专利名称：稀土掺杂氟化钪钠纳米材料及其制备与应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种稀土掺杂无机纳米材料的可控制备与应用，尤其是涉及一种水溶性稀土掺杂氟化钪钠纳米荧光标记材料的合成及其在荧光生物检测与生物成像领域的应用。
背景技术：
稀土掺杂无机纳米材料在平板显示、光电子器件和荧光生物标记等领域具有广泛的应用前景，因而备受关注。相比于量子点和有机荧光染料，稀土掺杂无机纳米材料具有低毒性、长荧光寿命、发射谱线窄和光稳定性高等优点，是目前普遍看好的新一代荧光生物标记材料。特别是稀土掺杂上转换荧光材料，由于具有较深的光穿透深度，无生物背景荧光干扰以及对生物组织几乎无损伤等优势，在荧光生物检测及生物成像等领域扮演着越来越重要的角色。荧光生物标记材料对纳米颗粒的发光、尺寸、水溶性以及生物相容性等都有着极高的要求。氟化物由于高的化学稳定性和较低的声子能量，是一类理想的稀土掺杂基质材料。目前关于稀土掺杂氟化物的研究主要集中在氟化钇钠(NaYF4),氟化钆钠(NaGdF4)或氟化钇锂(LiYF4)等体系，对氟化钪钠(NaScF4)的研究甚少。最近，黄岭课题组报道了采用共沉淀法合成尺寸约27 nm的油溶性氟化钪钠纳米颗粒(参考文献:Huang Ling etal., Lanthanide-doped NaxScF3+x nanocrystals: crystal structure evolution andmulticolor tuning, Journal of the American Chemical Society, 8340-8343 (2012))，但是目前尚没有关于尺寸可调控的水溶性稀土掺杂氟化钪钠纳米颗粒合成的报道。本发明通过三氟乙酸盐热分解方法，利用不同的反应溶剂配比，合成出尺寸由十几纳米到一百纳米左右且具有较强上转换和下转换发光的稀土掺杂氟化钪钠纳米材料。利用磷酸乙醇胺等亲水性表面活性剂交换纳 米颗粒表面的油酸，可以使其表面修饰上大量的氨基或羧基官能团，从而实现水溶性。这种表面连接官能团的水溶性纳米颗粒，可以偶联生物分子用于生物检测以及肿瘤靶向成像。
发明内容
本发明的目的在于提出一种通过热分解与配体交换两步合成单分散、尺寸可调控的水溶性的稀土掺杂氟化钪钠纳米材料的方法。本发明采用如下技术方案:本发明所制备的纳米材料的组分为xLn3+-(1-χ)NaScF4,0〈x兰50 mol%,其中Ln3+选自 Ce3+、Yb3+、Gd3+、Tm3+、Ho3+、Tb3+、Nd3+、Er3+、Dy3+ 和 Eu3+ 中的一种或多种。所述的纳米材料用于生物检测或生物成像。所述的纳米材料的制备方法，包括如下步骤:(I)稀土掺杂NaScF4油溶性纳米颗粒的制备方法，包括如下步骤:首先称取三氟乙酸钪和三氟乙酸稀土盐溶于油酸和十八烯的混合溶剂中，然后在惰性气体保护下升温至100-130°C并保温一段时间，使固体反应物溶解，接着在惰性气体保护下加热至280-320°C，保温一段时间后冷却至室温，加入乙醇或丙酮沉淀，离心将上层清液与沉淀分离，将得到的沉淀洗涤多次除去反应的副产物，即可得到稀土掺杂氟化钪钠油溶性纳米颗粒。(2)稀土掺杂NaScF4水溶性纳米材料的制备方法，包括如下步骤:将分散在环己烷中的纳米颗粒溶液与溶解有四氟硼酸亚硝的二氯甲烷溶液混合反应一段时间后得到固体产物，将其分散在二甲基甲酰胺中，加入磷酸乙醇胺并反应一段时间后，洗涤所产生的固体产物即可得到所述纳米材料。所述纳米材料的表征。通过X射线粉末衍射(XRD)检测表明制备出的NaScF4纳米材料为纯三方相结构。X射线能谱分析(EDX)结果证实合成出的材料中含有Na、Sc、F以及所掺杂的稀土元素。透射电镜(TEM)测试显示通过改变溶剂比例得到不同尺寸的均匀分散的纳米材料。在980 nm激光激发下,分散在环己烧中的NaScF4:Er/Yb纳米颗粒具有较强的可见上转换发光。在291 nm激发下，分散环在环己烷中的NaScF4:Ce/Tb纳米颗粒具有较强的可见下转换发光。