稀土掺杂氟化物纳米材料的上转换发光特征及其生物应用

收稿日期:2009205204 修回日期:2009207214基金项目:国家重点基础研究973计划(No.2007CB936000);国家杰出青年基金(No.20725518);国家自然科学基金

重大研究计划(No.90713019);山东省科技发展计划项目(No.2008GG30003012);教育部博士点基金(No.

20060445002)

*通讯作者:唐 波,男,博士,教授,研究方向:分子与纳米探针,农药、医药中间体清洁生产.

第26卷第3期Vol.26 No.3分析科学学报

JOURNAL OF ANALYTICAL SCIENCE 2010年6月June 2010

DOI 编码:10.3969/j.issn.100626144.2010.03.024

稀土掺杂氟化物纳米材料的上转换发光特征及其生物应用

张瑞锐,高 源,唐 波*

(山东师范大学化学化工与材料科学学院;教育部分子与纳米探针重点实验室;农药、医药

中间体清洁生产教育部工程研究中心,山东济南250014)

摘 要:稀土掺杂氟化物纳米材料由于具有低的声子能,可以获得较高的上转换发光效

率,使其在太阳能电池、生物医学、光电子学、信息等领域有着广泛而重要的应用前景。

本文就当前稀土氟化物上转换纳米材料的改性、光性能研究,以及在生物检测,生物成

像标记,免疫分析,疾病治疗方面的最新研究进展做一综述,并对上转换纳米颗粒在生

物应用过程中存在的主要问题进行了讨论。引用文献50篇。

关键词:上转换;荧光;生物分析;标记;免疫分析;疾病治疗

中图分类号:O657.39 文献标识码:A 文章编号:100626144(2010)0320353205

1 引言

发光材料的纳米化促进了催化、生物医学、光电子学、信息存储等领域的巨大发展[124]。上转换发光是基于双光子或多光子过程,发光中心相继吸收两个或者多个光子,经过无辐射弛豫达到发光能级,从而跃迁至基态产生短波长光子,即将低频率激发光转换成高频率发射光。上转换发光纳米材料(Upconver 2sion Nanoparticles,UCNP)独特的光学性能使其成为材料科学及相关领域的前沿热点[528]。近年来,不同形貌的稀土上转换纳米颗粒相继被报道,其性能也随之优化提高,应用非常广泛[9211]。

稀土掺杂氟化物纳米材料具有较低的声子能[12214],可以降低非辐射跃迁提高发光强度,在氧化物、硫化物、磷化物等众多基质中脱颖而出,被广泛应用在生物标记,医学成像,分析检测,疾病治疗等各个领域[15,31,38241,44250]。本文对当前稀土掺杂氟化物纳米材料的上转换光学性能及其在生物领域的应用做一综述。

2 稀土氟化物纳米颗粒的上转换光学性能

影响稀土氟化物纳米材料发光性能的因素主要是基质材料、敏化剂和激活剂。目前氟化物基质材料研究的主要是XLnF 4和LnF 3,其中最为常见的是NaYF 4和LaF 3,声子能均小于400cm -1,有利于提供合适的晶体场,降低无辐射跃迁的几率,同时激活剂容易进行掺杂[13214]。稀土离子在氟化物中具有较长

的寿命,形成更多的亚稳能级,产生丰富的能级跃迁[12,15]。掺杂离子对上转换的发光扮演着极为关键的

角色,当前研究主要集中在Er 3+[16220]、T m 3+[17220]、H o 3+[19222]掺杂。稀土Yb 3+的激发光波长是980nm,吸收截面大,是最为常用且有效的上转换敏化剂

[16222]。当Yb 3+和其它稀土离子共掺杂到材料中,激发Yb 3+离子,能量传递引起光子叠加效应使得上转换发光效率大大提高

[5]。稀土掺杂氟化物纳米材料的上

转换发光机理见图1。353

第3期张瑞锐等:稀土掺杂氟化物纳米材料的上转换发光特征及其生物应用第26

卷

图1 Yb 3+,Er 3+/Tm 3+掺杂纳米材料上转换发光机理[23]Fig.1 Schema tic illustr ation of v a rious upcon 2ver sion mechanisms occur r ing in Yb 3+,Er 3+/Tm 3+co 2doped Nanoma ter ials [23]水热/溶剂热、热分解都可以得到单分散纳米级的上转换

