微乳液法制备上转换纳米粒子组装体的综合实验设计

＊张 振

（中山大学材料科学与工程学院 广东 510006）

上转换发光纳米粒子（Upconversion Nanoparticles，UCNPs）是一类稀土掺杂的无机纳米发光材料[1-5]，因其所用的稀土离子具有丰富的电子能级和长寿命的亚稳态能级，从而导致处于中间亚稳态能级的电子可以连续吸收两个或多个低能量的光子，发射出高能量短波长的光子。UCNPs所吸收的光源为近红外光，其波长范围在780～2500nm之间，生物组织对该波段的光吸收很低，造成NIR组织穿透能力强，又因NIR自身能量较低，对生物组织的伤害也较小，促使充当能量转换器的UCNPs平台在生物成像、分子检测、光遗传学、光动力疗法（PDT）、光控药物/生物分子释放等诸多领域受到越来越多的关注。因上述应用使用的分子大多仅对紫外或可见光具有敏感性，这也就是为何一定要将NIR上转换的重要原因之一[6-9]。当前，得益于成熟的合成技术和对上转换发光机理系统全面的研究，UCNPs的发射光波段范围已覆盖紫外到可见光的整个光谱区域（图1）。

图1 上转换纳米粒子示意图

目前，对UCNPs材料的研究主要集中在对其上转换机理、发光增强和材料可控合成这几个方面，其中通过多种合成手段，不同尺寸和形状的UCNPs已被成功制备，但这些合成步骤和操作过程较为复杂，且大多涉及高温反应，存在安全隐患，不适合在教学实验中进行。

近些年，自组装在现代科学和技术中扮演越来越重要的角色，以有机或无机粒子作为构造单元，通过调控粒子之间的相互作用构筑各种尺寸和结构的高级粒子组装体的研究工作已引起人们广泛的兴趣，这是因为人们希望能够像原子构筑分子或者像用分子构筑超分子那样，以粒子为基本单元来构筑结构、形态和功能确定的高级粒子组装体，并为实现不同功能用以满足实际需要提供便利[10-13]。粒子自组装是以纳米粒子为基本组装单元，在某些情况下，用于组装的粒子本身也是先由分子通过有序自组装形成，即在该粒子内分子呈现规整排列的状态，在此基础上通过粒子自组装而形成的具有宏观尺寸的多级次粒子组装体则会将粒子内部的微观上的有序性扩展至宏观尺寸，从而成为一条连接微观与宏观的纽带，具有重要意义。基于此，借鉴自组装“自下而上”成功构建功能组装体的方式，可为UCNPs组装体的制备提供借鉴，而本实验所使用的UCNPs隶属于无机粒子，利用合适的自组装策略如聚合物诱导法、薄膜法和微乳液法等都为制备UCNPs组装体提供了理论和技术手段可能性的支持，而这其中通过微乳液法则成为本实验设计的首选，这是因为该方法的简易性、有效性和通用性，已被证实可适用于多种粒子功能组装体的制备，受到人们的青睐。利用该法，具体到本实验而言，只需将事先合成好（或购买）并分散在有机相（通常为环己烷）的UCNPs和含有一定浓度的表面活性剂水溶液进行混合，再通过剧烈的磁力搅拌或者超声便会形成水包油的乳液体系，随后将较低沸点的有机溶剂进行热挥发处理，就可以得到较大尺寸UCNPs组装体，且该UCNPs组装体的表面会被表面活性剂包裹，使其具有在水中稳定分散的特性，为后续相关应用提供了保证。

此外，该方法对UCNPs的组份、形状和大小没有选择性，甚至对多种UCNPs或者UCNPs和其他功能粒子的混合物也适用，彰显出其普适性的优点。基于此特点，也可开设与本实验相关的学生课后兴趣系列实验，让学生根据不同应用场景，自主选择UCNPs的种类，进行功能组合，如实现UCNPs组装体的正交光发射或颜色编码，也可进一步扩充到UCNPs和其他功能粒子诸如金纳米粒子、四氧化三铁纳米粒子及量子点等进行组合，得到更加丰富的上转换基功能组装体。该实验内容的设置可提高学生课后自主学习的能力、独立思考的能力和完整实验设计的能力，调动他们的学习的积极性，提高实验课的教学质量和效果。

