β-NaYF4∶Yb，Er上转换纳米晶的制备及其水溶性

陈真，徐涛，欧俊

(桂林理工大学材料科学与工程学院，广西桂林541004)

上转换发光纳米材料(upconversion nanoparticles，UCNPs)是通过镧系掺杂以实现近红外激发到可见光发射的一类荧光材料[1]。与有机荧光[2]和半导体纳米材料相比，上转换发光材料可吸收长波长的低能量光子、发射短波长的高能量光子，提供一个高的光稳定性、尖锐的发射带宽、大的反斯托克斯转变(可达到500 nm);有显著的光发射组织穿透度，红外激发下生物标本没有自荧光现象。由于其诸多优点，上转换发光材料成为最理想的生物示踪和荧光成像的发光探针[3]。

NaYF4具有广泛的适用性和优异的物理化学性能，常被选作上转换发光基质材料。近年来，一些研究者从调控反应条件(如时间、温度)和反应配比(如NaF/Y3+、Yb/Er、H2O－OA反应体系)，得到不同晶相、形貌、尺寸的NaYF4纳米晶体[1，4－5]。由于NaYF4纳米晶体的制备体系为H2O－OA反应体系，使得晶体表面吸附大量的疏水性油酸(OA)基团，不利于其在生物医学成像中的应用，因此，目前大部分研究者采用亲水性有机物枝接[6－9]、无机包覆[5，10－12]和将疏水性油酸基团氧化为亲水基团[13－14]等方法改善NaYF4纳米晶体的水溶性。这些方法在一定程度上能够改善NaYF4纳米晶体的水溶性，但是步骤繁琐，条件难以控制。

笔者采用通用的Liquid-solid-solution(LSS)[15]水热合成法制备得到形貌均一、粒径小(＜100 nm)的六方相NaYF4(β-NaYF4)，并通过不同pH值的盐酸溶液处理β-NaYF4纳米晶体[16]，有效改善了其水溶性。与传统的制备方法相比，本方法简单易行，处理前后晶体结构、形貌、荧光性能均未发生变化，在保持原有性能的基础上，有效改善了其水溶性，为β-NaYF4在生物医学成像中的应用奠定了基础。

1 实验

1.1 材料

氧化钇(Y2O3)、氧化钆(Gd2O3)、氧化镱(Yb2O3)、氧化铒(Er2O3)(99.9%，购于上海阿拉丁化学试剂有限公司)，浓硝酸、盐酸(HCl，37%水溶液)、油酸、无水乙醇购于西陇化工股份有限公司。本研究所用试剂均为分析纯，未经进一步处理，实验用水为纯化水。

1.2 制备

1.2.1 前驱体的制备按照摩尔比n(Y)∶n(Gd)∶n(Yb)∶n(Er)=18∶60∶20∶2分别称取稀土氧化物Y2O3、Gd2O3、Yb2O3、Er2O3，然后加入适量浓硝酸，使稀土氧化物充分溶解，加入纯化水配置得到0.4 mol/L的稀土硝酸盐前驱体R(NO3)3。

1.2.2 β-NaYF4∶Yb，Er纳米晶体的制备分别称取0.8 g(20 mmol)NaOH、35 mL(111.48 mmol)油酸、10 mL纯化水、10 mL无水乙醇，加入100 mL三颈烧瓶中混合均匀得反应体系A;然后向A体系加入5 mL 2.0 mol的NH4F溶液、5 mL 0.4 mol的R(NO3)3溶液，与A的水－乙醇－油酸体系混合均匀后，移入100 mL水热反应釜中，200℃下反应1.5 h后冷却至室温。将冷却至室温的水热反应釜中的上清液吸出，然后加入无水乙醇，使合成物与其反应体系分散，超声处理后于7 000 r/min转速下进行离心分离样品，然后分别用无水乙醇和纯化水反复清洗沉淀物3次，将收集到的沉淀物在100℃下烘干6 h，即得到产物β-NaYF4∶Yb，Er。

