專利名稱：氨基酸修飾的水溶性稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米粒子的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水溶性稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米粒子的制備方法，制備的上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米粒子可用于生物標(biāo)記、傳感和成像，屬于稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料制備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
上轉(zhuǎn)換發(fā)光是通過吸收多個長波長輻射的光子被激發(fā)后發(fā)射出短波長光的發(fā)光。與常用的熒光染料分子、量子點等發(fā)光標(biāo)記物相比，稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料具有Stokes位移大，發(fā)光強度高，對生物體毒性低的優(yōu)點，其激發(fā)光源為近紅外光源(通常是980nm)，避免了紫外光激發(fā)引起的生物樣品的各種背景熒光的干擾，此外，近紅外光對生物組織的滲透能力強、無損傷，作為生物體內(nèi)的標(biāo)記物具有特別的優(yōu)勢。因此，上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料在生物醫(yī)學(xué)、臨床診斷等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。各種稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料中NaYF4:Yb/Er是發(fā)光效率最高的上轉(zhuǎn)換材料之一，已有多種制備NaYF4:Yb/Er上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米粒子的方法報道，這些方法有共沉淀法、熱分解法、溶劑熱法等，其中溶劑熱法制備簡單，反應(yīng)溫和，粒子大小和形貌容易控制，不需要高溫煅燒就可以獲得高發(fā)光強度的上轉(zhuǎn)換納米粒子。溶劑熱法可使用有機相反應(yīng)和水相反應(yīng)制備，有機相反應(yīng)獲得的常是疏水的有機分子修飾的油溶性上轉(zhuǎn)換納米粒子，油溶性的稀土上轉(zhuǎn)換納米粒子通常發(fā)光強度高，如油酸修飾的NaYF4:Yb/Er上轉(zhuǎn)換納米粒子，不僅發(fā)光強度強，而且粒子的形狀和尺寸容易控制，是目前最理想、最普遍使用的一種上轉(zhuǎn)換納米粒子。然而疏水性分子修飾的油溶性上轉(zhuǎn)換納米粒子在水溶液中會發(fā)生聚集，這限制了它們在水溶液中的各種應(yīng)用。水相反應(yīng)制備獲得的是水溶性的上轉(zhuǎn)換納米粒子，水溶性上轉(zhuǎn)換納米粒子的制備方法已有報道，陳志鋼，宋岳林，田啟威等(材料導(dǎo)報，2010，24 (8)，5-8)報道了一種乙二醇修飾的水溶性NaYF4I轉(zhuǎn)換發(fā)光材料；陳歡，揣曉紅，王麗麗等(發(fā)光學(xué)報，2010，31 (4) , 538-542)報道了一種聚乙烯吡咯烷酮修飾的水溶性NaYF4上轉(zhuǎn)換納米粒子；宋維業(yè)，石峰，趙丹等(發(fā)光學(xué)報，2012，33 (7)，688-692)報道了一種聚丙烯酸修飾的水溶性NaYF4上轉(zhuǎn)換納米粒子；趙軍偉，單含，石冬梅等(發(fā)光學(xué)報，2012，33 (3)，253-257)報道了一種枝狀聚乙烯亞胺修飾的水溶性NaYF4上轉(zhuǎn)換納米粒子的制備方法。