Eu3+，Tb3+摻雜熒光二氧化硅納米粒子的合成及其結(jié)構(gòu)、成分和熒光性質(zhì)的調(diào)控

鄧 捷 李海峰 劉 燕 唐 娜 孫 康 陶 可

(上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬基復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

二氧化硅納米粒子由于具有良好的物理剛性、化學(xué)穩(wěn)定性、生物相容性以及易于合成和表面修飾等特性，引起了人們的廣泛關(guān)注[1-3]。在二氧化硅納米粒子的研究中，摻雜熒光物質(zhì)形成的熒光二氧化硅納 米 粒 子(fluorescent silica nanoparticles，F(xiàn)SNPs)進(jìn)一步擴(kuò)展了它們的應(yīng)用領(lǐng)域[3-7]。例如，Benezra等合成了一種可用于實(shí)時(shí)檢測(cè)淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移和黑色素瘤等的染料摻雜FSNPs，該粒子已被批準(zhǔn)作為熒光探針用于人體臨床試驗(yàn)[8]。這表明FSNPs在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用前景，如細(xì)胞和生物分子的標(biāo)記與靶向、離子檢測(cè)等。

FSNPs由二氧化硅基質(zhì)和熒光材料組成。目前，常用的熒光材料主要包括有機(jī)染料和量子點(diǎn)。與染料分子本身相比，染料摻雜的FSNPs可以同時(shí)包裹大量的有機(jī)染料分子，因此具有更強(qiáng)的熒光信號(hào)[9]。然而，有機(jī)染料自身具有斯托克斯位移小、高濃度熒光猝滅、光漂白效應(yīng)等缺點(diǎn)，導(dǎo)致染料摻雜的FSNPs仍面臨信噪比低、光穩(wěn)定性差等問(wèn)題[3,10-11]。另一方面，量子點(diǎn)摻雜的二氧化硅納米粒子雖然繼承了量子點(diǎn)寬激發(fā)光譜、穩(wěn)定和可調(diào)的發(fā)射波長(zhǎng)和高量子產(chǎn)率等優(yōu)點(diǎn)[12-14]，但是量子點(diǎn)在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用仍需要克服其本身細(xì)胞毒性大的問(wèn)題[3,12-13]。

在二氧化硅基質(zhì)中摻雜稀土元素可以獲得另一種新型的FSNPs。稀土元素的加入，使二氧化硅納米粒子在擁有二氧化硅本身特性的同時(shí)，增加了毫秒級(jí)發(fā)光壽命、大斯托克斯位移、尖銳發(fā)射峰、優(yōu)異的光穩(wěn)定性和低背景噪聲等稀土元素的熒光特性[15-18]。例如，Tan等提出了一種共價(jià)結(jié)合共水解縮聚的方法，該方法將銪螯合物包裹在二氧化硅納米粒子中，讓FSNPs中的稀土螯合物和二氧化硅基體能夠共價(jià)連接，所以能夠有效地保護(hù)螯合物免于泄漏，使納米粒子的熒光強(qiáng)度比相同摩爾濃度的游離稀土螯合物強(qiáng)1.8×105倍[19]。Zhang等合成了雙稀土元素?fù)诫s的二氧化硅納米粒子，這種二氧化硅納米粒子能夠在單波長(zhǎng)激發(fā)下同時(shí)呈現(xiàn)2種不同的稀土特征光譜[20]。此外，研究人員還在稀土摻雜FSNPs的光穩(wěn)定性[15,21]、稀土元素泄漏防護(hù)[22]、熒光顏色的調(diào)控[20,23]以及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用[6,24]等方面取得了不錯(cuò)的進(jìn)展。盡管如此，大部分已報(bào)道的稀土摻雜FSNPs是在已經(jīng)合成的二氧化硅表面上進(jìn)一步螯合稀土離子制備得到[25]，或者是在沒(méi)有鍵合的情況下將稀土螯合物直接包裹進(jìn)二氧化硅粒子中獲得[26-27]，這些都導(dǎo)致合成的FSNPs中稀土螯合物摻雜量低，熒光強(qiáng)度較低。此外，F(xiàn)SNPs結(jié)構(gòu)和成分的調(diào)控以及稀土螯合物有機(jī)部分對(duì)FSNPs熒光性質(zhì)的影響仍不清楚，這些都嚴(yán)重阻礙了稀土摻雜FSNPs的進(jìn)一步研究和應(yīng)用。

在本文中，我們通過(guò)反相微乳液法合成了粒徑均一、熒光穩(wěn)定性好、熒光壽命長(zhǎng)的稀土摻雜FSNPs。同時(shí)，我們研究了水與表面活性劑的物質(zhì)的量之比以及稀土螯合物的摻雜量對(duì)FSNPs粒徑的影響，并對(duì)FSNPs的負(fù)載能力和熒光強(qiáng)度進(jìn)行了研究。此外，我們研究了稀土摻雜FSNPs的能量轉(zhuǎn)移過(guò)程，通過(guò)選用不同的生色團(tuán)和稀土元素實(shí)現(xiàn)了對(duì)其激發(fā)波長(zhǎng)、發(fā)射波長(zhǎng)的調(diào)控，并通過(guò)改變摻雜的稀土離子Tb3+/Eu3+的物質(zhì)的量之比，實(shí)現(xiàn)了對(duì)FSNPs熒光顏色的調(diào)控。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材 料

