鋱摻雜羥基磷灰石的制備及其熒光特性

喬蔭頗，李艷肖，殷海榮，劉 盼，李思媛，張 攀

(陜西科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710021)

鋱摻雜羥基磷灰石的制備及其熒光特性

喬蔭頗*，李艷肖，殷海榮，劉 盼，李思媛，張 攀

(陜西科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710021)

在室溫下采用化學(xué)沉淀法制備了鋱摻雜的羥基磷灰石(Tb-HAP)，通過X射線衍射分析(XRD)、傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)和熒光光譜(PL)等對其結(jié)構(gòu)和熒光性能進(jìn)行了表征分析。XRD和FT-IR測試表明，Tb3+的摻雜對羥基磷灰石的結(jié)構(gòu)沒有顯著影響。熒光光譜分析表明：在545 nm波長監(jiān)測下，測得的最佳激發(fā)波長為378 nm。樣品的發(fā)光強(qiáng)度隨Tb3+在樣品中的摻雜摩爾分?jǐn)?shù)先增大后減小，在8%時(shí)發(fā)光最強(qiáng)。此外，Tb-HAP樣品的熒光壽命隨著Tb3+摻雜摩爾分?jǐn)?shù)的增加呈現(xiàn)減小的趨勢。

羥基磷灰石；化學(xué)沉淀法；鋱離子；熒光性能

1 引 言

近年來，熒光探針材料在生物標(biāo)記等領(lǐng)域表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景［1］。但傳統(tǒng)的下轉(zhuǎn)換熒光材料，如具有熒光特性的有機(jī)分子和Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體量子點(diǎn)等，在用于生物熒光標(biāo)記和疾病診斷方面還存在一定的問題。雖然有機(jī)熒光分子，如羅丹明(Rhodamine)、熒光素(Fluorescein)、吖啶橙(Acridine orange)等作為熒光探針的靈敏性高，但容易發(fā)生光漂白和光解，且其發(fā)射譜寬并有拖尾現(xiàn)象。半導(dǎo)體量子點(diǎn)材料，如CdSe-CdS、CdSe-ZnS、InAs等雖能克服光漂白性的缺點(diǎn)且熒光強(qiáng)度相對穩(wěn)定，但其本身的毒性和較差的化學(xué)穩(wěn)定性也限制了其進(jìn)一步發(fā)展［2-3］。理想的生物熒光探針材料應(yīng)具備良好的光穩(wěn)定性、納米尺度的顆粒尺寸并且對生物體無毒害作用。

羥基磷灰石(Hydroxyapatite，HAP)是人體和動物硬組織(骨骼和牙齒)中主要的無機(jī)成分［4］，具有優(yōu)良的生物相容性、生物活性、可降解性和無免疫原性［5］，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。生物探針的一個(gè)最重要也是最基本的要求是材料的熒光能夠在光激發(fā)下被明顯觀測到，而HAP本身并不具有發(fā)光特性，所以在光激發(fā)下并無明顯的熒光發(fā)射產(chǎn)生。當(dāng)構(gòu)成物質(zhì)主體的金屬離子缺乏某種功能特性時(shí)，最常用的方法便是用具備這種功能特性的其他金屬離子來替代原來的主體離子［6］。研究表明，鑭系稀土離子具有豐富的能級結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的光學(xué)特性，其離子半徑接近于Ca2+并具有較好的發(fā)光性能，生物活性與Ca2+類似，可以比較容易地取代Ca2+［7］。李玲等［8］制備出了具有良好生物兼容性和穩(wěn)定性的Tb-HAP，但并未指出不同Tb3+摻雜量對發(fā)光強(qiáng)度的影響。雖然Tb摻雜的羥基磷灰石材料的相關(guān)研究［9-12］已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，但是由于采用了不同的制備方法及原料，導(dǎo)致材料的發(fā)光性能及行為各有差異。因此，如何有效地揭示及認(rèn)識稀土在羥基磷灰石基質(zhì)中的取代及其功能表達(dá)的影響因素和相關(guān)機(jī)理，進(jìn)而通過組分、結(jié)構(gòu)及制備條件的調(diào)節(jié)獲得發(fā)光效率高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、應(yīng)用廣泛的稀土摻雜羥基磷灰石材料仍然是相關(guān)研究需要解決的關(guān)鍵問題。