中國專利公開號CN101928033A，2010年，胡俊青，宋岳林，田啟威，陳志鋼，鄒儒佳，吳江紅公開了一種溶劑熱法制備聚乙烯吡咯烷酮修飾的水溶性的NaYF4上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料；中國專利公開號CN101289616A，2008年，賈若琨，楊珊公開了一種以丙三醇為溶劑，EDTA為配體的水溶性NaYF4:Er3+/Yb3+上轉(zhuǎn)換納米晶；中國專利公開號CN1539917A，2004年，賈若琨，白玉白，李鐵津公開了一種以硝酸釔、稀土醋酸鹽為前體，通過微波爐加熱和高溫灼燒除水制得的可溶性的上轉(zhuǎn)換納米晶粉末。雖然各種水溶性上轉(zhuǎn)換納米粒子的制備方法已有報道，但這些方法制備的上轉(zhuǎn)換納米粒子有的需要高溫反應(yīng)，有的在水溶液中發(fā)光強度大大降低，有的在水溶液中分散性仍不理想，而且制備的水溶性上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料大多表面缺少活性的官能團，不能偶聯(lián)其它分子，需要進一步的功能化才有可能應(yīng)用于各種生物應(yīng)用。用油酸修飾的NaYF4:Yb/Er上轉(zhuǎn)換納米粒子不僅發(fā)光強度強，而且粒子的形狀和尺寸容易控制，制備簡便、可靠，將油酸修飾的NaYF4:Yb/Er上轉(zhuǎn)換納米粒子轉(zhuǎn)變成水溶性的上轉(zhuǎn)換納米粒子對水溶液中的各種應(yīng)用具有重要意義。油酸修飾的NaYF4:Yb/Er上轉(zhuǎn)換納米粒子轉(zhuǎn)變成水溶性的上轉(zhuǎn)換納米粒子的研究已有報道，陳志鋼等將表面油酸配體氧化成親水的壬二酸配體(Z.Chen, H.Chen, H.Hu et al, J.Am.Chem.Soc.,2008,130,3023-3029)，該法使用了較復(fù)雜的工藝；Boyer等用磷酸化的聚乙二醇做配體與油酸修飾的NaYF4上轉(zhuǎn)換納米粒子表面的油酸交換得到水溶性的NaYF4上轉(zhuǎn)換納米粒子(J-C.Boyer,M-P.Manseau, J.1.Murray, F.C.J.M.van Veggel, Langmuir, 2010, 26 (2), 1157-1164),這種方法需要先將聚乙二醇磷酸化反應(yīng)，制備配體。本發(fā)明提出了一種氨基酸修飾的水溶性稀土上轉(zhuǎn)換納米粒子的制備方法，該方法以油酸修飾的NaYF4:Yb/Er上轉(zhuǎn)換納米粒子為基礎(chǔ)，將粒子表面的油酸修飾去除后再用氨基酸修飾，制備的上轉(zhuǎn)換納米粒子不僅繼承了油酸修飾的NaYF4:Yb/Er上轉(zhuǎn)換納米粒子的高發(fā)光強度，而且完全水溶性，粒子表面帶有活性官能團可用于進一步的分子連接，國內(nèi)外尚未見報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的:現(xiàn)有技術(shù)存在如下不足:有機相中制備的油溶性的稀土上轉(zhuǎn)換納米粒子發(fā)光強度高，粒子的形狀和尺寸均一，但在水溶液中易聚集，限制了其在水溶液中的各種應(yīng)用；目前雖已有水溶性的上轉(zhuǎn)換納米粒子的制備方法報道，但這些方法制備的上轉(zhuǎn)換納米粒子在水溶液中常常發(fā)光強度大大降低，分散性仍不理想，且上轉(zhuǎn)換納米粒子表面缺少可供偶聯(lián)的活性官能團，不能直接應(yīng)用于各種生物應(yīng)用。本發(fā)明的目的是提供一種水溶性的、高發(fā)光強度的、表面帶有活性官能團的稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米粒子的制備方法。