一种GdF3:Yb3+,Er3+上转换荧光纳米棒的制备方法与流程

本发明涉及发光材料领域，具体是一种gdf3:yb³⁺,er³⁺上转换荧光纳米棒的制备方法。

背景技术

稀土掺杂上转换发光纳米粒子(ucnps)是一类能够吸收长波长近红外光子而发射短波长紫外可见光子的新型发光材料。与传统的有机染料、半导体量子点等下转换荧光材料相比，ucnps具有化学稳定性高、生物毒性低、光稳定性强、发射带狭窄、荧光寿命长，无光闪烁和光漂白等优点。不仅如此，由于ucnps的激发光波长位于低能近红外区，对生物组织损伤小且具有较深组织穿透能力，因此，在生物医学领域，尤其在癌症的诊断与治疗领域表现出极大的应用前景。目前，人们已经在上转换发光纳米粒子的控制合成、细胞标记、活体成像、光动力治疗、以及成像引导下的癌症治疗等许多领域展开了一系列深入的研究和探索。

ucnps通常由基质材料、激活剂和敏化剂构成。基质材料主要为激活离子提供适合的晶体场，本身不会发光。目前常用的基质材料主要有氧化物、氟化物和硫化物等。其中氟化物由于其较低的声子能量、较大的禁带宽度等特点成为最常用的基质材料。常用作激活剂的稀土元素有：er³⁺、tm³⁺、ho³⁺、eu³⁺等，激活剂决定了上转换纳米颗粒所发射的光，如掺杂er³⁺发绿光、掺杂tm³⁺发蓝光、掺杂ho³⁺发红光，其中，er³⁺因具有寿命较长的中间态能级，可以连续吸收两个或者多个光子实现上转换发光而成为研究最多的激活剂。稀土元素yb³⁺则由于激发光波长是980nm且吸收截面大，是目前最为常用且最有效的上转换敏化剂。

ucnps的制备方法很多，主要包括共沉淀法、溶胶－凝胶法、高温热分解法、水热/溶剂热法，微乳液法和等。其中水热法能够较好的控制上转换纳米颗粒的尺寸和形貌，是应用最广泛的方法之一。水热法是在密封的压力容器中，以水作为溶剂、粉体经溶解和再结晶的制备材料的方法。这种方法突出的优点是所需的温度较低，对合成过程中所用的稀土盐的纯度要求也较低，材料的生成过程容易控制，合成的材料晶相好，粒径均匀且产物产率高。到目前为止，科学家们利用该方法已成功的合成了多种上转换材料。在水热合成过程中，选用的稳定剂，各种原材料的比例、浓度、ph值、合成温度等因素都会影响纳米颗粒的晶型、形状以及大小。

到目前为止，球形纳米颗粒的研究较为成熟，但是非球形纳米颗粒鲜有报道。非球形结构在生物医学应用方面表现出明显的优越性：

第一，形状在许多方面都影响药物释放的机理，如它影响聚合物的降解和药物释放动力学。调节载药颗粒的形状可以调节药物释放的机制，甚至可以避免爆释。具有平面形状的非球粒子可以实现零级释放，而具有不同厚度的粒子由于在降解过程中其形状会不断改变，所以具有独特的降解方式。

第二，形状还影响聚合物粒子的体内传输和循环。例如:和球形粒子相比，细长的粒子更容易随流体运动，因此它们可以在弯曲的器官和组织中更顺畅地通过。人的血小板和红细胞也有其独特的形状，球形粒子直径要小于200nm才能通过脾，但是直径在10μm左右的圆盘状柔韧的红细胞却可以避免其在脾中被过滤掉。

第三，粒子的形状和局部曲率也会影响其靶向能力，当把所包裹的药物运输到特定的细胞时影响靶向基团连接到细胞膜的受体。在最近的文献中已经有报道证明非球形粒子比球形粒子更适合体内药物靶向:将靶向组织里积累的不同直径(100nm-10μm)的球形粒子和微小尺寸(1μm×3μm)的椭圆盘状粒子相对比，发现微米尺寸圆盘状粒子的靶向效率比任何尺寸球形粒子的靶向效率都高[muros,garnachoc,championja,etal.controlofendothelialtargetingandintracellulardeliveryoftherapeuticenzymesbymodulatingthesizeandshapeoficam-1-targetedcarriers.[j].moleculartherapy,2008,16(8):1450]。