稀土氟化物,但是通过对纳米颗粒的修饰来提高其上转换荧

光效率仍是研究的热点。

2.1 核壳结构提高上转换发光效率

稀土纳米颗粒的发光不具有量子尺寸效应,相对于尺寸

较大的化合物,纳米微粒具有更大的比表面积,因此处于表面

的激活离子比例也高于相应的体相材料。由于纳米颗粒的边

界阻断作用,能量的共振传递也只发生在单个微粒内部,所以

高的猝灭浓度使其性能降低。在稀土纳米颗粒外部包覆同质

稀土层、二氧化硅以及聚合物是有效提高上转换发光效率以

及量子产率的方法,同时多层结构还可以丰富发光色彩。

2.1.1 同质壳 由于低声子能稀土壳的存在可以减少能量

转移,降低稀土离子的自猝灭,因此在稀土纳米颗粒外部包覆

同质的材料可以在很大程度上提高发光效率。Yi 等人在掺

杂Yb 3+、Er 3+的NaYF 4纳米颗粒外包覆了未掺杂的NaYF 4

和聚丙烯酸(PAA)后,荧光效率提高7.4倍;NaYF 4B Yb,Tm@NaYF 4@PAA 比单纯的NaYF 4B Yb,T m 纳米颗粒的荧光增强29.6倍[24]。包覆KYF 4的KYF 4B Yb,Er 纳米颗粒的发光效率可以提高25倍[25]。不同合成方法制备的核壳纳米颗粒的荧光增强程度是不一样的,Mai 制备的A 2NaYF 4B Yb,Er@A 2NaYF 4的上转换荧光效率增强一倍,而B 2NaYF 4B Yb,Er@A 2NaYF 4的荧光只增加1/2[26]。

2.1.2 异质壳 稀土上转换纳米颗粒包覆异质壳主要是为了获取水溶性、稳定性和分散性更好的材料,同时还可以使其表面富有功能基团。当有机配体是高能的C )H 或者C )C,振动就会对镧系离子的发光造成严重猝灭[27]。不同有机配体对稀土纳米颗粒的下转换发光略有影响[28229],但对上转换发光的影响尚未有报道。异质材料对上转换氟化物纳米颗粒的包覆主要是二氧化硅[11,30233]、聚乙烯吡咯烷酮[34235]、聚丙烯酸[36]、聚乙烯亚胺[37]、聚丙烯胺

[38239]、聚赖氨酸[40]、聚乙二醇衍生物[41]等等,包覆后上转换荧光有小

幅度增强或者没有明显变化。

2.2 上转换多色发光

Wang 等[18]将Yb 、Er 、T m 同时掺杂到N aYF 4纳米颗粒中,在单一波长980nm 的激发下可以得到多色荧光材料。通过调节掺杂离子的浓度和种类,可以精确控制激发强度平衡,从而实现从近红外到可见的复合多色光(图2)。此外,在B 2NaYF 4B Yb,T m 外面包覆B 2NaYF 4B Yb,Er 结构的纳米颗粒也可以获得从近红外到可见的上转换发光。这种三明治结构的B 2NaYF 4B Yb,Tm@B 2NaYF 4B Yb,Er @B 2NaYF 4B Yb,Tm 不仅光谱丰富,而且与单纯的B 2NaYF 4B Yb,T m 以及B 2NaYF 4B Yb,Er 相比,其量子产率和荧光效率都有所提高[42]。

2.3 多激发模式发光

Li 等[43]将油酸配位的LaF 3B Ce,T b 和NaYF 4B Yb,Er 两种纳米颗粒置于十二烷基硫酸钠微乳液中,经过烷链自组装制备具有上转换和下转换双功能的纳米微球,尺寸大约62nm,在254、396、980nm 激发下可以得到不同发射的荧光,但是颗粒的稳定性还有待研究。H u 等[32]通过二氧化硅包覆上转换纳米颗粒,同时在二氧化硅纳米颗粒中掺杂异硫氰酸荧光素(FIT C),分别可以在980nm 波长下激发上转换纳米颗粒,488nm 下激发FIT C,获得上转换和下转换双模式的纳米颗粒,尺寸仅20~22nm,而且二氧化硅提高了生物相容性和稳定性,更适合生物应用。3 稀土掺杂上转换氟化物纳米材料的生物应用