本發(fā)明技術(shù)方案:一種氨基酸修飾的水溶性稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米粒子的制備方法，通過溶劑萃取去除油 溶性的稀土上轉(zhuǎn)換納米粒子表面的修飾分子，使稀土上轉(zhuǎn)換納米粒子表面變成沒有修飾的裸露的納米粒子；再加入水溶性的氨基酸溶液，獲得氨基酸修飾的水溶性的稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米粒子；具體步驟是:第一步將油溶性的油酸修飾的NaYF4:Yb/Er上轉(zhuǎn)換納米粒子分散于水溶液中，攪拌，加入萃取溶劑，用酸調(diào)節(jié)溶液的PH范圍在3-5，充分混合，萃取2-4次；第二步將去除了油酸的NaYF4:Yb/Er上轉(zhuǎn)換納米粒子重新分散于水中，加入氨基酸水溶液，攪拌下反應(yīng)，得到氨基酸修飾的水溶性的稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米粒子，離心分離后將納米粒子分別用乙醇、水清洗，于70°C烘箱中干燥后備用。第一步中溶劑萃取時使用的溶劑是二乙醚或乙醚中一種。第一步中溶劑萃取時溶液的pH值范圍控制在3-5。通過鹽酸等無機酸調(diào)節(jié)溶液的pH值。油酸修飾的NaYF4:Yb/Er上轉(zhuǎn)換納米粒子可根據(jù)下列方法或文獻報道的方法或其它方法制備。在三頸燒瓶中分別加入油酸和十八烯，隨后加入78:20:2摩爾比例的YCl3.6H20/YbCl3.6H20/ErCl3.6H20稀土化合物的混合物，在N2保護下攪拌30min，升溫到160°C，溶液變成黃色澄清透明的溶液后降到室溫，逐滴加入含NH4F的甲醇溶液，升溫至80°C并保持30min，再升溫至300°C，反應(yīng)Ih后自然冷卻至室溫，棄上層液體，沉淀部分(納米晶)分別加乙醇、乙醇/水(1:1，v/v)清洗，重復(fù)3次，所得固體置于70°C烘箱中干燥，保存于干燥器中備用。本發(fā)明的有益效果:目前報道的水溶性上轉(zhuǎn)換納米粒子，一方面發(fā)光效率較油溶性的上轉(zhuǎn)換納米粒子低，分散性仍不夠理想，另一方面納米粒子的表面大多沒有活性官能團，不能直接應(yīng)用于生物分析，需要進一步功能化。本發(fā)明得到的水溶性稀土上轉(zhuǎn)換納米粒子①保留了油酸修飾的NaYF4:Yb/Er上轉(zhuǎn)換納米粒子高發(fā)光強度的優(yōu)點，是發(fā)光最強的上轉(zhuǎn)換納米粒子之一完全水溶性。由于溶劑萃取幾乎去除了表面所有的疏水的油酸分子，表面水溶性氨基酸分子修飾徹底，較其它方法(如配體交換法)制得的水溶性更好；③粒子表面含有可供生物應(yīng)用的氨基酸分子具備的活性氨基和羧基官能團，適合生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用。此外，本發(fā)明使用的氨基酸可從商業(yè)渠道容易獲得，價格便宜，避免了通常水溶性配體的復(fù)雜有機合成；制備的方法簡便，容易操作和掌握。
四.


圖1.賴氨 酸修飾的NaYF4:Yb/Er上轉(zhuǎn)換納米粒子的透射電鏡圖。圖2.NaYF4:Yb/Er上轉(zhuǎn)換納米粒子的紅外光譜圖。(a)油酸修飾的，(b)無修飾裸露的，(C)賴氨酸修飾的。圖3.賴氨酸修飾的NaYF4:Yb/Er上轉(zhuǎn)換納米粒子(0.5%, w/w)在水溶液中的熒光光譜圖。圖4.油酸修飾的NaYF4:Yb/Er上轉(zhuǎn)換納米粒子(a)和賴氨酸修飾的NaYF4:Yb/Er上轉(zhuǎn)換納米粒子(b)在環(huán)己烷和水溶液中的溶解性。圖5.甘氨酸修飾的NaYF4:Yb/Er上轉(zhuǎn)換納米粒子在環(huán)己烷(a)和水溶液(b)中的溶解性。
五.