本文采用濕化學(xué)共沉淀技術(shù)合成了一系列Tb3+摻雜的HAP材料，并研究了其結(jié)構(gòu)、組成以及發(fā)光行為與稀土摻雜濃度的關(guān)系。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 樣品制備

以硝酸鈣(Ca(NO3)2)、磷酸氫二銨((NH4)2HPO4)、七氧化四鋱(Tb4O7)、濃硝酸(HNO3)和氫氧化鈉(NaOH)為原料，采用化學(xué)沉淀法制備不同摩爾分?jǐn)?shù)鋱摻雜的羥基磷灰石材料(Ca10(1-x)Tb10x(PO4)6(OH)2)(Tb-HAP)。所有試劑均為分析純，使用時(shí)不用經(jīng)過進(jìn)一步提純。

實(shí)驗(yàn)先制備可溶的稀土硝酸鹽溶液Tb(NO3)3用于摻雜，具體的實(shí)驗(yàn)步驟如下。首先稱取一定量的Tb4O7粉末，加入過量的濃HNO3將其溶解，然后加入一定量的去離子水，加熱揮發(fā)直至得到純凈的Tb(NO3)3晶體，將產(chǎn)物溶解后轉(zhuǎn)移至容量瓶中進(jìn)行定容，即得到一定摩爾分?jǐn)?shù)的Tb(NO3)3溶液。Tb3+摻雜摩爾分?jǐn)?shù)分別為0%、2%、4%、5%、6%、8%、10%和12%，并用a、b、c、d、e、f、g和h來標(biāo)記。接著，按(Ca+Tb)/P物質(zhì)的量比為10∶6分別稱取一定量的Ca(NO3)· 4H2O和(NH4)2HPO4，并分別配成100 mL溶液，充分溶解后備用。按材料中設(shè)計(jì)的Tb3+和Ca2+的物質(zhì)的量比量取一定量的Tb(NO3)3溶液加入到Ca(NO3)2溶液中，混合均勻。將(NH4)2HPO4溶液緩慢滴加到上述Ca(NO3)2與Tb(NO3)3的混合溶液中，用磁力攪拌器攪拌使其混合均勻，并用2mol/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值為14，直至溶液pH在0.5 h內(nèi)無較大波動，連續(xù)攪拌1 h。將溶液在80℃下陳化24 h，洗滌、抽濾、干燥并研磨，即得到Tb-HAP樣品。

2.2 表征

采用日本D-MAX 2200 PC型X射線衍射儀(X-ray diffraction，XRD)對樣品進(jìn)行物相分析，輻射源為Cu Kα射線，管電壓為40 kV，管電流為4 mA，步長為0.02。，掃描速度為6(。)/min，掃描范圍為10?！?0。。用德國BRUKER公司制造的VECTOR-22型傅里葉變換紅外光譜儀(Fourier Transform Infrared Spectrometer，F(xiàn)TIR)分析樣品的組分，波數(shù)范圍為400～4 000 cm-1，分辨率為1 cm-1。用日立F-4600熒光分光光度計(jì)(Hitachi，F(xiàn)-4600 FL Spectrophotometer)測試樣品的激發(fā)及發(fā)射光譜。所有測試均在室溫下進(jìn)行。