第四，粒子的形状和结合位置的局部形状会影响其被细胞吞噬的速率。被非吞噬细胞内吞也和形状有关系，高纵横比的非球形粒子被内吞的速率是相同体积球形粒子的4倍。

第五，形状对粒子在细胞膜上的黏附作用也有重要的影响。由于棒状粒子复杂的液体动力和它们的扭矩使得其比球形粒子更容易漂向壁垒。这就说明了类球形载体比球形载体更容易黏附在细胞膜上。

第六，通过降解来释放治疗性高分子药物也依赖于粒子的形状。因此，能够制备出特定形状的非球形粒子作为药物载体可以很大地提高体内疗效。

第七，通过实验的方法研究不同形状的纳米颗粒在你暗夜中的扩散，结果表明，棒状颗粒展现了比球形颗粒更快的扩散速度。

由此可见，非球形纳米颗粒不仅增加了可负载药物的表面积，还在药物释放、体内传输、循环、靶向能力、被巨噬细胞内吞的速率、细胞膜上的黏附作用以及在胃肠黏液中的扩散等多方面都比相应的球形粒子表现出更优越的性能。

不仅如此，纳米棒阵列结构做为电子传输层可以为电子的传输提供直接的通道,从而提高电子在电子传输层中的迁移距离,减少电子在电子传输层中的复合率。这种阵列结构在太阳能电池方面的应用较为常见。近年来，还有文献报道棒状结构纳米颗粒对近红外光的吸收也较球形颗粒有大幅提高。

本课题组于2017年5月25日向国家知识产权局提交的发明名称为：一种gdf3:yb³⁺,er³⁺上转换荧光纳米材料的制备方法，申请号为2017103774262的中国发明专利申请，该专利申请采用一步水热法成功制备出一种巯基丙酸修饰的gdf3:yb³⁺,er³⁺上转换荧光纳米材料。这种一步水热法解决了上转换纳米粒子制备和表面修饰两步法操作复杂、成本较高等问题，其制备出的上转换纳米颗粒也显示较强的绿色上转换发光。基于上述发明专利申请所记载的合成方法，本课题组现提出一种棒状gdf3:yb³⁺,er³⁺上转换纳米粒子的制备方法。

技术实现要素：

本发明通过改进水热法，提出了一种gdf3:yb³⁺,er³⁺上转换荧光纳米棒的制备方法。

本发明采用了如下的技术方案。

一种gdf3:yb³⁺,er³⁺上转换荧光纳米棒的制备方法，包括以下步骤：

a.将氢氧化钠、油酸和无水乙醇溶液混合，磁力搅拌10-20分钟，直至生成白色粘溶液；

b.称取nh4f固体，制备溶液，磁力搅拌下加入步骤a得到的混合溶液中，继续磁力搅拌约10-20分钟得到乳白色半透明溶液；

c.分别称取gd(no3)3·6h2o、yb(no3)3·5h2o、er(no3)3·5h2o粉末，制备溶液，磁力搅拌下加入步骤b得到的混合溶液中，继续磁力搅拌约10-30分钟至完全溶解；

