核壳NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2上转换纳米颗粒的合成、叶酸修饰及性能研究

吴　灏，刘美芳，齐　泽，梁旭华，胡晓云，樊　君

(1. 西北大学 化工学院， 西安 710069; 2. 西北大学 物理学院， 西安 710069)



核壳NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2上转换纳米颗粒的合成、叶酸修饰及性能研究

吴灏1，刘美芳1，齐泽1，梁旭华1，胡晓云2，樊君1

(1. 西北大学 化工学院， 西安 710069; 2. 西北大学 物理学院， 西安 710069)

采用水热法成功制备了NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2核壳结构上转换发光纳米粒子(upconversion nanoparticles, UCNPs)，并用叶酸对其表面进行了修饰，继而通过TEM、XRD、FT-IR、BET以及上转换发射光谱对其形貌、结构和光学性质进行了表征。结果表明，制备的NaYF4∶Yb3+,Er3+纳米颗粒为纯立方相，表面均匀地包覆了一层SiO2，显示出明显的核-壳结构，平均粒径为80 nm，并且叶酸成功修饰在NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2样品表面。在980 nm近红外光激发下，该UCNPs具有良好的上转换发光效果，其主要发射峰位于524，541和655 nm波长处。该研究可以为开发兼具生物成像和良好载药性能的靶向药物载体提供一定的参考。

水热法；核壳结构；稀土掺杂；上转换发光；叶酸修饰

0　引　言

稀土离子丰富的能级和4f电子的跃迁特性使其具有优良的发光性能[1]。近年来，稀土发光材料越来越广泛地应用于节能照明、电子信息产业、荧光显示及生物医学等领域，其中稀土上转换发光纳米晶(UCNPs)更是成为研究热点之一[2-4]。UCNPs具备诸多优点，它能够吸收红外光，发射可见光，可有效避免生物体自体荧光的干扰[5]；其次，红外光对生物组织具有良好的穿透能力，对生物样品造成的光损伤较小[6]；另外，上转换纳米颗粒毒性低、化学稳定性好、发光强度高、光学性质可调并且Stokes位移大[7-8]。

上转换发光材料在过去30年中的应用主要集中在玻璃陶瓷和晶体材料[9-10]。随着纳米科技和生物医学技术的迅速发展，研究者才开始关注其在生物医学等各个方面的应用，并迅速成为非常活跃的研究领域，显示出非常广阔的应用前景[11]。由于纳米颗粒亲水性差，导致UCNPs生物兼容性差[12-13]，因此有必要对纳米颗粒进行表面修饰，以提高其分散性、表面活性以及和其它颗粒之间的相容性。目前，修饰所得UCNPs主要为核壳型，其可以充分发挥内核材料和外壳材料自身的优势[14]，在外壳材料影响下，内核材料的物理、化学、机械性能都会有所调整，甚至会有新性能出现[15-17]。

鉴于核壳型稀土掺杂UCNPs是目前较为新颖且发光效率高的上转换纳米晶，本研究探索出了一种合适的工艺条件以及稀土掺杂种类与掺杂量，利用水热法合成出粒径小且分布均匀、发光强度足够高的UCNPs，并且对其结构、光学性质以及核孔分布进行了较为深入的研究。

1　实　验

1．1NaYF4∶Yb3+,Er3+UCNPs的制备

0.3831 g Y(NO3)3·6H2O溶解于10 mL去离子水中，配制成0.1 mol/L硝酸钇溶液；0.2246 g Yb(NO3)3·5H2O溶解于5 mL去离子水中，配置成0.1 mol/L硝酸镱溶液；0.2319 g Er(NO3)3·6H2O溶解于5 mL去离子水中，配置成0.1 mol/L硝酸铒溶液；0.2941 g柠檬酸三钠溶解于10 mL去离子水中，配置成0.1 mol/L柠檬酸三钠溶液；0.6298 g NaF溶解于15 mL去离子水中，配置成1.0 mol/L氟化钠溶液。