(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷(APTES，99%)，二乙基三胺五乙酸(DTPA，98%)，對(duì)氨基苯甲酸(PABA，99%)，香豆素 120(Cm120，98%)，二甲基亞砜(DMSO，≥99%)，六水合氯化銪(EuCl3·6H2O，99.99%)，六水合氯化鋱(TbCl3·6H2O，99.9%)，正己醇(99%)，氨水(25%～28%)，正硅酸乙酯(TEOS，99%)購(gòu)自北京伊諾凱科技有限公司；5-氨基-1,10-菲咯啉 (PTA，97%)購(gòu)自上海韶遠(yuǎn)科技有限公司；1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺鹽酸鹽 (EDC，≥97%)，N-羥基琥珀酰亞胺(NHS，98%)，曲拉通 100(Triton X-100，≥98.0%)購(gòu)自上海泰坦科技股份有限公司；環(huán)己烷(≥99.7%)，丙酮(≥99.5%)，乙醇(≥99%)購(gòu)自上海凌峰化學(xué)試劑有限公司。所有試劑在使用之前均無(wú)再處理，實(shí)驗(yàn)中使用的水都是去離子水。

1.2 稀土螯合物的合成

稀土螯合物(記為APTES-DTPA-Sensitizer-Ln3+，其中Sensitizer=PABA，PTA或Cm120，如表1所示)的制備步驟如下。螯合物中各成分的物質(zhì)的量之比是首先， 將 1 mmolDTPA溶于4 mL DMSO溶液中，加入0.21 mmol EDC和0.07 mmol NHS活化10 min。隨后加入1 mmol Sensitizer，室溫避光攪拌6 h。接著，加入0.21 mmol EDC和0.07 mmol NHS活化10 min后，加入0.25 mL APTES，將所得溶液室溫避光攪拌過(guò)夜。然后，將 4 mL EuCl3·6H2O 或 TbCl3·6H2O 水溶液(0.25 mmol·mL-1)加入至上述溶液中室溫避光攪拌6 h。對(duì)照組DTPA-Sensitizer-Ln3+的合成方法與APTESDTPA-Sensitizer-Ln3+相同，去掉其中加入APTES的步驟即可。最后，通過(guò)超聲分散和離心將所得稀土螯合物用乙醇和水洗滌數(shù)次，以除去未反應(yīng)的物質(zhì)，洗凈、真空干燥后避光保存。

表1 敏化劑的名稱與化學(xué)結(jié)構(gòu)式Table 1 Names,abbreviations and chemical formulas of three sensitizers

1.3 稀土摻雜FSNPs的合成

稀土摻雜FSNPs通過(guò)改進(jìn)的反相微乳液法(W/O)合成[28]。將7.5 mL環(huán)己烷，1.8 mL正己醇和1.77 mL Triton X-100室溫混合攪拌20 min。然后，將480 μL稀土螯合物的水溶液(濃度從 10.8 mmol·L-1變化至172.8 mmol·L-1)加入到上述溶液中得到反相微乳液。間隔30 min后，分別加入100 μL TEOS和60 μL氨水。加入完畢后，讓反應(yīng)在室溫條件下避光持續(xù)攪拌24 h。最后，加入等體積的丙酮破乳停止反應(yīng)，并依次用丙酮、乙醇和水洗滌所得的FSNPs數(shù)次，以除去表面活性劑和未反應(yīng)的物質(zhì)。洗凈、真空干燥后避光保存。

1.4 儀器與表征

TEM樣品通過(guò)將約2 mg納米粒子分散在3 mL乙醇中，超聲分散3 min，然后滴在鍍膜銅網(wǎng)上，室溫下晾干后制得。FSNPs的形貌和粒徑通過(guò)生物透射電鏡(120 kV，Tecnai G2 spirit Biotwin0)觀察；高角度環(huán)形暗場(chǎng)(HAADF)圖像和元素分布通過(guò)場(chǎng)發(fā)射透射電鏡(200 kV，TALOS F200X)觀察；FSNPs中銪、硅元素的質(zhì)量百分比通過(guò)電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀(iCAP7600)測(cè)量；熒光激發(fā)和發(fā)射光譜通過(guò)熒光光譜儀 (200 W，氙燈，Shimadzu RF5301PC)記錄；FSNPs、稀土螯合物和PTA的光穩(wěn)定性通過(guò)連續(xù)測(cè)量120 min時(shí)間段內(nèi)的熒光強(qiáng)度來(lái)獲得(200 W，氙燈，Shimadzu RF5301PC)；FSNPs的熒光壽命通過(guò)美國(guó)PTI公司的穩(wěn)態(tài)和時(shí)間分辨熒光分光光度計(jì)(QM/TM/IM)測(cè)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 稀土摻雜FSNPs的合成

