β-NaYF4∶Yb，Er上轉換納米晶的制備及其水溶性

陳真，徐濤，歐俊

(桂林理工大學材料科學與工程學院，廣西桂林541004)

上轉換發(fā)光納米材料(upconversion nanoparticles，UCNPs)是通過鑭系摻雜以實現(xiàn)近紅外激發(fā)到可見光發(fā)射的一類熒光材料[1]。與有機熒光[2]和半導體納米材料相比，上轉換發(fā)光材料可吸收長波長的低能量光子、發(fā)射短波長的高能量光子，提供一個高的光穩(wěn)定性、尖銳的發(fā)射帶寬、大的反斯托克斯轉變(可達到500 nm);有顯著的光發(fā)射組織穿透度，紅外激發(fā)下生物標本沒有自熒光現(xiàn)象。由于其諸多優(yōu)點，上轉換發(fā)光材料成為最理想的生物示蹤和熒光成像的發(fā)光探針[3]。

NaYF4具有廣泛的適用性和優(yōu)異的物理化學性能，常被選作上轉換發(fā)光基質材料。近年來，一些研究者從調(diào)控反應條件(如時間、溫度)和反應配比(如NaF/Y3+、Yb/Er、H2O－OA反應體系)，得到不同晶相、形貌、尺寸的NaYF4納米晶體[1，4－5]。由于NaYF4納米晶體的制備體系為H2O－OA反應體系，使得晶體表面吸附大量的疏水性油酸(OA)基團，不利于其在生物醫(yī)學成像中的應用，因此，目前大部分研究者采用親水性有機物枝接[6－9]、無機包覆[5，10－12]和將疏水性油酸基團氧化為親水基團[13－14]等方法改善NaYF4納米晶體的水溶性。這些方法在一定程度上能夠改善NaYF4納米晶體的水溶性，但是步驟繁瑣，條件難以控制。

筆者采用通用的Liquid-solid-solution(LSS)[15]水熱合成法制備得到形貌均一、粒徑小(＜100 nm)的六方相NaYF4(β-NaYF4)，并通過不同pH值的鹽酸溶液處理β-NaYF4納米晶體[16]，有效改善了其水溶性。與傳統(tǒng)的制備方法相比，本方法簡單易行，處理前后晶體結構、形貌、熒光性能均未發(fā)生變化，在保持原有性能的基礎上，有效改善了其水溶性，為β-NaYF4在生物醫(yī)學成像中的應用奠定了基礎。

1 實驗

1.1 材料

氧化釔(Y2O3)、氧化釓(Gd2O3)、氧化鐿(Yb2O3)、氧化鉺(Er2O3)(99.9%，購于上海阿拉丁化學試劑有限公司)，濃硝酸、鹽酸(HCl，37%水溶液)、油酸、無水乙醇購于西隴化工股份有限公司。本研究所用試劑均為分析純，未經(jīng)進一步處理，實驗用水為純化水。

1.2 制備

1.2.1 前驅體的制備按照摩爾比n(Y)∶n(Gd)∶n(Yb)∶n(Er)=18∶60∶20∶2分別稱取稀土氧化物Y2O3、Gd2O3、Yb2O3、Er2O3，然后加入適量濃硝酸，使稀土氧化物充分溶解，加入純化水配置得到0.4 mol/L的稀土硝酸鹽前驅體R(NO3)3。

1.2.2 β-NaYF4∶Yb，Er納米晶體的制備分別稱取0.8 g(20 mmol)NaOH、35 mL(111.48 mmol)油酸、10 mL純化水、10 mL無水乙醇，加入100 mL三頸燒瓶中混合均勻得反應體系A;然后向A體系加入5 mL 2.0 mol的NH4F溶液、5 mL 0.4 mol的R(NO3)3溶液，與A的水－乙醇－油酸體系混合均勻后，移入100 mL水熱反應釜中，200℃下反應1.5 h后冷卻至室溫。將冷卻至室溫的水熱反應釜中的上清液吸出，然后加入無水乙醇，使合成物與其反應體系分散，超聲處理后于7 000 r/min轉速下進行離心分離樣品，然后分別用無水乙醇和純化水反復清洗沉淀物3次，將收集到的沉淀物在100℃下烘干6 h，即得到產(chǎn)物β-NaYF4∶Yb，Er。