d.将步骤c制备的白色悬浊液转移至聚四氟乙烯水热高压反应釜中，在160-230℃下持续加热8-20小时；

e.待聚四氟乙烯高压水热反应釜冷却至室温，2000-3000rpm离心2-3分钟，分别用环己烷和无水乙醇交替洗涤沉淀，最后将沉淀溶解于环己烷中；

f.将步骤e所得溶液2000-3000rpm离心2-3分钟，得白色沉淀进行烘干，干燥后的白色固体粉末即为gdf3:yb³⁺,er³⁺上转换荧光纳米棒。

进一步的，步骤a中的氢氧化钠与步骤c中的钆离子的物质的量之比为15:1-30:1。

进一步的，步骤b中的氟化氨与步骤c中的总稀土离子的物质的量之比为4:1。

进一步的，所述步骤c中钆离子、镱离子和铒离子的物质的量之比为65:30:5-79:20:1。

进一步的，所述步骤c中钆离子、镱离子和铒离子的物质的量之比为78:20:2。

进一步的，所述步骤f中gdf3:yb³⁺,er³⁺上转换荧光纳米棒的纵横比为1:3-1:5。

本发明获得了如下有益效果。

本发明对一步水热法进行了改进，以油酸为表面稳定剂，通过控制氢氧化钠与氟化氨的量以及与稀土离子的物质比等条件来达到改变纳米颗粒大小和形貌的目的，从而合成了gdf3:yb³⁺,er³⁺上转换荧光纳米棒，并且获得了纵横比为1:3～1:5的较规则的纳米棒结构。该发光材料粒径均一，分散性较好，且荧光强度强。较大的表面积也为进一步连接药物或靶向物质提供了更大的负载面积。另外，本发明应用水热法合成，具有操作简单、工艺流程短、成本较为低廉等优点，在细胞多模态成像、癌症及其它重大疾病的诊断与治疗方面具有广泛的临床应用价值。

附图说明

图1是本发明实施例1制备的gdf3:20％yb³⁺,2％er³⁺上转换荧光纳米棒透射电镜照片；

图2是本发明实施例1制备的gdf3:20％yb³⁺,2％er³⁺上转换荧光纳米棒扫描电镜照片；

图3是在980nm激光照射下，本发明实施例1制备的gdf3:20％yb³⁺,2％er³⁺上转换荧光光谱图；

图4是本发明实施例2制备的gdf3:30％yb³⁺,5％er³⁺上转换荧光纳米棒透射电镜照片；

图5是在980nm激光照射下，本发明实施例2制备的gdf3:30％yb³⁺,5％er³⁺上转换荧光光谱图；

图6是本发明实施例3制备的gdf3:20％yb³⁺,1％er³⁺上转换荧光纳米棒透射电镜照片；

图7是在980nm激光照射下，本发明实施例3制备的gdf3:20％yb³⁺,1％er³⁺上转换荧光光谱图。

具体实施方式

以下参照附图及实施例对本发明进行进一步的说明。

实施例1

一种gdf3:20％yb³⁺,2％er³⁺上转换荧光纳米棒一步水热合成法，包括以下步骤：

a.将0.7g氢氧化钠、7.95ml油酸和12.66ml无水乙醇至于50ml塑料烧杯中，磁力搅拌20分钟，使其充分混匀，直至生成白色粘溶液；

b.称取0.2146gnh4f固体，制备10ml水溶液，磁力搅拌下加入8.3ml于步骤a得到的混合溶液中，继续磁力搅拌约20分钟得到乳白色半透明溶液；

c.称取gd(no3)3·6h2o、yb(no3)3·5h2o、er(no3)3·5h2o粉末，分别制备出0.80m、0.63m、0.40m的水溶液，磁力搅拌下分别取1.1ml、0.35ml、0.05ml加入步骤b得到的混合溶液中，继续磁力搅拌约20分钟至完全溶解；

d.将步骤c制备的白色悬浊液转移至聚四氟乙烯水热高压反应釜中，在180℃下持续加热12小时；

e.待聚四氟乙烯高压水热反应釜冷却至室温，2000-3000rpm离心3分钟，分别用环己烷和无水乙醇交替洗涤沉淀，最后将沉淀溶解于环己烷中；

f.将步骤e所得溶液2000-3000rpm离心3分钟，得白色沉淀进行烘干，干燥后的白色固体粉末即为gdf3:20％yb³⁺,2％er³⁺上转换荧光纳米棒。

本实施例制备得到的gdf3:20％yb³⁺,2％er³⁺的tem照片如图1所示，纳米粒子呈棒状结构，直径约40nm，长度约150nm，分散性较好。图2为gdf3:20％yb³⁺,2％er³⁺纳米棒的sem照片，如图所示，纳米棒的横截面为正六边形，纳米颗粒呈六棱柱型。在980nm近红外激发下，gdf3:20％yb³⁺,2％er³⁺的上转换荧光光谱图如图3所示，在405-433nm、515-599nm以及654-677nm处存在三个上转换荧光峰，分别为蓝色、绿色和红色发射带，对应于er离子²h9/2—⁴i15/2、²h11/2，⁴s3/2—⁴i15/2、⁴f9/2—⁴i15/2的能级跃迁，其中绿色发射峰强度最强，而红色发射峰最弱，绿色发射峰约为蓝色发射峰的8倍，为红色发射峰的13倍左右。