3 結(jié)果與討論

3.1 XRD分析

圖1是不同Tb3+摻雜摩爾分?jǐn)?shù)的Tb-HAP樣品的X射線衍射分析(XRD)圖譜。從圖中可以看出XRD的主要衍射峰為HAP的特征峰，不同Tb3+摻雜摩爾分?jǐn)?shù)的Tb-HAP所對應(yīng)的特征峰與純HAP的特征峰一致(JCPDS No.09-0432)，而且不含Tb(NO3)3、Tb2O3等鋱化合物的雜相峰，說明所制備的Tb-HAP粉體純度較高。隨著Tb3+摻雜摩爾分?jǐn)?shù)由2%增加到12%，(112)和(300)處的XRD主峰分界逐漸變得模糊，并且衍射峰的強(qiáng)度有降低的趨勢。這是因?yàn)門b3+半徑為0.092 nm，小于 Ca2+半徑(0.099 nm)［13］，Tb3+取代Ca2+使HAP的晶格發(fā)生畸變，從而導(dǎo)致衍射峰強(qiáng)度減小。在Tb3+摻入和摻雜量改變時(shí)，相應(yīng)的XRD圖沒有大的變化，表明Tb3+的摻雜沒有影響主體材料的存在形式。

3.2 傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)

圖2為不同Tb3+摻雜摩爾分?jǐn)?shù)的Tb-HAP樣品的傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)。473，567，604，963，1 035，1 092 cm-1處的吸收峰為的振動吸收譜帶［14］，從圖2中可以看出，上述波數(shù)相應(yīng)的波峰與純HAP(曲線a)的各特征波譜帶一致。其中567 cm-1和604 cm-1是離子中O—P—P鍵的v4伸縮振動峰，473 cm-1是O—P—O鍵的v2彎曲振動吸收峰，963 cm-1為P—O鍵的v1伸縮振動吸收峰，1 035 cm-1和1 092 cm-1是P—O鍵v3伸縮振動吸收峰。另外，1 648 cm-1和3 645 cm-1是水的吸收峰，3 435 cm-1和629 cm-1是OH-的v4振動吸收峰［15］。結(jié)果表明，Tb3+的摻雜對HAP的結(jié)構(gòu)無顯著性影響，這與XRD結(jié)果一致。

圖2 Tb-HAP的FT-IR圖譜Fig.2 FT-IR spectra of Tb-HAP

3.3 熒光光譜(PL)

圖3為不同Tb3+摻雜摩爾分?jǐn)?shù)的Tb-HAP樣品的激發(fā)(a)和發(fā)射(b)光譜。

圖3 Tb-HAP的熒光激發(fā)(a)和發(fā)射(b)光譜Fig.3 Excitation(a)and emission(b)spectra of Tb-HAP

圖3(a)為不同Tb3+摻雜摩爾分?jǐn)?shù)的Tb-HAP樣品的激發(fā)光譜，監(jiān)測波長為545 nm。圖中位于302，320，352，490 nm處的吸收峰分別對應(yīng)于Tb3+的7F6→5H6、7F6→5H7、7F6→5D2和7F6→5D4躍遷［16］。370 nm和378 nm為Tb3+的7F6→5L10特征激發(fā)帶［17］，其躍遷激發(fā)峰劈裂為兩個(gè)峰，強(qiáng)度基本相同。發(fā)生劈裂現(xiàn)象是由于Tb3+處于低對稱環(huán)境，其5d電子處于外層電子軌道，受環(huán)境因素影響較大，7F6能級簡并解除而產(chǎn)生斯托克劈裂，從而形成兩條譜線。根據(jù)分析選擇378 nm的紫外光作為最佳激發(fā)波長。

