《武汉工程大学学报》 2022年01期
55-59
出版日期：2022-02-28
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
NaLuF4：Nd3+@ NaLuF4荧光粉的制备及光学性能
在过去的10年中，纳米技术的不断发展加速了生物医学领域的研究进展。纳米材料可作为生物显影剂应用在生物医学成像领域。例如，荧光成像［1］、磁共振成像［2］、电子计算机断层扫描［3］、光热成像［4］、拉曼成像［5］和光声成像［6］等。由于荧光成像具有灵敏度高、无有害光辐射和成本低等优点［7-8］，受到了研究人员的广泛关注。目前，荧光成像剂主要包括有机荧光染料、量子点、金属纳米簇、碳纳米管和稀土掺杂荧光粉等。传统有机荧光染料制成的荧光探针在生物成像中存在诸多局限性，如发光效率低、发光不稳定和荧光发射光谱宽等［9］。与传统有机染料相比，稀土离子掺杂的荧光材料具有光稳定性强、荧光发射谱带窄、寿命长和斯托克斯位移大等优点［10-11］，更适合做生物成像剂。通常在生物成像应用中入射光易被生物体组织吸收和散射，使得荧光信号减弱。通过选择波长位于光学生物窗口（biological window，BW）内的光，可以在某种程度上解决光衰减的缺点。位于BW（700~1 100 nm）的光谱具有以下特点：在生物组织中的穿透力强、自发荧光弱并且由光照引起的组织损伤少、成像中的信噪比高［12］。因此，激发光和发射光都在BW中的镧系离子掺杂的荧光材料作为成像探针可较大程度解决因生物体组织自吸收和散射引起的光衰减问题，在生物成像方面具有潜在的应用前景。相对于790 nm或其他的波长而言，在808 nm辐射下激光诱导损伤较低［13］，且Nd3+在808 nm处具有大的吸收截面和高量子产率，因此Nd3+掺杂的纳米粒子更适合作为荧光成像剂。通过在合适的基质材料中掺杂Nd3+可以获得理想的下转换或上转换发光。由于氟化物具有化学稳定性高和声子能低的特点，经常被用作镧系离子掺杂的基质材料，例如NaLuF4和LiYF4等［14-15］。在这些氟化物晶体中，具有六方相结构的NaLuF4晶体是公认的具有较高上转换发光效率的材料之一。基于以上分析，本文制备了一种NaLuF4：x%Nd@NaLuF4核壳结构纳米荧光粉，并研究了该荧光粉的光学性能及其在生物成像的潜在应用。1 实验部分1.1 实验试剂氯化镥（LuCl3）、氯化钕（NdCl3）、氟化铵（NH4F）、氢氧化钠（NaOH）、油酸（oleic acid，OA）、十八碳烯（octadecene，ODE）、甲醇（CH3OH）、乙醇（CH3CH2OH）和环己烷（C6H12）（分析纯）。1.2 实验方法通过逐步金属有机热解法合成系列NaLuF4：x%Nd（x=0.5，1，2，80）荧光粉，将LuCl3与NdCl3摩尔比为99∶1的1 mmol LnCl3（Ln=Lu，Nd）、10 mL OA和15 mL ODE加入到100 mL三颈烧瓶中，将溶液升温至80 ℃，真空脱气0.5 h。再将溶液加热至140 ℃，反应0.5 h。将NH4F（4 mmol）和NaOH（2.5 mmol）溶解在5 mL CH3OH中后，加到冷却的溶液中，并在80 ℃下脱气0.5 h。然后，将混合溶液升温至280 ℃反应1 h。待溶液冷却至室温，再加入20 mL乙醇和环己烷（体积比为1∶1）溶液，离心得到六方相NaLuF4：1%Nd纳米粒子（nanoparticles，NPs）。NaLuF4：0.5%Nd、NaLuF4：2%Nd、NaLuF4：80%Nd的制备与NaLuF4：1%Nd相似，只需要按比例调整LuCl3与NdCl3的含量。