分别取8.8 mL硝酸钇溶液、1.0 mL硝酸镱溶液、0.2 mL硝酸铒溶液、7.5 mL柠檬酸三钠溶液混合均匀；依次加入25 mL无水乙醇、0.2 g CTAB、12 mL氟化钠溶液，均匀搅拌1 h；向混合液中加入2 mL HNO3，180 ℃水热反应4 h，冷却至室温；在8 000 r/min离心机中离心，用无水乙醇和去离子水洗涤数次，70 ℃干燥4 h，所得产物记为NaYF4∶Yb3+,Er3+UCNPs。

1．2NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2UCNPs的制备

称取0.1 g NaYF4∶Yb3+,Er3+UCNPs超声分散到80 mL乙醇中，在磁力搅拌条件下依次向该溶液中加入20 mL去离子水，1 mL 28%氨水，0.02 g TEOS，室温搅拌6 h；离心，水洗3次、醇洗1次，70 ℃干燥12 h；所得产物重新分散到含0.3 g CTAB，80 mL蒸馏水，1 mL 28%氨水，60 mL乙醇溶液中，搅拌0.5 h，逐滴加入适量TEOS，继续反应6 h。醇洗、水洗多次，70 ℃干燥12 h；将产物超声分散在盐酸和无水乙醇混合溶液中(m(HCl)∶m(CH3CH2OH)=0.12∶1)，水浴室温搅拌4 h除去CTAB，离心后重复上述超声分散及水浴搅拌操作，所得产物记为NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2UCNPs。

1．3NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2UCNPs的叶酸修饰

分别量取5 mL乙醇，250 μL蒸馏水，搅拌均匀，用醋酸(3%～5%)调节pH值至4.5～5.5；向该溶液中加入100 μL APTES，搅拌条件下水解5 min，促进烷氧基水解；水解完成后，加入20 mg NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2UCNPs，室温搅拌1 h；醇洗多次，70 ℃干燥12 h，所得产物记为NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2-NH2UCNPs。

然后，进一步叶酸修饰。按照摩尔比(n(FA)∶n(EDC·HCl)∶n(HOSU)=1∶1∶2.5)[18]，将1 mg叶酸加入到含5 mL EDC·HCl (0.6 mg/mL)、5 mL HOSU (0.4 mg/mL)的适量DMSO溶液中，搅拌2 h，再加入氨基功能化的NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2UCNPs室温搅拌12 h，醇洗两次，70 ℃干燥4 h；所得产物记为NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2-FA UCNPs。其制备过程如图1。

图1NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2-FA合成示意图

Fig 1 Schematic illustration of the formation process of NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2-FA

1．4样品的性能及表征

将制备的样品结构通过D8 Focus型X射线衍射仪(XRD)进行分析，扫描范围为10～90°,步长为5°/min；利用乙醇超声分散30 min滴加到铜网上自然干燥得到测试试样，采用TecnaiG2F20型透射电子显微镜(TEM)观察了所制备纳米颗粒的形 貌和尺寸；采用KBr压片法制备样品，并通过580B型傅立叶变换红外光谱仪进行样品红外光谱分析,波长范围4 000～400 cm-1；采用980 nm激发器及Hitachi F-7000荧光光谱仪对样品的发光性能进行测试分析；样品的孔性能采用ASAP 2020M型比表面积及微孔孔隙分析仪测得，其中，表面积通过Brunauer-Emmett-Teller (BET)方法计算获得，孔径通过Barrett-Joyner-Halenda (BJH)方法计算获得。

2　结果与讨论

2.1样品结构

对水热法制备的NaYF4∶Yb3+,Er3+和NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2UCNPs进行XRD分析。如图2所示，NaYF4∶Yb3+,Er3+UCNPs的主要衍射峰位置和相对强度与立方相标准卡(JCPDS 06-0342)吻合，表明所得NaYF4晶体为纯立方相。谱图中无其它杂质衍射峰，说明在设计的水热体系中，离子对Yb3+-Er3+很容易掺杂到NaYF4基质晶格中，显示出样品具有较高纯度，这对获取高强度荧光非常有益。而经过SiO2包覆后，所得样品衍射峰仍与标准卡(JCPDS 06-0342)吻合，说明了SiO2包覆不改变NaYF4∶Yb3+,Er3+UCNPs的晶体结构。样品高强度和尖锐的衍射峰进一步表明α-NaYF4样品具有良好的结晶性。