1.2.3 无油酸配体的β-NaYF4∶Yb，Er水溶性纳米晶体的制备首先用盐酸(HCl，37%水溶液)配置pH=1、2、3、4、5、6的HCl水溶液，然后将100 mg β-NaYF4∶Yb，Er纳米晶体分散在10 mL HCl水溶液中(pH=1、2、3、4、5、6)，在室温下磁力搅拌2 h，加入乙醚萃取;超声处理后7 000 r/min转速下进行离心分离样品，重复3遍，然后分别用无水乙醇和纯化水反复清洗沉淀物3次，将收集到的沉淀物在100℃下烘干6 h，即得到水溶性β-NaYF4∶Yb，Er。

1.3 表征

采用X'Pert-PRO(λ=0.154 18 nm，Cu-Kα靶)X射线粉末衍射仪(XRD)进行X射线粉末表征材料的物相及结构;透射电子显微镜(TEM，JSF－2100F，200 kV加速电压)观察材料的粒径、结构及形貌;盐酸处理前后油酸配体采用傅里叶变换红外光谱仪表征;材料的上转换荧光性能采用VARINA荧光分光光度仪，功率可调(0～1 000 mW)的980 nm激光器作为激发光源进行测定;水溶性用Zeta电位分析仪表征。

2 结果与讨论

2.1 晶体结构与形貌表征

图1是β-NaYF4∶Yb，Er粉末样品的X射线衍射(XRD)图。图1a中所测XRD特征峰的位置及其强度均与六方相、Yb/Er共掺杂的NaYF4的标准峰(β-NaYF4∶Yb，Er，JCPDS:00－028－1192)相互吻合，且无杂质峰出现;特征峰尖锐明显，半高宽(FWHW)小，得到的晶体结晶程度良好。图1b为pH=4盐酸处理后的XRD图，与图1a完全一致，说明盐酸处理并没有改变其晶体结构。

图1 样品β-NaYF4纳米粒子的X射线衍射图Fig.1 XRD patterns of β-NaYF4nanoparticles

β-NaYF4∶Yb，Er纳米晶体的形貌及尺寸通过TEM进行表征。图2a和图2b分别为未经过和经过HCl溶液处理的NaYF4∶20%Yb，2%Er纳米晶体。可以看出，NaYF4呈六棱柱短棒状，尺寸分布均匀。在未经过任何筛选的情况下，纳米晶体的直径约为60 nm，长度约为90 nm，纳米晶体粒径小于100 nm，且具有较小的长径比(1.5)，符合上转换荧光标记材料在生物医学成像中的要求。图2b是HCl处理后的TEM图，HCl处理前后纳米晶体的形貌和粒径均未发生变化，但是出现一定的团聚现象，主要原因是纳米晶体表面油酸配体去除后，表面自由能增大，促使纳米晶体团聚以减少表面自由能。图2c为β-NaYF4∶20%Yb，2%Er的EDS能谱图，可以看到纳米晶体中包含稀土元素Yb、Gd、Y、Er，说明在β-NaYF4的制备过程中Yb/Er已成功掺杂。

2.2 光谱表征

用傅里叶红外转变光谱仪对盐酸处理前后的样品表面性能进行表征(图3)。图3a是油酸为螯合剂时制得的β-NaYF4上转换纳米晶样品，位于3 400 cm－1处的较宽吸收峰为羟基(—OH)的伸缩振动峰;3 008 cm－1为—CC＝—的特征吸收峰;2 936和2 852 cm－1的吸收峰为长烷基链中的亚甲基(—CH2)对称和不对称伸缩振动峰;1 560 cm－1处的吸收峰为羧基(—COOH)中C＝O的不对称伸缩吸收峰;1 450 cm－1处的吸收峰为甲基(—CH3)特征吸收峰，这说明有大量的油酸基团包覆在β-NaYF4表面。而在盐酸处理、乙醚萃取后，这些基团都已经消失，这表明盐酸成功将β-NaYF4表面的油酸配体清除。