2.1.1 稀土摻雜FSNPs的設(shè)計(jì)

稀土摻雜FSNPs的制備示意圖如圖1所示。首先，將DTPA作為配體通過(guò)其酸酐與有機(jī)生色團(tuán)(敏化劑)和APTES共價(jià)偶聯(lián)，然后將產(chǎn)物與稀土離子螯合形成稀土螯合物(圖1a)。接著將得到的稀土螯合物(APTES-DTPA-Sensitizer-Ln3+)與 TEOS在反相微乳液體系中共同水解縮聚，加入氨水催化反應(yīng)(圖1b)，最終形成稀土摻雜的二氧化硅納米粒子(記為APTES-DTPA-Sensitizer-Ln3+@SiO2)。2.1.2 稀土螯合物的合成及表征

圖1 稀土螯合物的結(jié)構(gòu)示意圖(a)和反相微乳液制備稀土摻雜FSNPs的示意圖(b)Fig.1 Structure of APTES-DTPA-Sensitizer-Ln3+(a)and preparation of APTES-DTPA-Sensitizer-Ln3+@SiO2(b)

為了確認(rèn)稀土螯合物的成功合成，我們分別記錄了稀土螯合物APTES-DTPA-PABA-Eu3+以及APTES-DTPA-PABA-Tb3+的光致發(fā)光激發(fā)光譜(PLE)和發(fā)射光譜，如圖2所示。APTES-DTPA-PABA-Tb3+的PLE峰在300 nm處，其在300 nm激光照射下顯示出Tb3+的特征熒光發(fā)射光譜，光譜呈現(xiàn)出中心離子Tb3+的特征躍遷：622 nm(5D4→7F3)、587 nm(5D4→7F4)、547 nm(5D4→7F5)、494 nm(5D4→7F6)；APTES-DTPA-PABAEu3+的PLE峰在308 nm處，其在308 nm激光照射下顯示出Eu3+的特征熒光發(fā)射光譜，光譜呈現(xiàn)出中心離子 Eu3+的特征躍遷：700 nm(5D0→7F4)、617 nm(5D0→7F2)、593 nm(5D0→7F1)、580 nm(5D0→7F0)。由于游離的Tb3+/Eu3+水溶液在相同的激發(fā)條件下未能檢測(cè)到熒光，因此，Eu3+/Tb3+特征熒光峰的出現(xiàn)證明了DTPA、生色團(tuán)以及稀土離子之間已成功偶聯(lián)及螯合。同時(shí)，我們通過(guò)電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀檢測(cè)到稀土螯合物中硅元素的存在(wSi=2.142%)，這表明APTES也已成功連接至稀土螯合物中。綜上，如圖1a所示的稀土螯合物已經(jīng)被成功合成。

圖2 稀土螯合物的激發(fā)和發(fā)射光譜Fig.2 Excitation spectra and emission spectra of APTES-DTPA-PABA-Ln3+

此外，將生色團(tuán)更換為PTA或者Cm120時(shí)，稀土螯合物APTES-DTPA-PTA-Eu3+以及APTES-DTPA-Cm120-Eu3+同樣能夠得到Eu3+的特征熒光光譜，但APTES-DTPA-PTA-Tb3+以及APTES-DTPA-Cm120-Tb3+無(wú)法得到Tb3+的特征熒光光譜，詳細(xì)原因我們將在2.3.1章節(jié)中的發(fā)光機(jī)理部分進(jìn)行討論。

2.1.3 稀土摻雜FSNPs的合成及表征

為了證明能夠通過(guò)上述反相微乳液法合成稀土摻雜FSNPs，我們對(duì)獲得的FSNPs進(jìn)行了TEM、熒光等表征。圖3a是APTES-DTPA-PABA-Tb3+@SiO2的TEM圖像。如圖所示，F(xiàn)SNPs呈近球形，平均直徑約25 nm。同時(shí)，TEM圖像還顯示出FSNPs內(nèi)核與外部區(qū)域有明顯的結(jié)構(gòu)差異。我們通過(guò)HAADF圖像進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)(圖3b)，F(xiàn)SNPs內(nèi)核顯示亮點(diǎn)，即內(nèi)部存在原子序數(shù)大的元素。這個(gè)亮點(diǎn)可能是由于內(nèi)部分布有大量稀土螯合物。為了進(jìn)一步證明FSNPs內(nèi)部分布的是稀土螯合物，我們測(cè)試了FSNPs內(nèi)氧元素和鋱?jiān)胤植记闆r，結(jié)果如圖3c所示。圖中紅點(diǎn)表示氧元素、綠點(diǎn)表示鋱?jiān)亍Ｎ覀儼l(fā)現(xiàn)，鋱?jiān)丶蟹植加诙趸杓{米粒子的中心，這與HAADF結(jié)果相吻合，證實(shí)了稀土螯合物已經(jīng)成功摻雜至FSNPs。背景噪聲主要來(lái)源于樣品中少量殘余的未成功摻雜的稀土螯合物以及小分子的硅氧化合物。