圖3(b)是不同Tb3+摻雜摩爾分?jǐn)?shù)的Tb-HAP樣品在378 nm激發(fā)下的發(fā)射光譜，插圖為樣品在545 nm處的發(fā)光強(qiáng)度隨Tb3+摩爾分?jǐn)?shù)的變化曲線。圖中有4個(gè)較強(qiáng)的Tb3+熒光特征發(fā)射峰，其位置處于490，545，590，624 nm，分別歸屬于Tb3+的5D4→7F6、5D4→7F5、5D4→7F4和5D4→7F3躍遷［18］，其中以545 nm處的5D4→7F5電偶極躍遷［19］為最強(qiáng)。從圖中還可以看出，隨著Tb3+摩爾分?jǐn)?shù)從2%增加到12%，其發(fā)光強(qiáng)度出現(xiàn)先增大后減小的變化，在8%時(shí)達(dá)到最大。分析可知，當(dāng)Tb3+摩爾分?jǐn)?shù)較小時(shí)，發(fā)光中心離子之間距離較遠(yuǎn)，能量傳遞少，發(fā)光強(qiáng)度隨著摻雜離子增多而有所增大；當(dāng)Tb3+的摩爾分?jǐn)?shù)接近8%時(shí)，發(fā)光中心之間的能量傳遞速率與發(fā)射速率趨于相等，此時(shí)發(fā)光強(qiáng)度達(dá)到最大；而當(dāng)Tb3+的摩爾分?jǐn)?shù)大于8%時(shí)，Tb3+之間產(chǎn)生相互交換作用和能級的交叉弛豫，發(fā)光中心離子之間距離減小，相互作用進(jìn)一步增強(qiáng)，激發(fā)光提供的能量通過離子間的相互作用而轉(zhuǎn)移到缺陷態(tài)，以非輻射的方式散失，產(chǎn)生濃度猝滅，發(fā)光強(qiáng)度降低。

圖4為不同Tb3+摻雜摩爾分?jǐn)?shù)的Tb-HAP樣品的發(fā)光強(qiáng)度(545 nm)的對數(shù)-時(shí)間(ln I-t)曲線，插圖為在378 nm波長激發(fā)、545 nm波長監(jiān)測時(shí)，不同Tb3+摻雜摩爾分?jǐn)?shù)的Tb-HAP樣品的熒光強(qiáng)度隨時(shí)間變化的衰減曲線。從圖中可以看出，不同Tb3+摻雜摩爾分?jǐn)?shù)的Tb-HAP的熒光衰減曲線均表現(xiàn)為單指數(shù)衰減［20］，并且可由公式(1)擬合得到其熒光壽命τ：

其中，I是時(shí)間t時(shí)的熒光強(qiáng)度，I0是強(qiáng)度彌補(bǔ)參數(shù)，A是時(shí)間衰減常數(shù)，t是衰減時(shí)間，τ是熒光壽命。

圖4 Tb-HAP的熒光發(fā)光強(qiáng)度的對數(shù)-時(shí)間(ln I-t)曲線Fig.4 ln I-t curves of Tb-HAP

表1為不同Tb3+摻雜摩爾分?jǐn)?shù)的Tb-HAP的熒光壽命值。從表1可以看出，隨著Tb3+摻雜摩爾分?jǐn)?shù)從2%增加到12%，樣品的熒光壽命呈現(xiàn)減小的趨勢。摻雜2%的Tb-HAP樣品的熒光壽命為2.041 ms，而摻雜12%的樣品的熒光壽命則降低到1.571ms。這是由于隨著Tb-HAP中Tb3+摻雜量的增加，離子間距減小，相互作用增強(qiáng)，離子之間產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)移，即激活的Tb3+能量共振轉(zhuǎn)移到臨近未被激活的Tb3+上，從而導(dǎo)致激活離子激發(fā)態(tài)壽命減少。

表1 Tb-HAP的熒光壽命Table 1 Fluorescence life of Tb-HAP

由熒光分析結(jié)果可知，當(dāng)Tb3+進(jìn)入HAP晶體時(shí)，會將晶格點(diǎn)陣中的部分Ca2+取代，從而占據(jù)Ca的晶格點(diǎn)陣位置。但這會導(dǎo)致該晶格區(qū)域范圍內(nèi)的電荷失衡，這時(shí)磷酸鹽中的OH-與O2-會自動進(jìn)入該晶格區(qū)域調(diào)整電荷平衡。Tb3+進(jìn)入HAP中的Ca位置時(shí)，其相應(yīng)的電荷補(bǔ)償機(jī)制如下所示［21-23］：