1.2.3 無油酸配體的β-NaYF4∶Yb，Er水溶性納米晶體的制備首先用鹽酸(HCl，37%水溶液)配置pH=1、2、3、4、5、6的HCl水溶液，然后將100 mg β-NaYF4∶Yb，Er納米晶體分散在10 mL HCl水溶液中(pH=1、2、3、4、5、6)，在室溫下磁力攪拌2 h，加入乙醚萃取;超聲處理后7 000 r/min轉速下進行離心分離樣品，重復3遍，然后分別用無水乙醇和純化水反復清洗沉淀物3次，將收集到的沉淀物在100℃下烘干6 h，即得到水溶性β-NaYF4∶Yb，Er。

1.3 表征

采用X'Pert-PRO(λ=0.154 18 nm，Cu-Kα靶)X射線粉末衍射儀(XRD)進行X射線粉末表征材料的物相及結構;透射電子顯微鏡(TEM，JSF－2100F，200 kV加速電壓)觀察材料的粒徑、結構及形貌;鹽酸處理前后油酸配體采用傅里葉變換紅外光譜儀表征;材料的上轉換熒光性能采用VARINA熒光分光光度儀，功率可調(diào)(0～1 000 mW)的980 nm激光器作為激發(fā)光源進行測定;水溶性用Zeta電位分析儀表征。

2 結果與討論

2.1 晶體結構與形貌表征

圖1是β-NaYF4∶Yb，Er粉末樣品的X射線衍射(XRD)圖。圖1a中所測XRD特征峰的位置及其強度均與六方相、Yb/Er共摻雜的NaYF4的標準峰(β-NaYF4∶Yb，Er，JCPDS:00－028－1192)相互吻合，且無雜質峰出現(xiàn);特征峰尖銳明顯，半高寬(FWHW)小，得到的晶體結晶程度良好。圖1b為pH=4鹽酸處理后的XRD圖，與圖1a完全一致，說明鹽酸處理并沒有改變其晶體結構。

圖1 樣品β-NaYF4納米粒子的X射線衍射圖Fig.1 XRD patterns of β-NaYF4nanoparticles

β-NaYF4∶Yb，Er納米晶體的形貌及尺寸通過TEM進行表征。圖2a和圖2b分別為未經(jīng)過和經(jīng)過HCl溶液處理的NaYF4∶20%Yb，2%Er納米晶體?？梢钥闯?，NaYF4呈六棱柱短棒狀，尺寸分布均勻。在未經(jīng)過任何篩選的情況下，納米晶體的直徑約為60 nm，長度約為90 nm，納米晶體粒徑小于100 nm，且具有較小的長徑比(1.5)，符合上轉換熒光標記材料在生物醫(yī)學成像中的要求。圖2b是HCl處理后的TEM圖，HCl處理前后納米晶體的形貌和粒徑均未發(fā)生變化，但是出現(xiàn)一定的團聚現(xiàn)象，主要原因是納米晶體表面油酸配體去除后，表面自由能增大，促使納米晶體團聚以減少表面自由能。圖2c為β-NaYF4∶20%Yb，2%Er的EDS能譜圖，可以看到納米晶體中包含稀土元素Yb、Gd、Y、Er，說明在β-NaYF4的制備過程中Yb/Er已成功摻雜。

2.2 光譜表征

用傅里葉紅外轉變光譜儀對鹽酸處理前后的樣品表面性能進行表征(圖3)。圖3a是油酸為螯合劑時制得的β-NaYF4上轉換納米晶樣品，位于3 400 cm－1處的較寬吸收峰為羥基(—OH)的伸縮振動峰;3 008 cm－1為—CC＝—的特征吸收峰;2 936和2 852 cm－1的吸收峰為長烷基鏈中的亞甲基(—CH2)對稱和不對稱伸縮振動峰;1 560 cm－1處的吸收峰為羧基(—COOH)中C＝O的不對稱伸縮吸收峰;1 450 cm－1處的吸收峰為甲基(—CH3)特征吸收峰，這說明有大量的油酸基團包覆在β-NaYF4表面。而在鹽酸處理、乙醚萃取后，這些基團都已經(jīng)消失，這表明鹽酸成功將β-NaYF4表面的油酸配體清除。