3.1 稀土掺杂上转换氟化物纳米颗粒在生物分子检测中的应用

Wang 等[38]利用静电吸引层层组装的方法在NaYF 4B Yb 3+,Er 3+外部引入氨基,从而能够和生物素相连,随后体系中再加入同生物素相连的金纳米颗粒,当抗生物素蛋白存在的时候会连接两种纳米颗粒,从而发生能量转移,此时金会吸收稀土上转换纳米材料的荧光,通过荧光猝灭的程度实现抗生物素蛋白的检354

第3期分析科学学报第26卷测(图3),检测范围为0.5~370mol/L

。

图2 掺杂不同含量的Yb,Er ,Tm 的NaYF 4纳米

颗粒在980nm 波长激发下的照片[18]

Fig.2 P hotogr aphs wer e taken by excited NaYF 4:

Yb,Er ,Tm (with differ ent amount Ln)samples at

980nm with a 600mW diode laser [18]图3 基于能量转移生物素修饰的上转换纳米颗粒和金纳米颗粒检测抗生素蛋白的示意图[38]Fig.3 Scheme of the FRET system,with phosphor 2biotin nanopar ticles as ener gy donors and Au 2biotin na nopar ticles as ener gy acceptor s,in the analysis of

avidin [38]

氨基修饰的上转换纳米颗粒不仅可以和蛋白偶联,还可以和DNA 、小分子相连。Wang 等

[39]将上转换纳米颗粒结合磁场生物分离技术用于微量DNA 的检测。Chen 等[44]非常巧妙的利用Lemieux 2von Rudloff

试剂直接氧化合成过程中引入的油酸配体,得到羧基修饰的上转换纳米颗粒,用于定量检测靶向DNA 。

Liu 等[45]将Fe 3O 4和NaYF 4B Yb,Er 纳米颗粒包覆在二氧化硅微球内,制备的发光磁性多功能复合纳米颗粒,在生物分离、检测、标记成像及药物输送方面有着潜在的应用价值。

3.2 稀土掺杂上转换氟化物纳米在免疫分析中的应用

2001年,Niedbala 课题组报道了上转换纳米颗粒应用于免疫层析实验[46]。研究者将上转换材料同生物分子相连后,采用免疫层析技术对抗原进行检测取得了理想的结果。由于层析所用的底板在红外光照射下不发光,所以观测到的信号必然来自上转换纳米颗粒,因此上转换纳米材料用于免疫层析技术更加提高了这种方法的可靠性。400nm 的UCNP 与Cy5相比,目标物浓度和发光强度的线性关系提高两个数量级。此外,研究者将胶体金和上转换纳米颗粒同时应用于H PV 16的检测,结果表明U CNP 实验的检测限低于胶体金的100倍[47]。但需要说明的是,控制上转换纳米颗粒的尺寸是扩展其在免疫层析技术应用的关键因素。

3.3 稀土掺杂上转换氟化物纳米颗粒在生物标记中的应用

稀土上转换氟化物纳米颗粒在生物标记中的应用成为当前纳米标记的热点。最初的活体实验是Lim 等[40]

用线虫吞噬稀土上转换氧化物纳米颗粒。

图4 UCNP @SiO2(FITC)2FA 结构及其在癌细胞标记的潜在应用示意图[31]Fig.4 Schematic illustr ation of the synthesis of UCNP@SiO2(FI TC)2FA nanocomposites [31]H u 等[41]制备了氨基修饰的掺杂FIT C 的上转换二氧化