图3 样品β-NaYF4纳米粒子FT－IR图Fig.3 FT-IR spectra of β-NaYF4nanoparticles

从图4a中可以看出，盐酸处理后的β-NaYF4上转换发光强度相比未处理的β-NaYF4略有增加，但变化不大，分析其原因可能是在盐酸处理后，β-NaYF4表面包覆的油酸基团被清除而影响其发光性能。图4b为不同pH值的盐酸溶液处理后的样品β-NaYF4荧光光谱图，其荧光强度未发生变化，即盐酸处理并没有改变β-NaYF4纳米粒子的晶体结构。

图4 β-NaYF4的荧光光谱图Fig.4 Upconversion emission spectra of β-NaYF4

盐酸处理前后的NaYF4上转换纳米晶在980 nm连续激光器激发下的上转换荧光光谱图如图4所示。其发光机理可用图5[5]解释:在Yb、Er共掺杂体系中，样品在980 nm激光激发下，Yb3+离子吸收激光能量从基态2F7/2能级跃迁到2F5/2能级再跳回基态时，会释放出电子传递给临近的Er3+离子:(1)Er3+离子获得能量从基态4I15/2能级跃迁到4I11/2能级，然后继续吸收Yb3+离子传过来的能量，被激发到4F7/2能级;而4F7/2能级不稳定，寿命很短，通过无辐射弛豫到2H11/2和4S3/2能级，通过辐射发光回到基态，即2H11/2→4I15/2(520 nm)和4S3/2→4I15/2(540 nm)，从而发出绿光。(2)4S3/2能级还可以通过无辐射弛豫到4F9/2能级，4F9/2能级回到基态(4F9/2→4I15/2)而发出红光(650 nm)。而4I11/2能级寿命较短，通过无辐射弛豫到4I13/2能级，继续吸收Yb3+传递的能量被激发到4F9/2能级，然后回到基态(4F9/2→4I15/2)。

图5 β-NaYF4纳米粒子的能级结构和跃迁示意图Fig.5 Schematic diagram of energy levels and transitions of β-NaYF4

2.3 水溶性表征

为了考察纳米粒子的水溶性，表1为不同pH值盐酸处理前后的Zeta电位，可以看出，使用pH=4的盐酸处理时，Zeta电位达到最大，为在水中稳定分散状态。图4 a(插图)为用pH=4盐酸处理后的β-NaYF4的水溶液(浓度为2 mg/mL)照片，从照片中可以看出，盐酸处理后的水溶液透明澄清，并能静置2 d不沉淀，在980 nm激光激发下可以看到明亮的黄绿光。未处理的OA－UCNPs的Zeta电位为18.6，不同pH值盐酸处理的Zeta电位如表1所示。可以看出在pH=4的时候，UCNPs能在水中稳定存在。盐酸处理机理如下[16]:

盐酸处理后的UCNPs表面带有正电荷而具有良好的水溶性，为其进一步在生物医学如荧光检测、荧光标记等方面的应用创造了条件。

表1 样品β-NaYF4纳米粒子在不同pH值盐酸处理后的Zeta电位Table 1 Zeta potential of modified β-NaYF4 with HCl at different pHmV

3 结论

LSS水热法的合成工艺条件简易、无毒且结晶程度优异，在较低的温度和较短时间就可以合成出高发光效率的β-NaYF4∶20%Yb，2%Er上转换纳米粒子。利用XRD、TEM等手段对其结构、形貌进行表征。实验结果表明，所得纳米粒子为直径约60 nm、长度约90 nm的六棱柱，XRD分析结果表明其为纯六方相NaYF4。另外，采用pH=4盐酸处理OA－UCNPs后，OA基团被清除，使得β-NaYF4表面带正电荷，样品能均匀的分散在水和无水乙醇中，形成透明澄清溶液。在980 nm激光器激发下，能够发射出明亮的、肉眼可见的黄绿光。从实验结果看，所制备的上转换发光纳米粒子在生物荧光标记和荧光检测领域有着潜在的应用前景。

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