圖3 樣品β-NaYF4納米粒子FT－IR圖Fig.3 FT-IR spectra of β-NaYF4nanoparticles

從圖4a中可以看出，鹽酸處理后的β-NaYF4上轉換發(fā)光強度相比未處理的β-NaYF4略有增加，但變化不大，分析其原因可能是在鹽酸處理后，β-NaYF4表面包覆的油酸基團被清除而影響其發(fā)光性能。圖4b為不同pH值的鹽酸溶液處理后的樣品β-NaYF4熒光光譜圖，其熒光強度未發(fā)生變化，即鹽酸處理并沒有改變β-NaYF4納米粒子的晶體結構。

圖4 β-NaYF4的熒光光譜圖Fig.4 Upconversion emission spectra of β-NaYF4

鹽酸處理前后的NaYF4上轉換納米晶在980 nm連續(xù)激光器激發(fā)下的上轉換熒光光譜圖如圖4所示。其發(fā)光機理可用圖5[5]解釋:在Yb、Er共摻雜體系中，樣品在980 nm激光激發(fā)下，Yb3+離子吸收激光能量從基態(tài)2F7/2能級躍遷到2F5/2能級再跳回基態(tài)時，會釋放出電子傳遞給臨近的Er3+離子:(1)Er3+離子獲得能量從基態(tài)4I15/2能級躍遷到4I11/2能級，然后繼續(xù)吸收Yb3+離子傳過來的能量，被激發(fā)到4F7/2能級;而4F7/2能級不穩(wěn)定，壽命很短，通過無輻射弛豫到2H11/2和4S3/2能級，通過輻射發(fā)光回到基態(tài)，即2H11/2→4I15/2(520 nm)和4S3/2→4I15/2(540 nm)，從而發(fā)出綠光。(2)4S3/2能級還可以通過無輻射弛豫到4F9/2能級，4F9/2能級回到基態(tài)(4F9/2→4I15/2)而發(fā)出紅光(650 nm)。而4I11/2能級壽命較短，通過無輻射弛豫到4I13/2能級，繼續(xù)吸收Yb3+傳遞的能量被激發(fā)到4F9/2能級，然后回到基態(tài)(4F9/2→4I15/2)。

圖5 β-NaYF4納米粒子的能級結構和躍遷示意圖Fig.5 Schematic diagram of energy levels and transitions of β-NaYF4

2.3 水溶性表征

為了考察納米粒子的水溶性，表1為不同pH值鹽酸處理前后的Zeta電位，可以看出，使用pH=4的鹽酸處理時，Zeta電位達到最大，為在水中穩(wěn)定分散狀態(tài)。圖4 a(插圖)為用pH=4鹽酸處理后的β-NaYF4的水溶液(濃度為2 mg/mL)照片，從照片中可以看出，鹽酸處理后的水溶液透明澄清，并能靜置2 d不沉淀，在980 nm激光激發(fā)下可以看到明亮的黃綠光。未處理的OA－UCNPs的Zeta電位為18.6，不同pH值鹽酸處理的Zeta電位如表1所示?？梢钥闯鲈趐H=4的時候，UCNPs能在水中穩(wěn)定存在。鹽酸處理機理如下[16]:

鹽酸處理后的UCNPs表面帶有正電荷而具有良好的水溶性，為其進一步在生物醫(yī)學如熒光檢測、熒光標記等方面的應用創(chuàng)造了條件。

表1 樣品β-NaYF4納米粒子在不同pH值鹽酸處理后的Zeta電位Table 1 Zeta potential of modified β-NaYF4 with HCl at different pHmV