具體實施例方式油酸修飾的稀土上轉(zhuǎn)換納米粒子通過稀土氯化物為前驅(qū)體，油酸和十八烯分別為表面分散劑和溶劑，NH4F為氟源合成，該納米粒子的大小可以通過調(diào)節(jié)油酸、十八烯的比例來進行控制，生成的粒子直徑通常在10-100納米左右；然后在油酸修飾的上轉(zhuǎn)換納米粒子溶液中加入萃取溶劑并調(diào)節(jié)PH值除去上轉(zhuǎn)換納米粒子表面的油酸分子，洗滌，得到裸露的上轉(zhuǎn)換納米粒子；在含有裸露的上轉(zhuǎn)換納米粒子的水溶液中加入氨基酸，得到水溶性的氨基酸修飾的稀土上轉(zhuǎn)換納米粒子。實施例1:賴氨酸修飾的稀土上轉(zhuǎn)換(NaYF4:Yb/Er)納米粒子的制備油酸修飾的NaYF4:Yb/Er上轉(zhuǎn)換納米粒子(NaYF4:Yb/Er)的制備:在IOOmL三頸燒瓶中分別加入3mL油酸和17mL十八烯，隨后加入0.78mmolYCl3.6H20,0.20mmolYbCl3.6Η20，0.02mmol ErCl3.6!120，在N2保護下攪拌30min,升溫到160°C，溶液變成黃色澄清透明的溶液后降到室溫，逐滴加入含NH4F的甲醇溶液(0.148gNH4F和0.1gNaOH溶于IOmL甲醇)10mL，升溫至80°C并保持30min，再升溫至300°C，反應(yīng)Ih后自然冷卻至室溫，棄上層液體，沉淀部分(納米晶)分別加乙醇、乙醇/水(1:1，V/V)清洗，重復(fù)3次，所得固體置于70°C烘箱中干燥，保存于干燥器中備用。油酸修飾的NaYF4:Yb/Er上轉(zhuǎn)換納米粒子表面油酸分子的去除，如靜置:將上述所得油酸修飾的納米粒子0.1克分散于IOmL水溶液中，攪拌，加入5mL 二乙醚，用鹽酸調(diào)節(jié)pH至4.0，充分混合，靜置撇除二乙醚，萃取3次。溶劑萃取時pH值范圍控制在3.0-5.0。賴氨酸修飾的NaYF4:Yb/Er上轉(zhuǎn)換納米粒子的制備:將上述得到的去除了油酸的NaYF4:Yb/Er上轉(zhuǎn)換納米粒子重新分散于IOmL水中，加入ImLlOO μ M賴氨酸水溶液，攪拌下反應(yīng)3小時。得到的水溶性納米晶用乙醇、水清洗后置于70°C烘箱中干燥，保存于干燥器中備用。圖1是制備的賴氨酸修飾的NaYF4:Yb/Er上轉(zhuǎn)換納米粒子的透射電鏡圖，納米粒子的大小均一，直徑約為70納米。圖2分別是油酸修飾、去除油酸的和賴氨酸修飾的NaYF4:Yb/Er上轉(zhuǎn)換納米粒子的紅外光譜圖，圖中油酸的亞甲基峰(2934,28530^1)和羧基峰(1562、1449CHT1)消失(a, b線)，出現(xiàn)賴氨酸的羧基和氨基峰(1470、1660,297^2906011-1)(c線)表明賴氨酸已成功修飾在NaYF4:Yb/Er上轉(zhuǎn)換納米粒子的表面。圖4是油酸和賴氨酸修飾的NaYF4:Yb/Er上轉(zhuǎn)換納米粒子在環(huán)己烷和水溶液中的溶解性比較，油酸修飾的NaYF4:Yb/Er上轉(zhuǎn)換納米粒子易溶于環(huán)己燒而不溶于水,賴氨酸修飾的NaYF4:Yb/Er上轉(zhuǎn)換納米粒子不溶于環(huán)己烷而易溶于水，說明氨基酸修飾的NaYF4:Yb/Er上轉(zhuǎn)換納米粒子具有很好的水溶解性。圖3是賴氨酸修飾的NaYF4:Yb/Er上轉(zhuǎn)換納米粒子水溶液(0.5%,w/w)的熒光光譜圖，發(fā)光強度高，接近油酸修飾的NaYF4:Yb/Er上轉(zhuǎn)換納米粒子的發(fā)光強度。實施例2:甘氨酸修飾的稀土上轉(zhuǎn)換納米粒子(NaYF4:Yb/Er)的制備油酸修飾的NaYF4:Yb/Er上轉(zhuǎn)換納米粒子的制備及其表面油酸分子的去除同實施例I甘氨酸修飾的NaYF4:Yb/Er上轉(zhuǎn)換納米粒子的制備:將得到的去除了油酸的NaYF4:Yb/Er上轉(zhuǎn)換納米粒子0.1克重新分散于IOmL水中，加入ImLlOO μ M甘氨酸水溶液，攪拌下反應(yīng)3小時。得到的水溶性納米晶用乙醇、水清洗后置于70°C烘箱中干燥，保存于干燥器中備用。圖5是甘氨酸修飾 的NaYF4:Yb/Er上轉(zhuǎn)換納米粒子在環(huán)己烷和水溶液中的溶解性比較，甘氨酸修飾的納米粒子在環(huán)己烷中沉淀而在水溶液中澄清透明說明甘氨酸修飾的NaYF4:Yb/Er上轉(zhuǎn)換納米粒子在水溶液中具有很好的溶解性。萃取溶劑亦可以使用乙醚。采用半胱氨酸或胱氨酸修飾的稀土上轉(zhuǎn)換納米粒子的制備條件與上述條件相同，得到的結(jié)果亦相同。