NaLuF4：1%Nd@NaLuF4（C/S-1）荧光粉是通过在核心上外延生长NaLuF4层而得到的核-壳结构荧光粉。将1 mmol LuCl3加入10 mL OA和15 mL ODE的混合溶液中，在80 ℃温度下脱气0.5 h，然后加热至140 ℃反应0.5 h，然后加入含有核心纳米粒子的3 mL ODE，将混合溶液升温度至60 ℃除去环己烷。后续步骤与核心纳米粒子的制备步骤相同，将溶解在5 mL CH3OH中的NH4F（4 mmol）和NaOH（2.5 mmol）加入到前面的溶液中，经过脱气、升温等步骤，获得六方相NaLuF4： 1%Nd@NaLuF4。1.3 表征方法采用Rigaku D / max-TTR-III衍射仪通过X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）对样品的物相结构进行表征（Cu-Kα辐射，λ= 0.154 05 nm）。使用静态光散射技术通过激光粒度仪（Mastersizer 3000）测量粒度。在透射电子显微镜（transmission electron microscope，TEM）（FEI TF-20）上记录样品的尺寸和形态。用Ocean Optics分光光度计（以808 nm连续波为激发光源）测试样品的发射光谱，研究样品的发光性质。使用酶标仪（Spectra Max M5）测量吸光度。2 结果与讨论2.1 物相和粒径分析NaLuF4：1%Nd （核心）、NaLuF4：1%Nd@NaLuF4（C/S-1）和NaLuF4标准卡片的XRD图（JCPDS编号27-0726）如图1所示。由图1可以看出，NaLuF4：1%Nd很好地与六方相NaLuF4标准卡片的衍射峰和衍射角相匹配，而且NaLuF4：1%Nd@NaLuF4的衍射峰和衍射角的位置也与标准卡片基本吻合，均为六方晶系。这表明掺杂的Nd3+离子进入了NaLuF4基质中，由于Nd3+和Lu3+的离子半径相近且电价相同，因此Nd3+取代了Lu3+的位点，少量的离子掺杂未导致晶体结构发生变化。[10 20 30 40 502θ / （°）][核心][相对强度][JCPDS no.27-0726][C/S-1]图1 Core、C/S-1样品的XRD图及标准卡片Fig. 1 XRD patterns of Core and C/S-1 compared with standard card图2（a，b）以及图2（c，d）分别为NaLuF4：1%Nd和NaLuF4：1%Nd@NaLuF4的TEM图、粒径分布直方图。从图2（a）可以看出NaLuF4：1%Nd荧光粉为尺寸较均一的球状结构，平均尺寸为10 nm。图2（b）为通过静态光散射技术测得的NaLuF4：1%Nd的粒度。从图2（b）可以看出该荧光粉的粒径分布在几纳米到十几纳米，平均粒度为10 nm，与TEM观察到的结果十分吻合。由图2（c，d）可以看出NaLuF4：1%Nd@NaLuF4与NaLuF4：1%Nd荧光粉形貌相似，但尺寸略微增大，粒径约为13 nm。以上结果表明NaLuF4：1%Nd@NaLuF4荧光粉是一种形貌均一、粒子尺寸在13 nm左右的纳米材料。2.2 发光性能研究图3（a）为NaLuF4：0.5%Nd、NaLuF4：1%Nd、NaLuF4：2%Nd、NaLuF4：80%Nd荧光粉的发光光谱，从图3（a）中可以看出Nd3+的掺杂浓度在1%时发光强度最大，随着掺杂浓度的增加发光强度减小，当掺杂浓度到80%几乎不再发光，这是因为掺杂离子浓度过大，激活离子浓度较大时，离子间距离减小，它们就会发生非辐射跃迁，降低发光效率。当离子间距小于临界距离，就会发生光淬灭。