荧光纳米粒子的介绍及应用
荧光纳米粒子的介绍及应用写在前面的话：荧光探针(fluorescent probe)在化学传感、光学材料及生物检测和识别等领域得到了广泛的应用，并成为实现上述功能的一种主要的技术手段。
但以传统的有机荧光染料为主的荧光探针在应用中也存在一些难以克服的缺陷。
最近，无机发光量子点、荧光聚合物纳米微球、复合荧光二氧化硅纳米粒子等荧光纳米探针的相继出现，在一定程度上克服了传统有机荧光试剂的缺陷，为生物分析提供了新的发展领域，成为了近年来研究的热点，在此我想作一简单介绍，希望能起到抛砖引玉的作用，如果大家觉得我有什么地方说错的话，欢迎批评指正！让我也从中受益！1、荧光纳米粒子的分类荧光纳米粒子是指可以发荧光的半导体纳米微晶体（量子点）或将荧光团(Fluorophore)通过包埋、共价键连接以及超分子组装等方式引入有机或无机纳米粒子中，并让纳米粒子承担有机小分子荧光染料的检测、标记等功能。
与传统的荧光染料相比，荧光纳米粒子具有更高的亮度和光稳定性，也能更加容易地实现水分散性和生物相容性。
另外，随着纳米制备技术的进一步提高，对纳米粒子的尺度的精确控制及对粒子功能化手段的日臻完善，这在很大程度上使荧光纳米粒子满足了化学传感器、生物探针等领域的要求。
目前荧光纳米粒子主要有无机发光量子点、荧光高分子纳米微球、复合荧光二氧化硅纳米粒子三大类。
1.1.量子点量子点(quantum dot, QD)又可称为半导体纳米微晶体，是由数百到数千个原子组成的无机纳米粒子，是一种由 II-VI 族或者 III-V 族元素组成的纳米颗粒。
目前研究较多的主要是CdX(X = S、Se、Te)。
量子点粒径很小，它们的电子和空穴被量子限域，连续能带变成具有分子特性的分立能级结构，因此光学行为与一些大分子很相似，可以发射荧光。
量子点的体积大小严格控制着它的光谱特征。
量子点的晶体颗粒越小，比表面积越大，分布于表面的原子就越多，而表面的光激发的正电子或负电子受钝化表面的束缚作用就越大，其表面束缚能就越高，吸收的光能也越高，即存在量子尺寸效应，从而使其吸收带蓝移，荧光发射峰也相应蓝移。
可见，相对于其他传统的荧光染料而言，量子点由于其量子尺寸效应，粒径不同或组成材料不同即可发射不同颜色的荧光。
由于量子点潜在的应用前景，研究者在量子点的制备方面展开了一系列的研究。
目前，量子点的制备方法根据其所用材料的不同，有以下两种方法：一、在有机体系中采用胶体化学方法以金属有机化合物为前体制备量子点，二、在水溶液中直接合成。
在有机体系采用胶体化学方法制备量子点的研究中，Bawendi等将金属有机化合物注射入热的有机溶剂中，在高温下制备出具有单分散性的CdSe量子点。
后来，人们使用无机物来钝化颗粒表面，发展了核壳结构的量子点。
peng等人以CdO或Cd(Ac)2为原料，在一定条件下与S、Se、Te的储备液混合，一步合成了性能良好的CdS、CdSe、CdTe量子点。
Nie等以此法合成了CdSeTe量子点，其荧光发射最大的波长为850 nm，量子产率高达60%。
该法不但克服了先前合成方法中需要采用(CH3)2Cd作为原料的缺点，而且所合成的量子点荧光量子产率高、尺寸分布窄、波长覆盖范围广。
此外，Reiss等人在Peng的基础上以CdO为前体在HDA-TOPO混合体系中合成CdSe，然后以硬脂酸锌为锌源，在CdSe的表面包覆一层ZnSe，首次合成了CdSe/ZnSe核壳结构的量子点，荧光量子产率高达85%。
另外，也有研究者采用在水溶液中进行量子点的合成，Weller等人以六偏磷酸钠及巯基乙酸、巯基乙胺等巯基化合物为稳定剂，以Cd(ClO4)2•6H2O为镉源合成了水溶性的CdS、CdSe、CdTe量子点。