圖3 FSNPs的TEM圖像 (a),HAADF圖像 (b),元素分布圖像 (c)和熒光發(fā)射光譜 (d)Fig.3 TEM image(a),HAADF image(b),elemental mapping image(c)and emission spectrum(d)of FSNPs

為了證明成功摻雜至SiO2內(nèi)部的稀土螯合物仍具有稀土特征熒光，我們記錄了其熒光發(fā)射光譜，如圖3d所示。APTES-DTPA-PABA-Tb3+@SiO2在300 nm激光的照射下，呈現(xiàn)出Tb3+的特征熒光光譜，且在254 nm汞燈照射下顯現(xiàn)綠色。這表明通過(guò)我們的設(shè)計(jì)能夠成功制備稀土摻雜的熒光二氧化硅納米粒子。

對(duì)于樣品 APTES-DTPA-PABA-Eu3+@SiO2、APTESDTPA-PTA-Eu3+@SiO2以及 APTES-DTPA-Cm120-Eu3+@SiO2，我們觀察到了同樣的結(jié)構(gòu)和對(duì)應(yīng)的稀土特征熒光發(fā)射光譜，表明APTES-DTPA-PABA-Eu3+、APTES-DTPA-PTA-Eu3+、APTES-DTPA-Cm120-Eu3+同樣能夠摻雜至SiO2中形成稀土摻雜的FSNPs。

2.2 稀土摻雜FSNPs結(jié)構(gòu)、成分的調(diào)控

2.2.1 稀土摻雜FSNPs的粒徑控制及其機(jī)理

二氧化硅納米粒子的粒徑對(duì)其應(yīng)用具有重要意義[29-30]，接下來(lái)，我們主要從2個(gè)方面研究FSNPs粒徑的控制及其機(jī)理。一方面，在反相微乳液中，水與表面活性劑的物質(zhì)的量之比(R)會(huì)影響水相納米反應(yīng)池的大小，納米反應(yīng)池的大小則會(huì)直接改變納米顆粒的粒徑[31]。因此，在其他條件完全一致的情況下，我們首先通過(guò)改變反應(yīng)中水的量，研究了R對(duì)FSNPs的粒徑的影響。如圖4(a～d)所示，F(xiàn)SNPs的粒徑隨著R的增加以近線性的方式減小。當(dāng)R=7.9時(shí)，平均粒徑為～105 nm；當(dāng)R增加至14.2，平均粒徑則逐漸減小至約30 nm。同時(shí)，隨著粒徑的減小，粒子的形態(tài)變得不規(guī)則。另一方面，考慮到稀土螯合物中的APTES能與TEOS發(fā)生共水解縮聚反應(yīng)[32-33]，且APTES量的改變對(duì)FSNPs的形成會(huì)有一定程度的影響[34]，我們研究了稀土螯合物APTESDTPA-Sensitizer-Ln3+的摻雜濃度對(duì)FSNPs粒徑和形貌的影響。如圖4(e～j)所示，F(xiàn)SNPs的粒徑隨著稀土螯合物APTES-DTPA-PTA-Eu3+濃度的增加而減小。當(dāng) APTES-DTPA-PTA-Eu3+的濃度從 10.8 mmol·L-1增加到43.2 mmol·L-1時(shí)，F(xiàn)SNPs的粒徑從約30 nm減小到約20 nm。當(dāng)濃度最終變?yōu)?72.8 mmol·L-1時(shí)，F(xiàn)SNPs的粒徑僅為約15 nm。同時(shí)，在較低濃度時(shí)，F(xiàn)SNPs的形態(tài)保持為球形，當(dāng)APTES-DTPAPTA-Eu3+濃度增加至 43.2 mmol·L-1后，F(xiàn)SNPs 呈現(xiàn)不規(guī)則形狀并出現(xiàn)黏連現(xiàn)象。這與文獻(xiàn)中利用APTES與TEOS共水解縮聚形成SiO2時(shí)，增加APTES的量導(dǎo)致最終SiO2粒徑減小、形貌變得不規(guī)則的結(jié)果一致[34]。

為了弄清稀土摻雜FSNPs的形成與粒徑變化機(jī)理，首先要了解純SiO2納米粒子的形成機(jī)理。相關(guān)文獻(xiàn)關(guān)于TEOS在反相微乳液中水解縮聚形成純二氧化硅納米粒子的機(jī)理已經(jīng)闡述的比較清楚[31,35]。簡(jiǎn)要來(lái)說(shuō)，TEOS首先溶解在油相中，靠近水-油界面的TEOS在氨水的催化下逐漸水解。水解后，TEOS從疏水性轉(zhuǎn)化為親水性，然后進(jìn)入到水池中。接著，水解的TEOS發(fā)生聚合反應(yīng)最終得到二氧化硅納米粒子。