为此，本实验通过微乳液自组装的策略[14-16]，可以规避较大尺寸UCNPs合成涉及高温这一弊端，以UCNPs为基本单元来构筑UCNPs聚集组装体，该制备过程简单成熟，且所制备的组装体具有尺寸均一且大小可调的特点，可在本科教学实验室内安全有序地进行。同时在这个过程中，期望学生们可以了解自组装的基本原理，乳液自组装的制备工艺，掌握粒径仪、光谱仪、扫描电镜和透射电镜的表征手段的测试原理、样品制备、仪器操作和数据处理及分析，整体上较为系统地完成从材料制备、结构表征到性能测试三个过程的综合训练，是较好的教学实验方案。

1.实验部分

(1)实验试剂

UCNPs（NaYF4：20%Yb,2%Er@NaYF4:75%Lu）环己烷溶液（5mg/mL），十二烷基磺酸钠（SDS），去离子水。

(2)实验仪器

25mL圆底烧瓶，细胞破碎仪（Sonics Vibracell），搅拌台（艾卡加热磁力搅拌器C-MAG HS7），移液枪（艾本德），粒度仪（马尔文MS3000粒度仪），荧光光谱仪（爱丁堡FS5），扫描电子显微镜（SEM,日本电子JSM-IT200A），透射电子显微镜（TEM，日本电子JEM-1400Plus）。

(3)实验过程

①表征UCNPs的基本性能

取2mL UCNPs的环己烷溶液置于石英比色皿中，利用荧光光谱仪器测试其在980nm激发下的发射光谱；利用980nm近红外激光器，直接对样品进行照射，观察其发光颜色，并与荧光光谱进行对照，验证其发光的大致范围，需要特别注意的是此操作步骤涉及激光，在使用过程中，应培养学生配带防护眼镜、激光不可以对人进行照射和实验完毕后应第一时间关闭激光器等好的实验习惯。利用粒径仪测试分散在环己烷中UCNPs的尺寸；准备TEM样品：用移液枪取20μL UCNPs环己烷溶剂加入到2mL离心管内，再向其中加入200μL环己烷进行样品稀释，取稀释后溶液10μL滴在电镜铜网上即可，常温挥发干燥样品后，可通过TEM观察UCNPs样品形貌；准备SEM样品：首先，将导电胶粘在样品台上。其次，将干净的薄铜片粘在导电胶上，采用少量多次的方法把UCNPs液体样品滴在铜片上。最后，等待溶剂完全挥发干燥后就可以进行喷镀处理和扫描电镜测试。

②UCNPs组装体的制备

取25mL圆底烧瓶，向其中依次加入SDS溶液10mL（0.7mg/mL），1mL UCNPs的环己烷溶液，因环己烷和水不互溶，两者存在明显的相分离特点，又因为环己烷的密度为0.78mg/mL。明显低于水的密度，故可清晰地观察到水油分离现象：UCNPs环己烷溶液漂浮在水层上。在1400rpm转速下剧烈搅拌混合溶剂2min之后进行超声（功率75%，45s），作为表面活性剂的SDS，其疏水烷基链会伸到环己烷溶液内部，而亲水的磺酸根则伸到水中，将环己烷溶液以环己烷小液滴的形式分散在水中，得到类似牛奶状的水包油乳液，最后将该乳液在70℃水浴条件下敞口反应3h，用以除去混合溶剂中的环己烷。在环己烷不断挥发的过程中，分散在环己烷液滴内的UCNPs也被浓缩，浓度不断提高，UCNPs彼此之间的距离会减小，并通过其表面油酸（OA）分子的疏水相互作用，不断相互靠近和聚集，最终单个小环己烷液滴内的多个UCNPs聚集在一起，形成UCNPs组装体[17]。与此同时，SDS疏水的链段和UCNPs表面的OA分子通过疏水相互作用，将SDS嵌插入UCNPs组装体的表面，而外部的亲水链段用于稳定分散在水中的UCNPs组装体（图2）。

