例1制备得到的油溶性长余辉纳米发光材料加入到步骤(1)配制的溶液中，搅拌30min，离心，无水乙醇洗涤数次，即制备得到所述水溶性长余辉纳米发光材料，为表面酸化改性的znga2o4:0.4％cr³⁺。

从图6(a)中可以看出，该水溶性长余辉纳米发光材料的衍射峰的位置与znga2o4的pdf标准卡片(jcpdsno.86-0415)一致，为纯的立方相尖晶石结构，无杂相。

如图6(b)所示，该水溶性长余辉纳米发光材料在去离子水中拥有高度的胶体稳定性，放置一个月后其水合粒径几乎没有发生变化。

图7为实施例1和2制备得到的znga2o4:0.4％cr³⁺长余辉纳米发光材料的长余辉衰减曲线对比图，由图可知，酸洗处理前后该纳米材料的长余辉发光性能几乎没有发生变化，说明采用的酸洗处理不影响该纳米材料的长余辉发光性能。

实施例3

水溶性znga2o4:0.4％cr³⁺长余辉纳米发光材料的制备-配体交换

(1)将40mg上述实施例1制备得到的油溶性长余辉纳米发光材料溶于5ml环己烷中，26mg四氟硼酸亚硝溶于5ml二氯甲烷中，两者相互混合，搅拌10min，离心、洗涤，最后产物分散在10ml二甲基甲酰胺中；

(2)在上述步骤(1)的二甲基甲酰胺溶液中加入100mg磷酸乙醇胺，搅拌1h，加入丙酮沉淀，用二甲基甲酰胺和去离子水洗涤数次，得到所述水溶性长余辉纳米发光材料，即氨基化的znga2o4:0.4％cr³⁺。

图8为实施例1和3制备得到的znga2o4:0.4％cr³⁺长余辉纳米发光材料的红外光谱对比图，由图可知，经过配体交换后，可以观察到该长余辉纳米发光材料在1633cm^-1和1079cm^-1处有强烈的红外吸收峰，同时对应于油酸分子的长烷基链中的2921cm^-1和2853cm^-1处的特征吸收峰几乎消失，说明经过配体交换成功在该纳米材料表面修饰上氨基。

实施例4

利用水溶性znga2o4:0.4％cr³⁺长余辉纳米发光材料进行亲和素蛋白检测

1.水溶性znga2o4:0.4％cr³⁺长余辉纳米发光材料的生物素化：

(1)取10mg的生物素(购买自西格玛(中国))溶于2ml去离子水中，加入200μl浓氨水并超声至溶液透明澄清；

(2)将20mg的上述实施例2制备得到的水溶性znga2o4:0.4％cr³⁺长余辉纳米发光材料加入到上述溶液中，搅拌30min，离心、洗涤，分散在去离子水中备用。

2.基于生物素化znga2o4:0.4％cr³⁺长余辉纳米发光材料的异相生物检测：

(1)在96孔的微孔板中加入100μl的亲和素的梯度标准溶液(由ph＝9.6的包被液配制而成)，37℃下孵育1h；

(2)微孔板用pbst洗涤3次，加入200μl的乙醇胺封闭液，37℃下孵育1h；

(3)每个孔中加入100μl的50μg/ml的生物素化的znga2o4:0.4％cr³⁺长余辉纳米发光材料溶液，37℃下孵育1h，pbst洗涤3次；

(4)在多功能酶标仪(synergy4，biotek)上使用发光模式进行纳米材料的长余辉信号记录，积分时间设置为2s。

如图9所示，生物素化znga2o4:0.4％cr³⁺纳米材料的长余辉发光增强信号随着微孔板上每个孔中亲和素蛋白浓度的增加而增加，说明了生物素化长余辉纳米发光材料能够很好地与亲和素蛋白结合，以空白平均值加3倍标准差来估算最低检测限为150pm。

实施例5

油溶性znga2o4长余辉纳米发光材料的制备

(1)将8ml去离子水、18ml无水乙醇以及0.6g氢氧化钠混合超声，使氢氧化钠完全溶解，即配制得到氢氧化钠的乙醇水溶液；

(2)将6ml油酸加入到步骤(1)中的氢氧化钠的乙醇水溶液中，搅拌15min；

(3)将1ml硝酸锌溶液(1mol/l)、2ml硝酸镓溶液(1mol/l)相互混合，超声获得透明的混合水溶液，然后逐滴加入到步骤(2)获得的混合液中，在室温下均匀搅拌0.5h；

(4)将得到的混合溶液转移到40ml容积的水热釜中(内村为聚四氟乙烯)，将水热釜密封，进行溶剂热反应，放入预设定温度为210℃的烘箱中加热16h；

(5)将自然冷却至室温的水热釜从烘箱中取出，釜底白色沉淀经离心、洗涤，得到油溶性长余辉纳米发光材料，其本体的化学式为znga2o4。

实施例6

油溶性mgga2o4:0.5％cr³⁺长余辉纳米发光材料的制备

(1)将6ml去离子水、15ml无水乙醇以及0.6g氢氧化钠混合超声，使氢氧化钠完全溶解，即配制得到氢氧化钠的乙醇水溶液；

(2)将6ml油酸加入到步骤(1)中的氢氧化钠的乙醇水溶液中，搅拌15min；

(3)将1ml硝酸镁溶液(1mol/l)、2ml硝酸镓溶液(1mol/l)以及10μl硝酸铬溶液(0.5mol/l)相互混合，超声获得透明的混合水溶液，然后逐滴加入到步骤(2)获得的混合液中，在室温下均匀搅拌0.5h；

(4)将得到的混合溶液转移到40ml容积的水热釜中(内村为聚四氟乙烯)，将水热釜密封，进行溶剂热反应，放入预设定温度为200℃的烘箱中加热24h；

(5)将自然冷却至室温的水热釜从烘箱中取出，釜底白色沉淀经离心、洗涤，得到油溶性长余辉纳米发光材料，其本体的化学式为mgga2o4:0.5％cr³⁺。

实施例7

油溶性mgga2o4长余辉纳米发光材料的制备

(1)将6ml去离子水、15ml无水乙醇以及0.6g氢氧化钠混合超声，使氢氧化钠完全溶解，即配制得到氢氧化钠的乙醇水溶液；

(2)将6ml油酸加入到步骤(1)中的氢氧化钠的乙醇水溶液中，搅拌15min；

(3)将1ml硝酸镁溶液(1mol/l)、2ml硝酸镓溶液(1mol/l)相互混合，超声获得透明的混合水溶液，然后逐滴加入到步骤(2)获得的混合液中，在室温下均匀搅拌0.5h；

(4)将得到的混合溶液转移到40ml容积的水热釜中(内村为聚四氟乙烯)，将水热釜密封，进行溶剂热反应，放入预设定温度为200℃的烘箱中加热24h；

(5)将自然冷却至室温的水热釜从烘箱中取出，釜底白色沉淀经离心、洗涤，得到油溶性长余辉纳米发光材料，其本体的化学式为mgga2o4。

以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。