圖4 不同反應(yīng)條件合成的FSNPs的TEM圖像(a～j)及其平均粒徑(k)Fig.4 TEM images(a～j)and average size(k)of FSNPs under different reaction conditions

在我們的實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)R增大時(shí)，水相反應(yīng)池的體積也會(huì)隨之增大，每個(gè)水池能夠承載的TEOS單體數(shù)量也會(huì)增加。因此，當(dāng)R增大時(shí)，會(huì)有更多的晶核同時(shí)產(chǎn)生，而TEOS的量是一定的，生長(zhǎng)至單個(gè)粒子表面的TEOS量減小，納米粒子的最終尺寸減?。煌瑫r(shí)，由于顆粒未完全生長(zhǎng)，其形狀會(huì)變得不規(guī)則[31]。另一方面，分散在水相中的APTES-DTPASensitizer-Ln3+和表面活性劑附近的TEOS可能同時(shí)水解[32-34]。 因此，當(dāng) APTES-DTPA-Sensitizer-Ln3+的量增加時(shí)，APTES會(huì)水解縮聚形成更多的晶核，TEOS量不變，晶核數(shù)目的增多將導(dǎo)致平均每個(gè)晶核上能夠生長(zhǎng)的TEOS的數(shù)目減少，從而造成FSNPs的粒徑減小。此外，過(guò)量APTES-DTPA-Sensitizer-Ln3+的存在還會(huì)在一定程度上抑制TEOS水解聚合至納米粒子表面[34]，阻止納米粒子的進(jìn)一步長(zhǎng)大，導(dǎo)致FSNPs粒徑減小。作為對(duì)照實(shí)驗(yàn)，我們制備了無(wú)偶聯(lián)劑APTES的DTPA-PTA-Eu3+@SiO2，其TEM圖像如圖5所示。其形貌為中心有黑點(diǎn)、粒徑約為30 nm的二氧化硅球，而且當(dāng)DTPA-PTA-Eu3+的濃度從27.6 mmol·L-1增加至 110.7 mmol·L-1時(shí)，F(xiàn)SNPs 粒徑與形貌基本不發(fā)生改變。這是因?yàn)闊o(wú)APTES的稀土螯合物DTPA-PTA-Eu3+不能與TEOS共水解縮聚，僅能通過(guò)物理包裹的方式摻雜至SiO2中，不會(huì)和有APTES存在的稀土螯合物一樣影響FSNPs的粒徑和形貌。這一結(jié)果從側(cè)面印證了APTES與TEOS之間共水解縮聚反應(yīng)導(dǎo)致了上述APTES-DTPA-PTAEu3+@SiO2粒徑和形貌的變化[32-34]。

綜上，基于這些機(jī)理，我們可以在15～110 nm的范圍內(nèi)調(diào)控APTES-DTPA-Sensitizer-Ln3+@SiO2的粒徑(圖4k)，得到后續(xù)應(yīng)用所需要的不同粒徑的FSNPs。

圖5 不同濃度DTPA-PTA-Eu3+摻雜FSNPs的TEM圖像Fig.5 TEM images of FSNPs with different DTPA-PTA-Eu3+concentrations

2.2.2 稀土摻雜FSNPs負(fù)載能力的調(diào)控

目前報(bào)道的文獻(xiàn)主要是通過(guò)將生色團(tuán)-配體-稀土離子這種沒(méi)有硅烷偶聯(lián)劑的稀土螯合物直接包裹至二氧化硅納米顆粒內(nèi)部[26,36]，或者是通過(guò)直接將稀土螯合物吸附至已獲得的二氧化硅納米顆粒表面[25]這兩種方式制備稀土摻雜的FSNPs。盡管它們都合成了具有稀土熒光的FSNPs，但這種FSNPs的稀土螯合物負(fù)載能力低，熒光強(qiáng)度較弱[21]。例如，Ye等通過(guò)將沒(méi)有偶聯(lián)劑的Tb螯合物直接包裹在二氧化硅納米粒子中合成了42 nm的Tb螯合物摻雜FSNPs，其Tb的負(fù)載量?jī)H為0.52%(w/w)[36]；另外，Eliseeva等將Eu的雙金屬螯合物直接包裹在55 nm的二氧化硅中，最終得到了Eu的負(fù)載量?jī)H為0.078%(w/w)的FSNPs[26]。在本文中，我們研究了FSNPs對(duì)APTES-DTPA-PTA-Eu3+的負(fù)載能力，同時(shí)，制備了不含偶聯(lián)劑APTES的DTPA-PTA-Eu3+@SiO2作為對(duì)比。