表面改性后的水溶性纳米材料可由红外、ζ电势、水合粒径等表征。傅立叶变换红外光谱(FTIR)表明，配体交换过后纳米颗粒表面有很明显的对应于磷酸乙醇胺的红外振动吸收峰:1009和1120 CnT1是对应于P-O的振动吸收峰；1630 cnT1则是对应于-NH2的振动吸收峰，而对应于油酸长链的 -CH2-的振动吸收峰2852及2930 cnT1在配体交换过后强度明显减弱，这些也都表明纳米颗粒表面已经被成功修饰上了磷酸乙醇胺。(电势表明在配体交换后，纳米颗粒带有+33.6 mV的正电势,证明磷酸乙醇胺能很好的包覆在纳米颗粒表面。通过动态激光散射测试得到纳米颗粒的水合粒径为 58 nm，表明所获得的纳米颗粒能很好地分散于水中。所述纳米材料的荧光生物检测方面的应用可通过生物分子的异相上转换荧光检测证明；其生物成像应用则通过肿瘤细胞的靶向成像来证明。通过本发明合成的尺寸可调控的水溶性稀土掺杂NaScF4纳米材料，制备过程简单、合成条件容易控制、重复性好。通过稀土掺杂能获得良好的上转换和下转换发光性能，并且利用表面改性后的氨基或羧基可与各种生物分子偶联，进一步应用于生物检测与生物成像等领域。
以下掺杂样品均为摩尔百分比。附图1:不同尺寸的NaScF4: 2%Er, 18%Yb纳米颗粒的X射线粉末衍射图，底部竖线是根据晶体衍射数据模拟的X射线衍射谱图。仪器型号为MiniFlex2，厂家为RigakuJH靶辐射波长为λ = 0.154187 nm。附图2 =NaScF4: 2%Er, 18%Yb纳米颗粒的X射线能谱分析图。仪器型号为JEM-2010，厂家为 JEOL。附图3:平均粒径为20 nm NaScF4: 2%Er, 18%Yb纳米颗粒的透射电镜图。仪器型号为JEM-2010，厂家为JE0L。附图4:平均粒径为42 nm NaScF4: 2%Er, 18%Yb纳米颗粒的透射电镜图。仪器型号为JEM-2010，厂家为JE0L。附图5:平均粒径为115 nm NaScF4: 2%Er, 18%Yb纳米颗粒的透射电镜图。仪器型号为JEM-2010，厂家为JEOL。附图6:室温下，平均粒径为20 nm的NaScF4: 2%Er, 18%Yb纳米颗粒的上转换发射光谱图。仪器型号为FSP920-C，厂家为Edinburgh，激发光源为980_nm半导体激光器。附图7:室温下，NaScF4: 2%Er, 15%Tm纳米颗粒的上转换发射光谱图。仪器型号为FSP920-C，厂家为Edinburgh，激发光源为980_nm半导体激光器。附图8:室温下，NaScF4: 5%Ce, 5%Tb纳米颗粒的下转换发射光谱图。仪器型号为FLS920，厂家为Edinburgh，激发光源为氙灯，激发波长为291 nm。附图9:水溶性NaScF4纳米颗粒的傅立叶变换红外光谱。仪器型号Magna 750，厂家为 PerkinElmer0附图10:水溶性NaScF4纳米颗粒的ζ电势。仪器型号为Nano ZS ΖΕΝ3600，厂家为 Malvern。附图11:生物素化的NaScF4: 2%Er, 18%Yb纳米材料对亲和素蛋白(avidin)的异相上转换荧光(UCL)检测:(a) UCL检测光谱图；(b)校准曲线。仪器型号为Synergy 4，厂家为 BioTek。附图12:偶联尿激酶氨基末端片段(ATF)蛋白的NaScF4: 2%Er, 18%Yb纳米材料对肿瘤细胞的靶向成像:(a)尿激酶型纤溶酶原激活物受体(uPAR)高表达的人肺腺癌细胞H1299的成像示意图；(b) uPAR低表达的人胚肺成纤维细胞HELF的成像示意图。仪器型号为FV1000，厂家为Olympus。