3 結論

LSS水熱法的合成工藝條件簡易、無毒且結晶程度優(yōu)異，在較低的溫度和較短時間就可以合成出高發(fā)光效率的β-NaYF4∶20%Yb，2%Er上轉換納米粒子。利用XRD、TEM等手段對其結構、形貌進行表征。實驗結果表明，所得納米粒子為直徑約60 nm、長度約90 nm的六棱柱，XRD分析結果表明其為純六方相NaYF4。另外，采用pH=4鹽酸處理OA－UCNPs后，OA基團被清除，使得β-NaYF4表面帶正電荷，樣品能均勻的分散在水和無水乙醇中，形成透明澄清溶液。在980 nm激光器激發(fā)下，能夠發(fā)射出明亮的、肉眼可見的黃綠光。從實驗結果看，所制備的上轉換發(fā)光納米粒子在生物熒光標記和熒光檢測領域有著潛在的應用前景。

[1]Wang F，Han Y，Lim C S，et al.Simultaneous phase and size control of upconversion nanocrystals through lanthanide doping[J].Nature，2010，463:1061－1065.

[2]那佳，侯明.CdTe量子點的合成及作為離子熒光探針的應用[J].桂林理工大學學報，2010，30(1):133－136.

[3]Muhr V，Wilhelm S，Hirsch T，et al.Upconversion nanoparticles:From hydrophobic to hydrophilic surfaces[J].Accounts of Chemical Research，2014，47(12):3481－3493.

[4]Liang X，Wang X，Zhuang J，et al.Synthesis of NaYF4nanocrystals with predictable phase and shape[J].Advanced Functional Materials，2007，17(15):2757－2765.

[5]Li C X，Lin J.Rare earth fluoride nano-/microcrystals:Synthesis，surface modification and application[J].Journal of Materials Chemistry，2010，20(33):6831－6847.

[6]Zhou L，He B Z，Huang J C，et al.Multihydroxy dendritic upconversion nanoparticles with enhanced water dispersibility and surface functionality for bioimaging[J].ACS Applied Materials Interfaces，2014，6(10):7719－7727.

[7]Boyer J C，Manseau M P，Murray J I，et al.Surface modification of upconverting NaYF4nanoparticles with PEG－phosphate ligands for NIR(800 nm)biolabeling within the biological window[J].Langmuir，2010，26(2):1157－1164.

[8]Park Y I，Kim J H，Lee K T，et al.Nonblinking and nonbleaching upconverting nanoparticles as an optical imaging nanoprobe and T1 magnetic resonance imaging contrast agent[J].Advanced Materials，2009，21(44):4467－4471.

[9]Jiang G C，Pichaandi J，Johnson N J J，et al.An effective polymer cross-linking strategy to obtain stable dispersions of upconverting NaYF4nanoparticles in buffers and biological growth media for biolabeling applications[J].Langmuir，2012，28(6):3239－3247.

[10]Liu B，Li C X，Yang D M，et al.Upconversion-luminescent core/mesoporous-silica-shell-structuredβ-NaYF4:Yb3+，Er3+@SiO2@mSiO2composite nanospheres:Fabrication and drug-storage/release properties[J].European Journal of Inorganic Chemistry，2014，2014(11):1906－1913.

[11]Li Z Q，Wang L M，Wang Z Y，et al.Modification of NaYF4∶Yb，Er@SiO2nanoparticles with gold nanocrystals for tunable green-to-red upconversion emissions[J].The Journal of Physical Chemistry C，2011，115(8):3291－3296.

[12]Dong A G，Ye X C，Chen J，et al.A generalized ligand-exchange strategy enabling sequential surface functionalization of colloidal nanocrystals[J].Journal of the American Chemical Society，2011，133(4):998－1006.

[13]Cao T Y，Yang T S，Gao Y，et al.Water-soluble NaYF4∶Yb/Er upconversion nanophosphors:Synthesis，characteristics and application in bioimaging[J].Inorganic Chemistry Communications，2010，13(3):392－394.

[14]陳歡，揣曉紅，王麗麗，等.水溶性NaYF4∶Yb/Tm納米粒子的制備及其上轉換發(fā)光性質[J].發(fā)光學報，2010，31(4):538－542.

[15]Wang X，Zhuang J，Peng Q，et al.A general strategy for nanocrystal synthesis[J].Nature，2005，437:121－124.

[16]Bogdan N，Vetrone F，Ozin G A，et al.Synthesis of ligandfree colloidally stable water dispersible brightly luminescent lanthanide-doped upconverting nanoparticles[J].Nano letters，2011，11(2):835－840.