一种寿命可调的荧光纳米核壳材料及其制备方法与流程

本发明涉及一种寿命可调的荧光纳米核壳材料及其制备方法。适用于生物荧光寿命成像、信息储存、信息加密等领域。

背景技术：

在生物荧光成像中，如果要同时进行两种以上的荧光标记时，需要用到不同颜色的荧光探针，然而现有的通用荧光探针，比如荧光蛋白、荧光染料和荧光量子点等，为了能够实现两种以上的荧光标记检测，需要配备多种激发光源(如LI-COR的Odyssey系统)或者多种激发光滤镜(如Xenogen的IVIS系统)，这无形中增加了荧光成像的检测成本；更重要的是，要同时进行三种或五种以上的荧光标记时，由于发射光谱的重叠会直接导致检测的失败。近年来，随着荧光寿命成像技术的发展，Rice W.L.，Hou S.Kumar，A.T.N.(Resolution below the point spread function for diffuse optical imaging using fluorescence lifetime multiplexing，Opt.Lett.38，2038-2040，2013)，采取时间分辨技术来检测信号，大幅度降低了生物组织的自发荧光(ns量级)对检测信号的干扰。采用时间分辨技术，即使是同一发射波长的荧光探针，只要荧光寿命具有差异性，即可通过时间分辨的技术得以区分。进行多种荧光标记时，如果不同的荧光探针只需要采用同一波长的光源激发，得到同一波长的发射光，则只需要一种激发光源和一种探测设备，这样可以降低设备生产和荧光检测的成本。最近有文献报道(Lu Yiqing，Zhao Jiangbo，Zhang Run，Tunable lifetime multiplexing using luminescent nanocrystals，NATURE PHOTONICS，8(1)，33-37，2014)，采用上转换方法通过调节六方晶相NaYF4：Yb，Tm的掺杂浓度，可以实现寿命的可调，这样，采用不同浓度的NaYF₄：Yb，Tm，其荧光寿命不同，用时间分辨技术，就可以得到多种需要标记样品的信息。但是，众所周知，上转换的效率很低，要达到相同的荧光探针亮度需要使用极高的激发光强。因此，如果有一种寿命可调且寿命足够长(要远大于自发荧光的ns量级)、高亮度荧光材料，且不需要高能量的激发光，可以为时间分辨技术提供荧光探针。此种材料由于激发和发射波长相同，而可以应用在信息储存等领域；而且只能通过特定的寿命密钥进行解码，因此在信息加密领域也会很有应用价值。本专利将制备这样一种材料。

技术实现要素：

本发明的目的是通过利用贵金属的局域表面等离子体效应对于外层发光材料的影响效果与两者之间的间隔有关，提供一种核壳结构的荧光材料，不仅寿命可调，而且荧光寿命长，具有相同的激发和发射谱、较好的发光强度。

本发明的另一发明目的是提供了一种工艺简单的寿命可调的荧光纳米核壳结构的制备方法。

所述荧光材料的化学组成表示式为：M@SiO₂@Ln，其中，M为贵金属Au或Ag内核；@是外层包覆；SiO₂为中间层；Ln为外壳层，是稀土氧化物或稀土配合物发光材料中的至少一种。

根据本发明的第二方面，制备方法包括以下步骤：

步骤1：采用方法或反相微乳法，对金属纳米颗粒的外层包覆SiO₂，其中，优选地，金属纳米颗粒的尺寸为5nm-25nm、30-70nm、80-150nm范围之内的三种类型，SiO₂层的厚度分别在2-10nm、12-30nm、35-100nm范围之内。

步骤2：将稀土配合物或者稀土盐溶于酒精中，配制成摩尔浓度为0.06～0.8M的溶液。

步骤3：在含有包覆产物的溶液中加入稀土配合物或者稀土氧化物相应的盐溶液，搅拌均匀，按照稀土溶液与TEOS的摩尔比为：1∶1～1∶5，逐滴滴加TEOS，调节溶液的PH为9，陈化、过滤、洗涤干燥。