在808 nm连续光激发下，不同浓度Nd3+掺杂的荧光粉发射峰都集中在860~900 nm之间，发射峰大约在863 nm，这对应于Nd3+的4F3/2→ 4I9/2跃迁。从图3（a）中可以看出863 nm左右的峰很陡峭，具有较大的斯托克斯位移。图3（b）为NaLuF4：1%Nd核心和NaLuF4：1%Nd@NaLuF4（C/S-1）荧光粉的发光光谱图。从图3（b）中可以看出NaLuF4：1%Nd@NaLuF4与NaLuF4：1%Nd发射峰的位置完全吻合，只是C/S-1比NaLuF4：1%Nd的发光强度大，这说明在NaLuF4：1%Nd表面包覆NaLuF4层很好地改善了核心的发光性能。这是由于纳米级别的发光材料尺寸小、拥有高比表面积且表面缺陷的数量远远大于块状材料，增加了能级之间的非辐射跃迁几率，降低了发光效率。通过在核心纳米粒子表面生长一层与基质具有相似晶格结构的壳层进行表面钝化，可以减少发光中心与外界的能量传递，有效提高发光效率。由于该荧光粉的发射峰位于BW内，且发光效率明显增大，因此NaLuF4：1%Nd@NaLuF4荧光粉在生物成像领域具有潜在应用。2.3 细胞毒性测试过量的镧系NPs可能对生物体具有潜在的毒性风险，因此对NaLuF4：1%Nd@NaLuF4（C/S-1）进行毒性测试是非常必要的。为此，进行了MTT测定。将C/S-1封装在聚乙二醇接枝的磷脂微团中，得到C/S-1-PEG，再将其分散在水溶液中，得到不同浓度的NPs。将肝癌细胞（HepG2）接种在96孔板中，并在CO2恒温箱（Heracell，150i）中培养12 h。然后，将旧培养基替换为包含各种浓度NPs的培养基，再将96孔板置于CO2培养箱中24 h。为了检测毒性，将噻唑蓝（0.5 mg·mL-1）与每个孔混合，并将板在平板振荡器上搅拌0.5 h。最后，使用酶标仪测量吸光度。在37 ℃下，HepG2细胞与不同浓度的NPs孵育12 h和24 h的细胞活力图如图4所示。由图4可知，NPs浓度越高、培育时间越长，细胞的活力越低，但细胞的整体活力都在90%以上，说明NPs的生物相容性高。以上结果表明该荧光粉毒性低，具有很好的生物相容性，是一种体内生物成像的潜在应用材料。[0 50 100 150 200 250 300质量浓度 / （μg·mL-1）][1007550250][活力 / %][12 h24 h]图4 37 ℃下与不同质量浓度的NPs孵育12和24 h的HepG2细胞的体外细胞活力Fig. 4 In vitro cell viability of HepG2 cells incubated with NPs under different mass concentrations for 12 and 24 h at 37 ℃3 结 论利用逐步金属有机热解法制备了系列NaLuF4：x%Nd荧光粉，对NaLuF4：x%Nd荧光粉的结构性能进行研究，发现在808 nm连续光激发下，该荧光粉能够发射860~900 nm的光，由于Nd3+的4F3/2→4I9/2跃迁，大约在863 nm时发射光最强。当掺杂1% Nd3+时，该荧光粉的发光强度最大，选择此时的掺杂浓度作为核心，采用外延生长法在核心表面包覆一层NaLuF4形成核壳结构，对NaLuF4：1%Nd荧光粉进行改性。荧光粉的发光图谱显示核壳结构的荧光粉的发光强度增强。对NaLuF4：1%Nd@NaLuF4核壳纳米结构进行细胞毒性检测，结果显示该荧光粉的毒性很低，对细胞活力影响小，与不同浓度NPs掺杂的细胞的活力都达到了90%以上。以上研究表明NaLuF4： 1%Nd@NaLuF4荧光粉材料是一种具有应用前景的生物成像材料。