該機(jī)制有OH-和O2-參與，與Tb3+和Ca2+組成平衡，形成Tb3+摻雜的HAP(Ca10(1-x)Tb10x(PO4)6-(OH)2)。由HAP的結(jié)構(gòu)可知，這種電荷補(bǔ)償機(jī)制會發(fā)生在Ca(Ⅱ)位置上。這是因?yàn)樵贑a(Ⅱ)的晶格點(diǎn)陣位置附近存在OH-的點(diǎn)陣，同時(shí)，Ca(Ⅱ)和OH-附近占據(jù)點(diǎn)陣位置會發(fā)生變化，形成Tb—O鍵，這會使點(diǎn)陣中O—H鍵的距離變大。從熒光強(qiáng)度及熒光壽命的分析結(jié)果可知，隨著Tb3+在晶格中的擴(kuò)散，這種補(bǔ)償會由于點(diǎn)陣成分的變化而造成勢壘的降低，從而使補(bǔ)償過程的速度增加，使其成為主要的補(bǔ)償機(jī)制，并具有較高的補(bǔ)償效率。

4 結(jié) 論

采用化學(xué)沉淀法制備了具有較強(qiáng)熒光性的Tb3+摻雜羥基磷灰石。Tb3+的摻雜對HAP的結(jié)構(gòu)沒有明顯的影響。Tb3+在樣品中的摻雜摩爾分?jǐn)?shù)為8%時(shí)發(fā)光最好。在545 nm監(jiān)測波長下，測得的最佳激發(fā)波長為378 nm。Tb-HAP樣品的熒光壽命隨著Tb摻雜量的增加呈現(xiàn)減小的趨勢，由2%Tb-HAP樣品的2.041 ms減小到12%Tb-HAP的1.571 ms。分析認(rèn)為，隨著摻雜中心離子濃度的提高，離子之間的間距減小，作用增強(qiáng)，導(dǎo)致其發(fā)光強(qiáng)度和熒光壽命出現(xiàn)相應(yīng)的變化。

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Preparation and Lum inescent Properties of Terbium-doped Hydroxyapatite

QIAO Yin-po*，LIYan-xiao，YIN Hai-rong，LIU Pan，LISi-yuan，ZHANG Pan
(School of Materials Science and Engineering，Shaanxi University of Science and Technology，Xi'an 710021，China) *Corresponding Author，E-mail：ypqiao@sust.edu.cn

Hydroxyapatite particles doped with Tb3+(Tb-HAP)were prepared via chemical deposition method.The crystalline phase，structural and fluorescent properties of the sampleswere investigated by X-ray diffraction(XRD)，F(xiàn)ourier transform infarred(FT-IR)spectroscopy，and photoluminescence(PL)measurements，respectively.XRD and FT-IR results show that Tb3+doping has no significant influence on the structure of HAP.PL spectra of Tb-HAP samples show that the best excitation light is 378 nm when the wavelength of themonitoring light is 545 nm.The luminescent intensity of Tb-HAP sample reaches the maximum when the doping mole fraction of Tb3+is 8%. Furthermore，the fluorescent life of Tb-HAP samples present a decreasing trend along with the increasing of Tb3+concentration.

hydroxyapatite；chemical deposition；terbium ions；luminescent properties

1000-7032(2015)01-0063-06

O482.31

A

10.3788/fgxb20153601.0063

2014-10-06；

2014-11-16

國家自然科學(xué)基金(51472151)；國際科技合作計(jì)劃(2009DFR50520)；陜西省咸陽市科技局項(xiàng)目(2012K11-14)；陜西科技大學(xué)科研啟動基金(BJ10-11)資助項(xiàng)目

book=67,ebook=70

喬蔭頗(1981-)，男，河南孟津人，博士，講師，2010年于西北工業(yè)大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事功能玻璃材料、納米功能材料、軟物質(zhì)及智能材料等方面的研究。E-mail：ypqiao@sust.edu.cn