该法操作简单、可制备的量子点种类多、所用材料价格低、毒性小，且量子点表面修饰有可直接与生物分子偶连的羧基或氨基等官能团。
然而，采用在水溶液中合成量子点的方法存在着量子产率不高、尺寸分布较宽等缺点。
所以，目前人们仍较多的采用在有机体系中进行量子点的制备。
1.2. 高分子荧光纳米微球高分子荧光纳米微球开始是以聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸酯类、聚丙烯酰胺类为微粒主体，表面键合或吸附荧光素（Fluorescein，如FITC等）、罗丹明（Rhodamine，如 Rhodamine 6G）、菁色素（Cy染料）等荧光物质的荧光纳米微球。
因为单个纳米粒子可以键合多个荧光分子，所以荧光强度有所增强。
但由于荧光分子没有被保护在高分子材料中，仍然受外界氧化或光漂白的影响，荧光的稳定性并没有提高。
近来，Kawaguchi等采用细乳液聚合的方法，开发出一种用聚苯乙烯内包铕与β-二酮类荧光配合物的高分子荧光纳米微球。
这种高分子材料的表面键合有羧基，可以标记具有氨基等活性基团的生物分子。
同样，采用细乳液聚合的方法还可以制备包埋其它染料的荧光高分子纳米微球，但是，由于该类高分子材料比重较小，在溶液中难以离心沉淀，分离非常困难，所以只能制备直径比较大的微粒，粒径一般在100 nm以上。
而这又造成纳米颗粒在水中易聚集，并且它在有机溶剂中高分子又极易溶胀从而导致微粒内的荧光分子发生泄漏。
1.3复合荧光二氧化硅纳米粒子复合荧光二氧化硅纳米粒子是由功能性的内核、可生物修饰的硅壳以及修饰在硅壳表面的生物分子构成，具有明显核壳结构的一类新型的纳米颗粒，其内核材料可以是有机荧光染料、稀土发光材料、量子点等。
由于该类型的纳米颗粒采用油包水(W/O)反相微乳液方法成核，通过硅烷化试剂在微乳液中水解形成三维网状结构的硅壳进行包壳，所以采用不同的硅烷化试剂可以制备出表面带有不同官能团的核壳型生物纳米颗粒。
通过对纳米颗粒的表面进行各种生物大分子的修饰，如：肽片断、抗体、生长因子等，可以实现对特异性细胞的识别、分离和检测。
于是，复合荧光二氧化硅纳米粒子由于其具有良好的分散性、温和的合成条件、可重复合成及细胞毒性小等优点已在生物学领域得到了广泛的应用。
目前，复合荧光二氧化硅纳米粒子在细胞水平上的研究主要集中在特定细胞的染色、识别和分离、细胞内 pH 的检测及基因转染等方面。
目前，常用的复合荧光二氧化硅纳米粒子制备方法主要有反相微乳液法和改进的Stober 水解法。
反相微乳液法是近年来制备复合荧光二氧化硅纳米粒子的一种最为经典的方法。
在其制备机理研究方面，研究者们发现微乳颗粒不停地做布朗运动，不同颗粒的互相碰撞使微反应器内增溶的物质迅速交换、传递并发生化学反应如氧化-还原反应、沉淀反应和光引发反应等。
这种再交换需要胶团在相互碰撞时产生一个大的孔洞，使胶团的表面化学剂膜的曲率发生巨大变化，因此可以阻止已在反应器内生成的颗粒发生物质再交换。
微反应器内的粒子一经形成，表面活性剂分子就附着在粒子表面，使粒子稳定并防止其进一步长大。
由于微反应器的直径只有 0～100 nm，不同微反应器内的晶核或粒子间的物质交换受阻，从而可以通过控制微反应器的大小来控制生成粒子的尺寸，最后形成大小可控的核壳纳米颗粒。
改进的 Stober 水解方法也常用于制备硅壳荧光纳米颗粒。
Stober 水解方法指利用TEOS 的水解及缩合反应，形成 SiO2 的方法。