图2 微乳液法制备UCNPs组装体示意图

③表征UCNPs组装体的基本性能

取2mL UCNPs组装体水溶液样品置于石英比色皿中，利用粒径仪测试UCNPs组装体的尺寸；制备TEM样品：用移液枪直接取20μL UCNPs组装体滴在电镜铜网上制备TEM样品或者滴在薄铜片上制备SEM样品，由于溶解在水中的样品通常很难在电镜铜网上附着，故可以采用多次滴加的方式进行多次上样，又因水溶液较难挥发，可将制备好的样品在红外灯下烘烤，用以快速干燥样品，方便课堂上用SEM、TEM表征UCNPs组装体的形貌。

2.结果与讨论

(1)UCNPs的基本性质表征

上转换粒子（NaYF4：20%Yb,2%Er@NaYF4:75%Lu）在近红外光源980nm照射下主要发射出545/650nm附近的荧光（图3a）[18-19]，其中，绿色波段（545nm）处发射峰对应于Er3+的4S3/2→4I15/2和4H3/2→4I15/2的光子跃迁，红色波段（650nm）处的发射峰对应于Er3+的4F9/2→4I15/2的光子跃迁，又因为绿色波段的发射峰强度明显高于红色波段，故该UNCPs整体呈现出绿色发光的特点（图3b）。通过粒径仪表征，在环己烷中，UCNPs的直径分布呈现窄单峰分布的特点，直径显示约为38nm（图3c）。

图3（a）UCNPs在980nm近红外激发下荧光光谱；（b）UCNPs的环己烷溶液在980nm近红外激发下发射绿光图片；（c）UCNPs在环己烷中的DLS测试结果曲线

(2)UCNPs组装体的基本性质表征

待环己烷挥发完全后，溶液呈现透明的微发蓝的特点，理论上通过微乳液法制备的UCNPs组装体因其是由多个UCNPs聚集而成，故其尺寸相比于单个UCNP而言，应有明显的提升。通过比较单个UCNP（呈现球形）和UCNPs的球形组装体TEM结果（图4a～b）可知：直径约为35nm球形UCNPs组装成粒径约为250nm较大尺寸的UCNPs组装体，具有较深的衬度且组装体外延呈现一种UCNPs交错排列的轮廓，表明该组装体是由多个UCNPs团聚到一起形成。进一步放大TEM结果可以观察到，在UCNPs组装体的内部，单个UCNP的球形轮廓依旧清晰可见，意味着在组装体内部，UCNPs也是成像聚集的状态，并非彼此相互融合成一个较大的球。同时，组装体的粒径分布（图4c）也和TEM显示较大尺寸的组装体相吻合，再次验证该乳液诱导UCNPs进行自组装成UCNPs组装体方法的可行性。此外，本实验是采用微乳液的方法制备UCNPs组装体，理论上仅需增加表面活性剂的用量、提高超声功率和延长超声时间有助于减小水包油乳液体系中油滴的尺寸，即得到较小尺寸的UCNPs组装体。

图4 UCNPs（a）和UCNPs组装体（b）TEM测试结果；（c）UCNPs组装体DLS测试结果

3.结语

本实验采用微乳液这一简单高效的方法，成功地将单个UCNP团聚在一起，用于构建较大尺寸UCNPs球形组装体。该实验包含对上转换发光机理和微乳液自组装的了解，实验操作包括对材料的制备和诸如粒径、形貌和荧光等性能的表征，这些操作具有一定的专业性，可以提高学生的动手能力，提高他们的实验技能。同时实验内容需要使用粒径仪、光谱仪、扫描电镜和透射电镜等常用且重要的性能表征手段，可以让同学们了解其测试原理、样品准备等事项，并能在老师的指导下正确进行仪器操作，为往后的学习和未来的科研之路打下重要且坚实的基础。