图2NaYF4∶Yb3+,Er3+和NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2UCNPs的XRD图谱

Fig 2 XRD patterns of the NaYF4∶Yb3+,Er3+and NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2UCNPs

2.2样品形貌

采用TEM观察所制备UCNPs的形貌和尺寸，图3分别是低放大倍数的电镜照片和高放大倍数的电镜照片。如图3(a)所示，NaYF4∶Yb3+,Er3+UCNPs单分散性好，无团聚现象，包覆后形成球形或近球形颗粒，平均粒径为80 nm。由图3(b)可清晰地看出NaYF4∶Yb3+,Er3+UCNPs均匀地包覆了一层SiO2层，包覆后UCNPs显示出核-壳结构，包裹层厚度大约在4～8 nm。

2.3红外光谱(FT-IR)分析

图4分别给出了NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2，NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2-NH2，NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2-FA UCNPs的红外吸收光谱图。

图3NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2纳米粒子透射电镜图

Fig 3 TEM images of pure NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2with low and high magnification

图4　样品红外吸收光谱图

由曲线(a)可见，在3 446 cm-1处有—OH的振动峰；1 082、806 cm-1处有Si—O—Si的反对称与对称伸缩振动峰；955 cm-1处有Si—OH的对称伸缩振动峰；456 cm-1处有Si—O的对称伸缩振动峰，表明NaYF4∶Yb3+,Er3+UCNPs表面成功包覆SiO2。在曲线(b)中，可以观察到1 643 cm-1处有N—H的振动吸收峰，1 394 cm-1处有C—N的振动吸收峰，说明在NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2UCNPs粒子表面修饰了—NH2。与曲线(b)相比，曲线(c)新增了在2 923 cm-1处—CH3的振动吸收峰和1 528 cm-1附近COO—的振动吸收峰，表明FA配体已成功地接到了NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2UCNPs上。

2.4上转换发射光谱分析

图5为980 nm激发的NaYF4∶Yb3+,Er3+和NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2上转换发射光谱图。如图所示，NaYF4∶Yb3+,Er3+粒子主要发射带位于波长为524，541，655 nm处，分别来自于Er3+的4S3/2能级，2H11/2能级和4F9/2能级向基态的跃迁，表明了Yb、Er掺杂的NaYF4材料有良好的上转换发光效果。从该图还可以看出NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2UCNPs比NaYF4∶Yb3+,Er3+UCNPs上转换发射光要强大约1.6倍，两者之间的发射光光谱形状一致。说明核壳结构的NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2UCNPs更容易实现高光子过程的荧光辐射，这是由于SiO2的包覆修复了表面缺陷和发光猝灭中心，使得UCNPs的正常发光中心数量增加，同时SiO2包覆后还能够促进表面发光中心4F7/2—2H11/2,4S3/2的弛豫，增加2H11/2,4S3/2能级数，最终使包覆后UCNPs相对未包覆UCNPs发光增强。图6为NaYF4∶Yb3+,Er3+能级跃迁图。

图5980 nm激发的NaYF4∶Yb3+,Er3+和NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2上转换发射光谱图

Fig 5 Upconversion emission spectra of NaYF4∶Yb3+,Er3+and NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2under 980 nm near infrared light excitation