早在 1968 年就有采用 Stober方法合成单分散二氧化硅颗粒，VanBlaadere等首次报道了采用 Stober 方法合成大小在几百个纳米的有机荧光染料嵌入的硅壳荧光纳米颗粒。
Hooiswen等采用改进的Stober 水解方法制备了大小在20-30 nm 的硅壳荧光纳米颗粒，整个制备过程包括了两部分，一是首先将有机荧光染料共价修饰在硅的前体上，形成一个荧光染料富集的内核，二是将硅溶胶-凝胶单体加入到硅壳包被的荧光染料内核中，通过 TEOS 的水解及缩合反应后的包壳。
通过该方法可以制备大小均匀的硅壳荧光纳米颗粒。
另外，他们采用这种方法也分别制备了覆盖了紫外到可见区的荧光染料为内核的复合荧光二氧化硅纳米粒子，包括Alexa350，N-(7-(dimethylamino)-4- methylcoumarin-3-yl)，Alexa 488，异硫氰酸荧光素, 四甲基异硫氰酸罗丹明，Alexa 555，Alexa 568，得克萨斯红，Alexa 680和 Alexa 750 为内核材料的复合荧光二氧化硅纳米粒子。
2荧光纳米粒子在生命科学中应用2.1荧光纳米粒子直接用于生物检测荧光纳米粒子作为一种荧光探针已被广泛应用在生物标记及医疗诊断领域。
近年来国外已涌现出多家研制和开发荧光纳米粒子生物荧光标记的公司，如NanoTech-Ocean等，我国在这方面的研究正逐步展开，也出现开发纳米荧光探针相关产品的一些公司，如武汉的珈源公司就提供各种可用于生物的量子点探针。
基于目前国内外的研究现状，要实现荧光半导体纳米粒子在生物检测中的应用关键在于对荧光纳米粒子的表面结构和功能的准确控制，而且纳米粒子表面必需具有亲水性官能团。
为了使TOPO 法合成的油溶性量子点转移到水相，主要采用表面包覆和表面置换两种方法。
例如，在量子点表面包覆SiO2 壳层，Alivisatos 等利用巯基硅氧烷(MPS) 置换量子点表面的TOPO 分子，然后进一步将硅氧烷水解缩聚使微粒表面形成一种稳定的SiO2 壳层。
通过水解有机硅氧烷还可以形成具有胺基、脲丙基和羧基等活性官能团的SiO2 壳层。
自1998 年Alivisatos和Nie 等提出用半导体纳米粒子作生物荧光标记的最初构想以来，基于荧光量子点的生物偶联得到蓬勃发展。
荧光量子点用于生物偶联主要依靠纳米粒子表面的活性基团如羧基、胺基、醇基和巯基等。
主要是利用纳米粒子表面活性基团与生物分子之间形成共价偶联、静电吸附、疏水作用和硅烷偶联等。
归纳起来，荧光纳米粒子与生物分子偶联主要有两种方法：一种是通过化学反应，即通过表面修饰有羧基或氨基的水溶性纳米晶与生物分子中的氨基或羧基形成酰氨键,实现偶联。
该方法通常用于较复杂的研究体系，如抗源-抗体之间的识别、活体标记及特异性标记等。
另一种是静电吸附方法，带电荷的纳米粒子可以与带相反电荷的生物分子通过静电相互作用吸附偶联，该方法适用于简单体系。
纳米粒子与抗体偶联后，利用抗源-抗体间的特异性识别，可以将不同荧光纳米粒子修饰在底物上，并对底物进行跟踪。
迄今为止，纳米粒子和生物分子的偶联物已经在DNA 杂化、免疫检测、受体诱导的细胞内吞作用和生物组织成像等方面得到应用，而且纳米粒子作为新一类的荧光标记材料已经逐步发展到活体细胞成像。
将纳米粒子直接用于生物检测主要优势是利用纳米粒子的高荧光稳定性，可以在几十分钟到数小时研究细胞的过程中进行实时跟踪检测；可以用多种颜色的纳米粒子同时对细胞内或细胞表面进行多个靶向目标研究；将纳米粒子表面包覆有惰性物质壳层，使纳米粒子对细胞的毒性低于有机染料带来的毒性。
纳米技术在食品检测中的应用技巧