实施例2

一种gdf3:30％yb³⁺,5％er³⁺上转换荧光纳米棒一步水热合成法，包括以下步骤：

a.将0.7g氢氧化钠、7.95ml油酸和12.66ml无水乙醇至于50ml塑料烧杯中，磁力搅拌20分钟，使其充分混匀，直至生成白色粘稠溶液；

b.称取0.2146gnh4f固体，制备10ml水溶液，磁力搅拌下加入8.3ml于步骤a得到的混合溶液中，继续磁力搅拌约20分钟得到乳白色半透明溶液；

c.称取gd(no3)3·6h2o、yb(no3)3·5h2o、er(no3)3·5h2o粉末，分别制备出0.71m、1.03m、1.20m的水溶液，磁力搅拌下分别取1.1ml、0.35ml、0.05ml加入步骤b得到的混合溶液中，继续磁力搅拌约20分钟至完全溶解；

d.将步骤c制备的白色悬浊液转移至聚四氟乙烯水热高压反应釜中，在180℃下持续加热12小时；

e.待聚四氟乙烯高压水热反应釜冷却至室温，2000-3000rpm离心3分钟，分别用环己烷和无水乙醇交替洗涤沉淀，最后将沉淀溶解于环己烷中；

f.将步骤e所得溶液2000-3000rpm离心3分钟，得白色沉淀进行烘干，干燥后的白色固体粉末即为gdf3:30％yb³⁺,5％er³⁺上转换荧光纳米棒。

本实施例制备得到的gdf3:30％yb³⁺,5％er³⁺的tem照片如图4所示，纳米粒子呈六角盘状结构，直径约100-200nm，厚度约40nm，分散性较好。在980nm近红外激发下，gdf3:30％yb³⁺,5％er³⁺的上转换荧光光谱图如图5所示，在515-599nm以及654-677nm处存在两个上转换荧光峰，分别为绿色和红色发射带，对应于er离子²h11/2,⁴s3/2—⁴i15/2、⁴f9/2—⁴i15/2的能级跃迁，其中绿色发射峰强度较强，约为红色发射峰的16倍左右。

实施例3

一种gdf3:20％yb³⁺,1％er³⁺上转换荧光纳米棒一步水热合成法，包括以下步骤：

a.将0.7g氢氧化钠、7.95ml油酸和12.66ml无水乙醇至于50ml塑料烧杯中，磁力搅拌20分钟，使其充分混匀，直至生成白色粘稠溶液；

b.称取0.2146gnh4f固体，制备10ml水溶液，磁力搅拌下加入8.3ml于步骤a得到的混合溶液中，继续磁力搅拌约20分钟得到乳白色半透明溶液；

c.称取gd(no3)3·6h2o、yb(no3)3·5h2o、er(no3)3·5h2o粉末，分别制备出0.86m、0.69m、0.24m的水溶液，磁力搅拌下分别取1.1ml、0.35ml、0.05ml加入步骤b得到的混合溶液中，继续磁力搅拌约20分钟至完全溶解；

d.将步骤c制备的白色悬浊液转移至聚四氟乙烯水热高压反应釜中，在180℃下持续加热12小时；

e.待聚四氟乙烯高压水热反应釜冷却至室温，2000-3000rpm离心3分钟，分别用环己烷和无水乙醇交替洗涤沉淀，最后将沉淀溶解于环己烷中；

f.将步骤e所得溶液2000-3000rpm离心3分钟，得白色沉淀进行烘干，干燥后的白色固体粉末即为gdf3:20％yb³⁺,1％er³⁺上转换荧光纳米棒。

本实施例制备得到的gdf3:20％yb³⁺,1％er³⁺的tem照片如图6所示，纳米粒子呈棒状结构，直径约100-200nm，厚度约40nm，分散性较好。在980nm近红外激发下，gdf3:20％yb³⁺,1％er³⁺的上转换荧光光谱图如图7所示，在515-599nm以及654-677nm处存在两个上转换荧光峰，分别为绿色和红色发射带，对应于er离子²h11/2,⁴s3/2—⁴i15/2、⁴f9/2—⁴i15/2的能级跃迁，其中绿色发射峰强度较强，红色发射峰较gdf3:30％yb³⁺,5％er³⁺和gdf3:20％yb³⁺,2％er³⁺有所增强，绿色发射峰强度约为红色发射峰的7倍左右。