具体实施例方式本发明所提供的尺寸可调控、水溶性的稀土掺杂NaScF4纳米材料的制备方法，其实质特点和初步应用可以通过以下实施例子予以进一步体现。(以下掺杂样品均为摩尔百分比)实例1:平均粒径为20 nm NaS cF4: 2%Er, 18%Yb纳米材料的制备。首先称取 0.0616 g CF3COONa, 0.1402 g Sc (CF3COO) 3) 0.0408 g Yb (CF3COO) 3 和 0.0045 gEr(CF3COO)3至三孔烧瓶中，然后加入7 mL油酸和8 mL十八烯溶剂。接着在通入N2的条件下升温到100 ° C保持10 min，使固体反应物溶解至透明，之后加热到310 ° C反应Ih。降温到室温后加入20 mL乙醇沉淀，经过离心，洗涤后即可得到平均粒径为20 nm的油溶性NaScF4: 2%Er, 18%Yb纳米颗粒。将油溶性纳米颗粒分散在10 mL环己烷中，向其中加入10 mL溶有10 mg四氟硼酸亚硝的二氯甲烷溶液,混合反应0.5 h后离心将得到的沉淀重新分散在二甲基甲酰胺中，加入0.1 g磷酸乙醇胺搅拌反应交换0.5 h后，离心得到沉淀，用二甲基甲酰胺和水交替洗涤数遍即可得到所述平均粒径为20 nm的水溶性NaScF4:2%Er, 18%Yb纳米材料。实例2:平均粒径为40 nm NaScF4: l%Tm, 15%Yb纳米材料的制备。首先称取 0.0616 g CF3COONa, 0.1472 g Sc (CF3COO) 3) 0.0340 g Yb (CF3COO) 3 和 0.0033 gTm(CF3COO)3至三孔烧瓶中，然后加入5 mL油酸和10 mL十八烯溶剂。接着在通入N2的条件下升温到120°C保持10 min，使固体反应物溶解至透明，之后加热到300°C反应I h。降温到室温后加入20 mL乙醇沉淀，经过离心，洗涤后即可得到平均粒径为40 nm的油溶性NaScF4: l%Tm, 15%Yb纳米颗粒。将油溶性纳米颗粒分散在10 mL环己烷中，向其中加入20mL溶有10 mg四氟硼酸亚硝的二氯甲烷溶液，混合反应I h后离心将得到的沉淀重新分散在二甲基甲酰胺中，加入0.1 g磷酸乙醇胺搅拌反应交换2 h后，离心得到沉淀，用二甲基甲酰胺和水交替洗涤数遍即可得到所述平均粒径为40 nm的水溶性NaScF4: l%Tm, 15%Yb纳米材料。实例3:平均粒径为20 nm NaScF4: 5%Ce, 5%Tb纳米材料的制备。首先称取0.0616g CF3COONa, 0.1577 g Sc (CF3COO) 3) 0.0107 g Ce (CF3COO) 3 和 0.0110 g Tb (CF3COO)3 至三孔烧瓶中，然后加入7 mL油酸和8 mL十八烯溶剂。接着在通入N2的条件下升温到100° C保持10 min，使固体反应物溶解至透明，之后加热到290 ° C反应I h。降温到室温后加入20 mL乙醇沉淀，经过离心，洗涤后即可得到平均粒径为20 nm油溶性NaScF4: 5%Ce,5%Tb纳米颗粒。将油溶性纳米颗粒分散在10 mL环己烷中，向其中加入15 mL溶有20 mg四氟硼酸亚硝的二氯甲烷溶液，混合反应I h后离心将得到的沉淀重新分散在二甲基甲酰胺中，加入0.1 g磷酸乙醇胺搅拌反应交换I h后，离心得到沉淀，用二甲基甲酰胺和水交替洗涤数遍即可得到所述平均粒径为20 nm水溶性NaScF4: 5%Ce, 5%Tb纳米材料。实例4:平均粒径为110 nm NaScF4: 59ffiu3+纳米材料的制备。首先称取0.0616 gCF3COONa, 0.1665 g Sc (CF3COO) 3) 0.0109 g Eu (CF3COO)3 至三孔烧瓶中，然后加入 3 mL 油酸和12 mL十八烯溶剂。接着在通入N2的条件下升温到130°C保持10 min,使固体反应物溶解至透明，之后加热到315°C反应I h。降温到室温后加入20 mL丙酮沉淀，经过离心，洗涤后即可得到平均粒径为110 nm油溶性NaScF4: 59ffiu3+纳米颗粒。将纳米颗粒分散在30 mL环己烷中，向其中加入30 mL溶有30 mg四氟硼酸亚硝的二氯甲烷溶液,混合反应Ih后离心将得到的沉淀重新分散在二甲基甲酰胺中，加入0.2 g磷酸乙醇胺搅拌反应交换I h后，离心得到沉淀，用二甲基甲酰胺和水交替洗涤数遍即可得到所述平均粒径为110 nm水溶性NaScF4: 5%Eu3+纳米材料。