如圖6所示，DTPA-PTA-Eu3+摻雜的 FSNPs中Eu的負(fù)載量小于0.02%(w/w)，并且隨著稀土螯合物投入量的增大基本不變；相反，APTES-DTPA-PTAEu3+摻雜的FSNPs對(duì)Eu3+的負(fù)載能力比DTPA-PTAEu3+@SiO2大一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。在Eu3+的投入量為12.15%(w/w)的情況下，其最大摻雜量可以達(dá)到6.5%(w/w)，即超過(guò)一半的稀土離子被成功摻雜至FSNPs中。而且，在我們的研究范圍內(nèi)，稀土螯合物的負(fù)載量隨投入量的增大呈現(xiàn)線性增加且沒(méi)有達(dá)到飽和，這意味著可以進(jìn)一步增加稀土離子有效負(fù)載。有文獻(xiàn)表明，當(dāng)APTES與TEOS的物質(zhì)的量之比小于1時(shí)，若TEOS的量保持不變，提高APTES的投入量可以增加其與TEOS共水解縮聚形成的SiO2的量，從而提高SiO2的最終產(chǎn)量[34]。在我們的實(shí)驗(yàn)中，APTES與TEOS的物質(zhì)的量之比范圍都小于1，并且APTES-DTPA-PTA-Eu3+@SiO2的產(chǎn)量同樣隨著APTES-DTPA-PTA-Eu3+投入量的提高而增加。因此，當(dāng)APTES-DTPA-PTA-Eu3+的投入量提高時(shí)，有更多的APTES能夠與TEOS共水解縮聚形成SiO2，也就意味著有更多的APTES-DTPA-PTA-Eu3+能夠連接至SiO2，從而使FSNPs的負(fù)載能力得到提升。

圖6 FSNPs對(duì)兩種稀土螯合物的負(fù)載能力Fig.6 Loading ability of FSNPs for two chelates of APTES-DTPA-Sensitizer-Ln3+

2.3 稀土摻雜FSNPs熒光性質(zhì)的調(diào)控

2.3.1 稀土摻雜FSNPs的發(fā)光機(jī)理

我們選用了3種有機(jī)生色團(tuán) (分別是PABA，PTA及Cm120，如表1或圖7a所示)來(lái)研究稀土摻雜FSNPs的發(fā)光機(jī)理。APTES-DTPA-PABA-Eu3+@SiO2、 APTES-DTPA-PTA-Eu3+@SiO2、 APTES-DTPACm120-Eu3+@SiO2的光致發(fā)光激發(fā)光譜(PLE)和熒光發(fā)射光譜如圖7a所示。3種FSNPs都呈現(xiàn)Eu3+的特征發(fā)射光譜，在617 nm處的主峰對(duì)應(yīng)于Eu離子5D0(2.11 eV，或 17 267 cm-1波數(shù))到7F2躍遷[37]。 在使用PABA作為生色團(tuán)時(shí)，獲得的FSNPs只能在小于340 nm的激發(fā)波長(zhǎng)下被激發(fā)，其PLE峰在285 nm附近。為了增加激發(fā)波長(zhǎng)，我們選用了三重激發(fā)態(tài)能級(jí)比 PABA(3 eV)低的 PTA(2.48 eV)和 Cm120(2.38 eV)作為生色團(tuán)[38-40]。如圖 7a所示，APTES-DTPAPTA-Eu3+@SiO2激發(fā)波長(zhǎng)的峰值增加到了295 nm，APTES-DTPA-Cm120-Eu3+@SiO2的可激發(fā)區(qū)域擴(kuò)展至400 nm，激發(fā)波長(zhǎng)的峰值擴(kuò)展至300到380 nm的區(qū)間。因此，我們可以通過(guò)選擇合適的生色團(tuán)來(lái)調(diào)控稀土摻雜FSNPs的激發(fā)波長(zhǎng)。根據(jù)上述結(jié)論我們推測(cè)，在稀土螯合物中，生色團(tuán)作為敏化劑首先吸收激發(fā)光的能量，然后將能量轉(zhuǎn)移至Eu3+，使其發(fā)光。為了進(jìn)一步證實(shí)這一點(diǎn)，我們制備了3種對(duì)應(yīng)的Tb3+摻雜FSNPs，分別為APTES-DTPA-PABA-Tb3+@SiO2、APTES-DTPA-PTA-Tb3+@SiO2和 APTES-DTPACm120-Tb3+@SiO2。如圖7b所示，Tb3+的激發(fā)態(tài)能量(5D0：2.53 eV，或波數(shù) 20 406 cm-1)低于 PABA 的激發(fā)態(tài)能量，但高于Cm120和PTA的三重激發(fā)態(tài)能量。因此，基于能量轉(zhuǎn)移的理論，PTA和Cm120無(wú)法激活Tb3+， 即APTES-DTPA-PTA-Tb3+@SiO2和APTESDTPA-Cm120-Tb3+@SiO2無(wú)法產(chǎn)生Tb3+特征熒光。結(jié)果如圖7c所示，僅有APTES-DTPA-PABA-Tb3+@SiO2被成功激發(fā)，獲得Tb3+的特征熒光光譜，與前述結(jié)論相吻合。綜上，我們的實(shí)驗(yàn)成功地證明了稀土摻雜FSNPs中的能量轉(zhuǎn)移過(guò)程，即稀土螯合物中的生色團(tuán)作為敏化劑吸收激發(fā)光的能量并通過(guò)能量轉(zhuǎn)移使稀土離子敏化發(fā)光的過(guò)程，且能量轉(zhuǎn)移過(guò)程的實(shí)現(xiàn)要求生色團(tuán)的三重激發(fā)態(tài)能量高于稀土離子的激發(fā)態(tài)能量。