步骤4：对于稀土氧化物，还要额外将干燥产物在700℃下煅烧3h，得到最终的寿命可调的核壳纳米发光材料。

本发明的原理是，因为贵金属纳米结构能够影响其附近荧光分子的激发和辐射过程(M.Ringler，A.Schwemer，M.Wunderlich，Shaping Emssion spectra of fluorescent molecultes with single plasmonic Nanoresonators，Phys.Rev.Lett.100，203002，2008)，根据费米黄金定则，发光粒子从激发态i到低能态f的自发辐射速率满足：其中为哈密顿量，为发光粒子所在位置的场，为偶极子动量。在没有表面等离子体(SP)激发时，发光粒子所处的环境一般情况下为均一环境。经量子电动力学理论分析，利用格林函数方法，可推得，自由空间下的辐射衰减速率为，若产生了SP，则使得发光分子所处的环境为非均一的，此时辐射衰减速率与自发辐射衰减速率的比值为， 此时q_i为颗粒电荷，E_s(r₀)为发光分子所在位置的场。分析该公式可以看出，发光粒子辐射衰减速率的在非均一场中发生变化，一方面取决于发光粒子本身，另一方面取决于发光粒子所在位置处的场。当采用相同尺寸的贵金属纳米颗粒时，由于金属纳米颗粒与发光分子之间的距离可以通过调节SiO₂中间层厚度的不同，从而不同程度地影响辐射衰减速率γ和无辐射衰减速率Knr，并最终不同程度地改变发光分子的寿命τ＝1/(γ+Knr)；当采用相同的SiO₂中间层厚度时，由于不同尺寸的金属纳米颗粒的表面等离子体共振波长随着尺寸的增大而红移，通过不同程度地影响发光分子的光激发和发射过程，从而调节荧光寿命。

本发明的有益效果是，这种荧光材料在受到同一种波长的光激发时，能够发射出相同的颜色，而且，寿命随着核尺寸、壳厚度的变化实现可调，并具有寿命的可区分性。

附图说明

图1为20nm Ag@SiO₂的透射电镜

图2为50nm Ag@SiO₂的透射电镜

图3为20nmAg@SiO₂的消光谱

图4为50nmAg@SiO₂的消光谱

图5为Ag@SiO₂@Eu(TTFA)₃的激发谱

图6为Ag@SiO₂@Eu(TTFA)₃的发射谱

图7为Ag@SiO₂@Eu(TTFA)₃的荧光寿命

图8为将三种原始信息加密合并储存

图9为解码复原后的三种原始信息

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

20nmAg@x nm SiO₂@Eu(TTFA)₃，其中，x＝5，8，15nm

10g PVP溶解在75ml乙二醇中，加入0.4gAgNO₃，在120℃下反应1h，得到20nm的Ag纳米颗粒。取0.15gAg纳米颗粒，离心洗涤多次，依次加入200ml异丙醇、18ml去离子水和10ml氨水，搅拌均匀后，逐滴分别加入0.1ml、0.2ml和0.3ml TEOS，反应2h，离心洗涤，得到厚度分别为5nm、8nm、15nm的SiO₂中间层。取0.136g Eu(TTFA)₃溶解在TEOS的酒精溶液中，分别滴加到Ag@SiO₂的包覆溶液中，调节PH为9，磁力搅拌，反应10h，最终得到核壳荧光材料。

图1是本发明实施例1制备的核壳结构的透射电镜，其中(a)为20@5nm；(b)为20@8nm(c)为20@15nm。图3为20nm Ag核，5nm、8nm、15nm SiO₂壳层的消光谱，可以看出，随着SiO₂壳层厚度的增加，表面等离子体共振峰逐渐红移。图5为核壳荧光材料的激发谱，说明此类荧光材料，可以使用400nm的同一种光源激发。图6为核壳荧光材料的发射谱，可以看出，它们都发射出同一种颜色(红色)的光，无法单纯判断颜色对其进行区分。图7为它们的荧光寿命，可以看出这种核壳荧光材料的荧光寿命可调，而且寿命之间具有20us以上的可区分性。

实施例2：

50nm Ag@x nm SiO₂@Eu(TTFA)₃，其中，x＝5，8，25nm

参照实施例1的制备方法，不同的是5.5gPVP溶解在100ml乙二醇中，130℃下反应1h；加入的TEOS的量分别为25ul、150ul和250ul。

同理，图2是本发明实施例2制备的核壳结构的透射电镜，其中(a)为50@5nm；(b)为50@7nm；(c)为50@25nm。图4为50nmAg核，5nm、7nm、25nm SiO₂壳层的消光谱，同样可以看出，随着SiO₂壳层厚度的增加，表面等离子体共振峰逐渐红移。图7为它们的荧光寿命，可以看出这种核壳荧光材料的荧光寿命，不仅通过调节SiO₂壳层的厚度可以实现可调，而且可以通过调节核的尺寸实现寿命的可调。

实施例3：

从本发明方法所制备出的不同寿命的核壳发光纳米材料中，任意选择三种核壳发光材料，它们的荧光激发和发射光谱以及荧光寿命，如图5、图6、图7所示。根据它们发光颜色相同，来实现信息储存、信息加密，如图8所示为三种信息重叠储存在统一空间位置中；并根据寿命的差异，来实现信息的解码复原，如图9所示为复原后的三种原始信息。