实例5: NaScF4: 2%Er, 18%Yb纳米材料的异相上转换荧光检测。检测步骤如下:首先，将待检测的100 μ L溶解在包被液中的不同浓度亲和素蛋白加入到高亲板中并在4° C下孵育一晚后，用磷酸盐缓冲液(PBST)洗涤三遍；接着，往孔加入100 μ L封闭液并在37 ° C下孵育2小时后，倒·掉封闭液；然后往孔中加入100 UL (50 μ g/mL)所述的生物素化的纳米材料并在37 ° C下孵育2小时，用PBST洗涤三遍后，在980 nm激光器的激发下，在荧光读板机上检测Er3+离子在4F9/2 —4115/2能级跃迁的荧光信号强度。由于亲和素蛋白与生物素的特异性结合，使得高亲板上结合了与亲和素蛋白对应数量的纳米颗粒，通过纳米颗粒的荧光强度来定量亲和素蛋白的浓度。检测结果表明，亲和素蛋白在0.1-20纳摩尔浓度范围与纳米颗粒的荧光信号强度呈线性关系，证明了所述纳米材料可用于微量生物分子的异相上转换荧光检测。实例6: NaScF4: 2%Er, 18%Yb纳米材料的肿瘤细胞祀向成像。实验步骤如下:首先，分别将uPAR高表达的人肺腺癌细胞H1299以及uPAR低表达的人胚肺成纤维细胞HELF加入到培养板中并用培养液37 ° C下培育24小时后，用磷酸盐缓冲液(PBS)洗涤数遍；然后加入含有500 μ g/mL所述偶联上ATF纳米材料的培养液37 ° C下孵育2小时，再用PBS洗涤数次去除未连接到细胞的纳米颗粒；接着，加入4'，6-二脒基-2-苯吲哚盐酸(DAPI)荧光染料染核5分钟，并用PBS洗涤数次；最后，利用共聚焦荧光显微镜观察所述纳米材料对肿瘤细胞的靶向识别情况。细胞成像结果表明，在uPAR高表达的人肺腺癌细胞H1299中，由于ATF与uPAR的特异性结合,可观察到较强的所述纳米材料的发光；而在uPAR低表达的人胚肺成纤维细胞HELF，由于缺乏这种特异性结合，无法监测到纳米材料的发光。这些结果表明，所述纳米材料经 过偶联特定的生物分子，可用于肿瘤靶向生物成像。
权利要求
1.一种具有如下组分的水溶性稀土掺杂氟化钪钠纳米材料:XLn3+-(1-X)NaScF4,0〈x 兰 50 mol%，其中 Ln3+ 选自 Ce3+、Yb3+、Gd3+、Tm3+、Ho3+、Tb3+、Nd3+、Er3+、Dy3+和 Eu3+中的一种或多种。
2.合成权利要求1所述的纳米材料的方法，包括如下步骤:利用油酸和十八烯为溶剂，将三氟乙酸钪和三氟乙酸稀土盐混合，然后在惰性气体保护下升温至100-130 ° C并保温一段时间，使固体反应物溶解；接着在惰性气体保护下加热溶液至280-320 ° C保温反应一段时间后冷却至室温，离心分离得到反应产物，进行洗涤干燥后即可得到油溶性稀土掺杂氟化钪钠纳米颗粒；将分散在环己烷中的纳米颗粒溶液与溶解有四氟硼酸亚硝的二氯甲烷溶液混合后得到固体产物，将其分散在二甲基甲酰胺中，加入磷酸乙醇胺混合后，洗涤所产生的固体产物即可得到所述水 溶性稀土掺杂氟化钪钠纳米材料。
3.如权利要求2所述的纳米材料的制备方法，其特征在于:采取热分解法合成，通过改变油酸和十八烯反应溶剂配比，可以调控纳米颗粒的尺寸大小。
4.如权利要求1所述的稀土掺杂氟化钪钠纳米材料，用于荧光生物检测与生物成像。
全文摘要
本发明公开水溶性稀土掺杂氟化钪钠纳米材料及其制备与应用。该纳米材料具有如下组分xLn3+-(1-x)NaScF4，0<x≦50mol％，其中Ln3+选自Ce3+、Yb3+、Gd3+、Tm3+、Ho3+、Tb3+、Nd3+、Er3+、Dy3+和Eu3+中的一种或多种。该材料可用于荧光生物检测与生物成像。
文档编号G01N21/64GK103241760SQ20131015608
公开日2013年8月14日 申请日期2013年5月2日 优先权日2013年5月2日
发明者陈学元, 艾玉, 郑伟, 涂大涛 申请人:中国科学院福建物质结构研究所