圖7 (a)APTES-DTPA-Sensitizer-Eu3+@SiO2的激發(fā)和發(fā)射光譜;(b)APTES-DTPA-Sensitizer-Ln3+@SiO2能量轉(zhuǎn)移示意圖;(c)APTES-DTPA-Sensitizer-Tb3+@SiO2的發(fā)射光譜Fig.7 (a)Excitation and emission spectra of APTES-DTPA-Sensitizer-Eu3+@SiO2;(b)Schematic diagram for the energy transfer in APTES-DTPA-Sensitizer-Ln3+@SiO2;(c)Emission spectra of APTES-DTPA-Sensitizer-Tb3+@SiO2

2.3.2 稀土摻雜FSNPs熒光顏色的調(diào)控

通過(guò)2.3.1小節(jié)的研究我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用PABA為生色團(tuán)時(shí)，能夠分別得到具備Tb3+或者Eu3+特征熒光的FSNPs。因此，我們嘗試將APTES-DTPAPABA-Tb3+和 APTES-DTPA-PABA-Eu3+同時(shí)摻雜至FSNPs中，并通過(guò)改變兩者之間的物質(zhì)的量之比來(lái)調(diào)控FSNPs的熒光顏色。圖8a是APTES-DTPAPABA-Tb3+@SiO2的熒光光譜，光譜顯示出4個(gè)Tb3+的特征主峰，最大強(qiáng)度的峰在546 nm處，且FSNPs在激發(fā)下呈現(xiàn)綠色。APTES-DTPA-PABA-Eu3+@SiO2的熒光光譜如圖8e所示，該FSNPs擁有Eu3+的5個(gè)特征峰，最大強(qiáng)度的熒光峰在617 nm處，且在激發(fā)下呈現(xiàn)紅色。圖8b到8d是不同比例的Tb3+/Eu3+共摻雜FSNPs的熒光發(fā)射光譜，從圖中可以看出，隨著 Tb3+和 Eu3+加入比例的改變，Tb3+/Eu3+共摻雜FSNPs顯示出Tb3+和Eu3+的混合熒光峰，且在激發(fā)下呈現(xiàn)綠色和紅色的混合色熒光。

圖8 不同物質(zhì)的量之比的Tb3+/Eu3+螯合物摻雜FSNPs的熒光發(fā)射光譜Fig.8 Emission spectra of FSNPs with different molar ratios of Tb3+/Eu3+in the lanthanide chelates

2.3.3 稀土摻雜FSNPs熒光強(qiáng)度的調(diào)控

為了獲得更高熒光強(qiáng)度的FSNPs，我們進(jìn)一步研究了稀土離子負(fù)載量對(duì)FSNPs熒光強(qiáng)度的影響。如圖9所示,當(dāng)APTES-DTPA-PTA-Eu3+@SiO2中 Eu3+的負(fù)載量分別為 0.92%(w/w)(黑線)，5.45%(w/w)(紅線)和6.50%(w/w)(藍(lán)線)時(shí)，發(fā)射光譜中發(fā)射峰的位置相同，而熒光強(qiáng)度不同。圖9的插圖表示的是FSNPs的熒光強(qiáng)度最高峰(617 nm)隨著稀土離子負(fù)載量的變化情況：隨著Eu3+負(fù)載量從0.92%(w/w)到5.45%(w/w)，F(xiàn)SNPs的熒光強(qiáng)度迅速增加。然而，當(dāng)負(fù)載量進(jìn)一步增加至6.50%(w/w)時(shí)，F(xiàn)SNPs的熒光強(qiáng)度幾乎保持穩(wěn)定，略微有所降低。導(dǎo)致上述現(xiàn)象的原因主要有下面兩個(gè)方面：一方面，隨著稀土負(fù)載量的增加，單個(gè)納米顆粒能夠包裹更多的稀土螯合物，因此有助于其熒光強(qiáng)度的增加，特別是在低負(fù)載含量的范圍[41]；然而，當(dāng)螯合物的有效負(fù)載增加到一定程度時(shí)，生色團(tuán)分子的聚集會(huì)導(dǎo)致高濃度猝滅現(xiàn)象[22]，因此，F(xiàn)SNPs熒光強(qiáng)度的增加趨勢(shì)會(huì)有所減緩。綜合上述兩個(gè)因素，隨著稀土螯合物的劑量的進(jìn)一步增加，熒光強(qiáng)度達(dá)到“飽和”，到達(dá)峰值。另一方面，隨著Eu3+負(fù)載量的增加，F(xiàn)SNPs的尺寸減小(圖4k)，位于FSNPs表面的稀土螯合物比例增加[24,42]。表面附近的稀土螯合物由于直接與氧氣和水接觸[43]，熒光更容易猝滅，導(dǎo)致FSNPs熒光強(qiáng)度的增加趨勢(shì)減緩或是有所降低。因此，綜合上述因素，F(xiàn)SNPs的熒光強(qiáng)度會(huì)先隨著Eu3+摻雜濃度的增加而增加，當(dāng)摻雜濃度增加到一定值時(shí)達(dá)到飽和，甚至略微降低。