纳米技术在食品检测中的应用技巧纳米技术是一种在纳米尺度下进行研究和应用的技术，它具有独特的性质和特点，因此在食品检测中的应用逐渐得到了广泛关注。
纳米技术的应用可以提高食品检测的灵敏度、准确性和速度，同时也能够降低成本和节约资源。
下面将介绍一些纳米技术在食品检测中的应用技巧。
首先，纳米粒子的应用是纳米技术在食品检测中的主要手段之一。
纳米粒子的小尺寸和高比表面积使其具有特殊的物理、化学和生物学性质。
例如，金纳米粒子可以通过表面等离子共振效应产生特定波长的吸收光谱，利用这一现象，可以制备用于检测食品中金属离子、细菌和病毒等的纳米传感器。
纳米粒子还可以在荧光检测中起到增强荧光信号的作用，从而提高食品中重金属和农药等有害物质的检测灵敏度。
其次，纳米材料在食品检测中的应用也得到了广泛关注。
纳米材料具有较大的比表面积和特殊的光电性能，这使得它们在食品检测中具有很大的潜力。
例如，纳米氧化锌和二氧化钛等纳米材料可以通过光催化作用去除食品中的细菌和有机污染物。
此外，纳米碳材料也可以用于检测食品中的重金属和农药等有害物质。
纳米材料在食品检测中的应用不仅提高了检测的灵敏度和准确性，还能够降低检测成本和时间。
再次，纳米生物传感器是纳米技术在食品检测中的另一个重要应用。
纳米生物传感器是一种结合了纳米材料和生物分子的检测器件，它可以通过与目标物质的特异性识别反应实现对食品中有害物质的检测。
例如，利用纳米抗体探针可以实现对食品中致病菌的检测，利用纳米酶可以检测食品中的过氧化物和葡萄糖等。
纳米生物传感器具有高灵敏度、高选择性和低检测极限等优点，对食品安全的监测起到了重要作用。
此外，纳米技术还可以应用于食品包装和质量监控中。
纳米材料的特殊性能可以改变包装材料的透气性、防潮性、防腐性和抗菌性等，从而延长食品的保鲜期。
纳米传感器和纳米标签可以被嵌入食品包装中，实时监测食品质量和安全状况，提供及时的警报和反馈。
这不仅提高了食品的追溯性和可信度，还有助于保护消费者的健康和权益。
fitc荧光染料标记纳米粒原理
fitc荧光染料标记纳米粒原理一、引言近年来，纳米技术的发展为各个领域带来了巨大的变革和突破。
纳米粒子作为这一技术的重要组成部分，具有其特殊的物理和化学性质，使其在生物医学领域中得到广泛应用。
为了更好地研究纳米粒子在生物体内的行为和作用，科学家们需要一种能够追踪纳米粒子位置的方法。
其中，利用荧光染料标记纳米粒子成为了一种常用且有效的方法。
本文将以FITC荧光染料标记纳米粒子的原理为主题，探讨其具体的实现过程和应用。
二、FITC荧光染料的特点FITC荧光染料是一种常用的绿色荧光染料，其具有较高的亮度和稳定性，被广泛用于生物标记和细胞成像等领域。
FITC荧光染料能够通过与纳米粒子表面的功能分子反应，实现对纳米粒子的标记。
由于其荧光特性和稳定性，使得标记的纳米粒子可以在生物体内被追踪和观察。
三、FITC荧光染料与纳米粒子的结合1. 表面修饰在将FITC荧光染料与纳米粒子结合之前，需要对纳米粒子进行表面修饰。
表面修饰的目的是为了增加纳米粒子的稳定性和生物相容性，同时也为荧光染料的结合提供合适的基团。
常用的表面修饰方法包括聚乙烯醇（PEG）修饰、硅烷修饰等。
2. 荧光染料的导入在表面修饰完成后，接下来需要将FITC荧光染料导入纳米粒子中。
一种常用的方法是通过共价键合将荧光染料与纳米粒子表面的修饰基团连接起来。
这种连接方式可以确保荧光染料牢固地与纳米粒子结合，不易脱落。
同时，也可以通过静电作用、疏水相互作用等非共价键合方式将荧光染料与纳米粒子结合。
四、FITC荧光染料标记纳米粒子的应用1. 生物成像FITC荧光染料标记的纳米粒子在生物成像中起到了重要的作用。