權(quán)利要求
1.一種氨基酸修飾的水溶性稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米粒子的制備方法，其特征是通過溶劑萃取去除油溶性的稀土上轉(zhuǎn)換納米粒子表面的修飾分子，使稀土上轉(zhuǎn)換納米粒子表面變成沒有修飾的裸露的納米粒子；再加入水溶性的氨基酸溶液，獲得氨基酸修飾的水溶性的稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米粒子；具體步驟是: 第一步將油溶性的油酸修飾的NaYF4:Yb/Er上轉(zhuǎn)換納米粒子分散于水溶液中，攪拌，力口入萃取溶劑，用鹽酸調(diào)節(jié)溶液的PH范圍在3-5，充分混合，萃取2-4次； 第二步將去除了油酸的NaYF4:Yb/Er上轉(zhuǎn)換納米粒子重新分散于水中，加入氨基酸水溶液，攪拌下反應(yīng)，得到氨基酸修飾的水溶性的稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米粒子，離心分離后將納米粒子分別用乙醇、水清洗，于70°C烘箱中干燥后備用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氨基酸修飾的水溶性稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米粒子的制備方法使用的油溶性的稀土上轉(zhuǎn)換納米粒子是油酸修飾的NaYF4:Yb/Er上轉(zhuǎn)換納米粒子。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氨基酸修飾的水溶性稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米粒子的制備方法溶劑萃取使用的溶劑是二乙醚或乙醚中一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氨基酸修飾的水溶性稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米粒子的制備方法，其特征是溶劑萃取時溶液的PH值范圍為3-5，通過包括鹽酸的無機酸調(diào)節(jié)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氨基酸修飾的水溶性稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米粒子的制備方法使用的氨基酸是賴氨酸、 甘氨酸、半胱氨酸、胱氨酸中一種或幾種。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氨基酸修飾的水溶性的稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米粒子的制備方法，該方法以高發(fā)光強度的油酸修飾的NaYF4Yb/Er上轉(zhuǎn)換納米粒子為基礎(chǔ)，在pH3-5的酸性環(huán)境中，用溶劑萃取的方法將NaYF4Yb/Er上轉(zhuǎn)換納米粒子表面的油酸除去，再用氨基酸對去除了油酸的稀土上轉(zhuǎn)換納米粒子進行功能化，得到水溶性的稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米粒子。本發(fā)明制備的稀土上轉(zhuǎn)換納米粒子不僅繼承了油酸修飾的NaYF4Yb/Er上轉(zhuǎn)換納米粒子的高發(fā)光強度，而且完全水溶性，表面帶有可供交聯(lián)生物分子的氨基和羧基官能團。本制備方法簡便，容易操作，具有良好的應(yīng)用前景。
文檔編號C09K11/85GK103232849SQ20131015396
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月27日
發(fā)明者陳揚, 劉保霞 申請人:東南大學(xué)