圖9 不同稀土負(fù)載量的FSNPs的熒光發(fā)射光譜Fig.9 Emission spectra of FSNPs with different Eu3+loading amounts

2.3.4 稀土摻雜FSNPs的光穩(wěn)定性及熒光壽命

為了評(píng)估稀土摻雜FSNPs的光穩(wěn)定性，我們使用200 W氙燈作為光源，120 min連續(xù)照射純PTA染料、純APTES-DTPA-PTA-Eu3+螯合物和APTESDTPA-PTA-Eu3+@SiO2納米粒子的水溶液，記錄它們各自的熒光強(qiáng)度。如圖10a所示，在使用320 nm的激光連續(xù)照射120 min后，純?nèi)玖螾TA的熒光強(qiáng)度被漂白至28%，APTES-DTPA-PTA-Eu3+螯合物則保留了約85%的原始熒光強(qiáng)度。值得注意的是，APTES-DTPA-PTA-Eu3+@SiO2納米粒子的熒光強(qiáng)度仍然保持在95%。這一結(jié)果表明FSNPs中的二氧化硅基質(zhì)能夠有效地保護(hù)稀土螯合物免受外界環(huán)境的影響，提高它的光穩(wěn)定性。

此外，我們還測(cè)試了APTES-DTPA-PTA-Eu3+@SiO2納米粒子在激發(fā)波長(zhǎng)為320 nm，發(fā)射波長(zhǎng)為617 nm時(shí)的熒光壽命。如圖10b所示，F(xiàn)SNPs的熒光壽命為0.85 ms，這足以避免背景熒光的干擾，可用于時(shí)間分辨熒光免疫分析等應(yīng)用[15]。

圖10 染料分子、稀土螯合物、FSNPs的光穩(wěn)定性 (a)及FSNPs的熒光壽命 (b)Fig.10 Photostability of dye molecules,lanthanide chelates and FSNPs(a)and lifetime of FSNPs(b)

3 結(jié) 論

綜上，我們通過(guò)反相微乳液法成功地合成了形態(tài)均勻、熒光穩(wěn)定性強(qiáng)、熒光壽命長(zhǎng)、粒徑和成分可控的稀土摻雜FSNPs。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)其熒光性質(zhì)如激發(fā)波長(zhǎng)、熒光強(qiáng)度和熒光顏色的調(diào)控。通過(guò)改變水與表面活性劑的物質(zhì)的量之比，實(shí)現(xiàn)FSNPs的粒徑在110～30 nm范圍內(nèi)的調(diào)控；通過(guò)改變加入的稀土螯合物的量，實(shí)現(xiàn)FSNPs的粒徑在30～15 nm范圍內(nèi)的調(diào)控。我們發(fā)現(xiàn)了APTES連接的稀土螯合物與二氧化硅基質(zhì)之間的鍵合能夠提高FSNPs的負(fù)載能力，因此得到了Eu元素?fù)诫s量高達(dá)6.5%(w/w)的FSNPs。此外，我們的工作證實(shí)了稀土摻雜 FSNPs中的能量轉(zhuǎn)移過(guò)程，即稀土螯合物中的生色團(tuán)分子吸收激發(fā)光的能量并將其轉(zhuǎn)移以激活稀土離子發(fā)光的過(guò)程，且該過(guò)程應(yīng)滿足生色團(tuán)的三重激發(fā)態(tài)能量高于稀土離子的激發(fā)態(tài)能量這一基本條件。另外，通過(guò)改變稀土螯合物的負(fù)載量，我們實(shí)現(xiàn)了對(duì)FSNPs熒光強(qiáng)度的調(diào)控；通過(guò)改變稀土螯合物中Tb3+/Eu3+的比例，我們實(shí)現(xiàn)了對(duì)FSNPs熒光顏色的調(diào)控。這些對(duì)于FSNPs的進(jìn)一步應(yīng)用都是非常有意義的。