通过将纳米粒子注入生物体内，可以通过荧光显微镜等设备观察到纳米粒子的分布和行为，从而了解其在生物体内的代谢和转运过程。
2. 药物输送利用FITC荧光染料标记的纳米粒子可以作为药物的载体，用于药物的输送。
荧光染料的标记可以使得药物的输送过程更加直观可见，从而更好地控制药物的释放和效果。
纳米颗粒在医学治疗中的应用前景
纳米颗粒在医学治疗中的应用前景纳米颗粒是指直径在1-100纳米之间的粒子。
由于其在大小、形状、表面性质等方面的优异特性，纳米颗粒已经在许多领域得到了广泛的应用，从能源、环境到医学等各个领域都有涉及。
其中，在医学领域，纳米技术已经成为了一个热门的研究方向，获得了很多有趣的成果。
纳米颗粒在医学治疗中的应用前景也越来越受到广泛的关注。
纳米颗粒在医学领域的应用纳米颗粒可以作为一种载体，在药物传输和治疗中发挥重要作用。
通过改变纳米颗粒的表面性质，可以实现药物的选择性释放，提高药物的疗效，并减少不必要的毒副作用。
纳米颗粒还可以用于细胞表面的修饰，以增强药物的化学递送效率和生物学特异性。
在癌症治疗中，纳米颗粒可以实现药物在肿瘤组织中的靶向递送，同时减少对健康组织的损害。
纳米颗粒甚至可以通过携带药物或生物技术治疗缺失器官或组织，如通过使用纳米电极，治疗视网膜上皮膜病变等。
纳米颗粒在治疗癌症方面的应用前景作为一种载体，纳米颗粒可以将药物精确地输送到肿瘤细胞中，而不破坏健康细胞。
相比传统的化疗药物，纳米颗粒可以突破生物屏障、提高药物的生物利用度、降低毒性，从而实现更高的治疗效果和更少的副作用。
纳米颗粒也可以通过改变表面性质来提高药物的生物利用度和肿瘤靶向性，同时减少药物的血浆清除率。
例如，用于癌症治疗的靶向性纳米颗粒可以将药物直接输送到肿瘤细胞中，并增强治疗效果和缩短治疗周期。
纳米颗粒在治疗神经系统疾病方面的应用前景纳米颗粒还可以应用于治疗神经系统疾病，如阿尔茨海默病、脑卒中和神经损伤等。
通过改变纳米颗粒的表面性质，可以实现药物的选择性释放和神经元靶向性。
例如，在阿尔茨海默病治疗中，靶向性的药物输送可以减少不必要的剂量，从而降低毒副作用的发生，并且改善药物在神经系统中的分布。
纳米颗粒也可以用于治疗神经系统的疼痛，如糖尿病神经病变和癌症疼痛。
此外，神经系统的再生和组织修复也是纳米技术研究的一个重要方向。
例如，在脊髓损伤的治疗中，可以使用纳米颗粒载体输送神经生长因子，以促进神经元的再生和修复。
纳米材料在生物医学中的应用
纳米材料在生物医学中的应用纳米材料在生物医学中的应用已经成为一个热门的研究领域。
纳米材料，指的是尺寸在纳米级别的物质，具有独特的物理、化学和生物学性质，使其成为一种理想的生物医学材料。
本文将介绍纳米材料在生物医学中的应用，并着重介绍纳米材料在药物传输、生物成像和组织工程方面的应用。
其次，纳米材料在生物成像方面有着重要的应用。
纳米材料具有良好的光学、磁性和荧光性质，可以被用于生物体内的成像。
纳米粒子可以作为造影剂，被用于生物体内的X射线、磁共振成像和荧光成像，可以帮助医生观察和诊断疾病。
此外，纳米材料还可以用于纳米探针的构建，通过修饰特定的配体，可以实现对特定分子或细胞的高度选择性成像。
例如，通过修饰肿瘤靶向配体，纳米探针可以在体内准确地识别和成像肿瘤细胞，实现肿瘤的早期诊断和治疗监测。
最后，纳米材料在组织工程方面也有着广泛的应用。
组织工程是一种通过支架材料促进和修复组织和器官的发育和生长的技术。
纳米材料的独特性质使其成为理想的支架材料。
纳米纤维具有和体内组织类似的纤维结构，可以模拟生物体内的纤维组织，用于皮肤、骨骼和血管等组织的修复和再生。