硅纳米颗粒,又将能与癌细胞特异性结合的叶酸共价键连接

在纳米颗粒外面。这种纳米颗粒可以双模式上转换下转换发

光,同时实现对癌细胞的标记,用于流式细胞仪进行分选

[31](图4)。Chatterjee 等[48]将叶酸修饰到聚乙烯亚胺包覆的

NaYF 4B Yb,Er 纳米颗粒上,进行了一系列的细胞以及白鼠活

体实验。研究表明此纳米颗粒在磷酸盐缓冲溶液中非常稳

定,同时对骨髓干细胞没有毒性,抗漂白性好。将其应用于人

卵巢癌细胞和结肠癌细胞细胞标记,修饰后的纳米颗粒和细

胞表面具有较高的亲和力。小白鼠实验中,将U CN P 和量子

点同时应用于皮下组织成像,在紫外光照射下腹部皮下组织的量子点没有光信号,而在980nm 的激发下,可以清楚看到

UCNP 的发射光,证实了U CN P 在生物活体标记中的潜在价值。

3.4 稀土掺杂上转换氟化物纳米在光动力治疗中的应用

Zhang 等[49]第一次将稀土上转换纳米颗粒作为光敏剂的能量供体,包覆二氧化硅的同时掺杂部花青,实现UCNP 和部花青的能量转移产生单线态氧。Chatterjee 等[50]

将约50nm 大小的共价连接叶酸、非共价吸附酞菁锌的聚乙烯亚胺包覆的N aYF 4B Yb,Er 纳米颗粒,应用于活体实验。酞箐锌的吸收波长355

第3期张瑞锐等:稀土掺杂氟化物纳米材料的上转换发光特征及其生物应用第26卷

和NaYF4:Yb,Er的670nm处的发射有重叠,发生能量转移,当用980nm的激发上转换纳米颗粒时,光敏剂会产生单线态氧。作者将这种多功能的纳米颗粒应用于活体实验,证明了此种纳米颗粒不仅细胞毒性小,而且可以靶向识别癌细胞,并且可以有效的杀死肿瘤细胞,癌细胞杀死率高达80%。

4结论与展望

综上所述,由于上转换纳米颗粒激发波长在近红外区(980nm),掺杂离子不同可以调节发射波长,以及生物毒性小等特征使得上转换纳米颗粒在生物标记、生物检测、生物成像、疾病治疗以及信息存储等领域有着广阔的应用前景。而氟化物上转换纳米材料凭借其声子能低、上转换效率高等鲜明的特点使其优势更加显著。与量子点相比,上转换纳米颗粒的研究无论是在合成还是修饰都处于起步阶段,但已经取得了令人鼓舞的研究成果,引起人们的广泛关注。

然而目前在上转换纳米材料的生物应用过程中,上转换的合成和修饰方面还存在一些困难。由于稀土元素分子量大、易团聚沉淀,使其在生物应用方面存在缺憾。虽然人们已经注意到了这方面的问题,并且逐步改进合成方法,但是如何制备尺寸较小且均匀、发光性能优异的上转换纳米颗粒仍有很大的发展空间。另外利用生物无毒材料,生物高分子或者聚合物,二氧化硅等等来包覆稀土纳米颗粒也是很好的解决稳定性和生物相容性的可行途径,值得深入研究。

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Lanthanide2doped Fluoride Nanoparticles:Up2conversion Luminesence and Biological Applications

ZH ANG Rui2rui,GAO Yuan,T ANG Bo*

(College of Che mistry,Che mical Engineering and Materials Sc ie nc e,Key Laborator y of Molecular and Nano Pr obes,Ministry of Education,Engineering Resear ch Cente r of Pesticide and Medicine Inte rmediate Clean Produc tion,Ministry of Education,Shandong N ormal U niversity,J inan250014)

Abstr act:Lanthanide2doped fluoride nanoparticles have low phonon energies,which leads to a great contribution to the luminescence intensity,and thus have huge promise in solar cells,biomedicine, optoelectronics,and telecommunications,etc..The preparation,properties enhanced of lanthanide2 doped fluoride nanoparticls and their application in life sciences are intrigued many scientists.Recent resear ch progress in the application of lanthanide2doped fluoride nanoparticles in bioanalysis,label and image,immunological assay,and therapy ar e reviewed,and some pr oblems associated with it are also described in this paper with50references.

Keywor ds:Up2conver sion;Fluorescence;Bioanalysis;Label and Image;Immunological assay;Ther apy

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