图6　NaYF4∶Yb3+, Er3+的能级跃迁图

首先，在980 nm处近红外光激发下，Yb3+的一个电子从2F7/2跃迁到4F5/2能级。当该电子返回到基态(2F7/2)时，能量无辐射转移至Er3+，导致Er3+的4I11/2得到填充。随后Er3+的4I11/2～4I13/2的无辐射弛豫也填充4I13/2能级。然后在第二个980 nm光子激发下，Yb3+的激发态能量转移并填充Er3+位于可见光区的4F7/2高能量状态，Er3+可以通过快速多声子衰变过程无辐射释放到2H11/2和4S3/2能级。当这些电子再次返回基态，在521 nm(2H11/2→4I15/2)和542 nm(4S3/2→4I15/2)处发射出绿光。另外，Er3+可以进一步激发并填充4F9/2能级，随后大多数辐射至基态4I15/2，发射出656 nm的红光[19-20]。

2.5样品的孔性能

由图7可知，该UCNPs吸附-脱附曲线属于Ⅳ型等温线，该图在整个压力范围内表现为前半段斜率较小，上升缓慢，后半段急剧上升，由于介孔孔道内出现毛细凝聚现象，致使吸附线和脱附线不能重合出现滞后环。

不同材料的吸附-脱附曲线形状是不同的，这反映了多孔固体吸附材料的孔结构差异。UCNPs吸附分支与脱附分支的分离发生在相对压力为0.1左右处，在相对压力为0.8～1.0之间时，2个分支都陡，所反映的是一种典型的核壳型结构。NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2UCNPs比表面积和孔体积为22.775 m2/g和0.0694 cm3/g。孔尺寸分布曲线反映了孔隙尺寸在9.47 nm处有窄的顶点中心以及高孔体积，这些数据表明包覆了致密和介孔双层SiO2的UCNPs可以作为存储药物分子的载体。

图7NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2纳米粒子吸附脱附及孔尺寸分布曲线

Fig 7 The nitrogen adsorption desorption curves of NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2nanoparticles and the pore size distribution curve (inset in figure 7)

3　结　论

通过水热法制备的NaYF4∶Yb3+,Er3+UCNPs为立方型晶型，平均粒径为80 nm。包覆两层SiO2的UCNPs为核壳结构，单分散性好，包覆层厚度为4～8 nm，包覆后纳米颗粒具有高的孔体积和比表面积。由于SiO2的包覆修复了NaYF4∶Yb3+,Er3+UCNPs的表面缺陷和发光猝灭中心，使其上转换发射光增强了1.6倍，因此具有良好的上转换发光效果。最后将叶酸成功修饰在NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2UCNPs表面，使得该UCNPs具有良好的肿瘤靶向性及生物相容性。本研究表明该UCNPs在药物输送和生物成像方面具有很大的应用潜力。

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Synthesis, folic acid modification and characterization of core-shell structured upconversion NaYF4∶ Yb3+, Er3+@nSiO2@mSiO2nanoparticles

WU Hao1, LIU Meifang1, QI Ze1, LIANG Xuhua1, HU Xiaoyun2, FAN Jun1

(1. School of Chemical Engineering, Northwest University, Xi’an 710069, China;2. School of Physics, Northwest University, Xi’an 710069, China)

Core-shell structure NaYF4∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2nanoparticles were synthesized via hydrothermal method and modified by folic acid, then the structure and luminescence property of the samples were characterized by XRD, TEM, FT-IR, BET and upconversion luminescence spectrum. The results show that the obtained nanoparticles are cubic phase and uniformly coated with a layer of transparent SiO2, which possess obvious spherical core-shell structure with average size of 80 nm. The results in present research indicate that the folic acid is successfully modified on the surface of UCNPs. The UCNPs has a good up-conversion luminescent effect and the main emission peak is located in 524, 541, 655 nm. This study may provide a new idea to the development of drug carrier target which possess both biological imaging and good drug loading properties.

hydrothermal method; core-shell structure; rare earth doping; up-conversion luminescent; folic acid modification

1001-9731(2016)05-05111-05

国家自然科学基金资助项目(21176199, 51372201, 21306150)；国家级大学生创新创业训练计划资助项目(201410697007)

2015-03-10

2015-09-10 通讯作者：樊君，E-mail: fanjun@nwu.edu.cn

吴灏(1992-)，男，西安人，本科生，师承樊君教授，从事纳米复合材料研究。

TB333；TB34

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.05.020