纳米材料还可以用于构建人工器官和组织工程的输送系统，通过结合生物活性因子和药物，可以实现对组织的促进和修复。
总之，纳米材料在生物医学中的应用具有巨大的潜力。
通过合理设计和应用纳米材料，可以实现药物的靶向输送、生物体内的高度选择性成像和组织工程的修复和再生。
然而，纳米材料在生物医学中的应用还面临一些挑战，例如生物相容性、毒性效应和规模化生产等问题，需要进一步的研究和改进。
随着技术的不断进步和理解的深入，相信纳米材料将会在生物医学领域的应用中发挥重要的作用。
荧光量子点
荧光量子点在生物体内分子和细胞成像中的应用[原文] Xiaohu Gao, Lily Yang, John A Petros, Fray F Marshall, Jonathan W Simons and Shuming Nie. In vivo molecular and cellular imaging with quantum dots. Current Opinion in Biotechnology2005, 16, 63–72.量子点（Quantum Dot）是一类具有纳米尺寸的发光粒子，它作为一类新的荧光材料被应用于生物分子和细胞成像中。
和传统的有机染料分子和荧光蛋白相比，量子点具有独特的光学和电子性质，如它具有发射光波长可调，高亮度，抗光漂白性以及多种量子点不同颜色荧光同时激发的优点。
目前已经开发出多功能的纳米微粒荧光探针就具有高亮度和生物体内稳定存在的特点。
在量子点的结构设计上，先在量子点基本结构的外围引入一层两性的共聚物外壳，然后再将这层外壳与肿瘤特异性识别配体或药物转运官能团相连。
带有聚合物外壳的量子点对细胞和动物是无毒的，但它们对细胞的长期毒性和降解机制还需要深入研究。
与生物组织相连的量子点为动物或是人体高灵敏多元细胞成像技术开辟了道路。
简介半导体量子点在过去的20年里已经引起了广大科学工作者的兴趣，它表现出来的奇特的光学和电子性质是单个分子或是大尺寸的固体所没有的。
近来，纳米荧光量子点已经被用来作为荧光探针用于生物机理的研究，与传统的有机染料和荧光蛋白相比，它具有以下的优点：通过调节量子点的大小和组成可以获得从红外到可见波长的荧光发射，而且它在比较宽的吸收波长范围内具有大的摩尔消光系数，它较其他类型的荧光探针具有高亮度和光稳定性的优点[1]。
因为它的宽吸收波长范围和窄发射波长，各种颜色和发射强度的量子点被用于生物体蛋白、基因序列和其他生物分子的研究[2-4]。
尽管荧光量子点具有相对大的尺寸（直径2-8nm），但现有的研究表明量子点荧光探针的行为与荧光蛋白（直径4-6nm）类似，而且从目前的荧光量子点的众多应用实例中还没有发现它在成键动力学和立体位阻方面存在问题[5-12]。
纳米颗粒生物应用
多功能磁性纳米颗粒的介绍、制备及生物医药应用摘要纳米技术和分子生物的结合，发展了一个新兴的研究领域：纳米生物技术。
磁性纳米颗粒是一类性能卓越的纳米材料，它具有可控的尺寸，在外形上易于改变，核磁共振现象中对比明显等特质。
因此这些纳米颗粒在生物及医药领域得到了很广泛的应用，包括：蛋白质的纯化，药物输送，医学成像。
由于在生物医药领域，多模式功能具有潜在的利益，研究者们纷纷开始设计和制造多功能磁性纳米颗粒。
现在有两种方法来制造基于磁纳米基础上的多功能纳米结构。
第一个方法是分子功能化，包括依赖抗体、蛋白质，和给磁性纳米颗粒染色；另一种方法是整合磁性纳米颗粒的其他功能纳米成分，例如量子点，或金属纳米颗粒。
正是因为他们可以显示几种功能协同和运输，而不是一种功能同时起效，这种多功能磁性纳米颗粒在生物医药领域的应用有着独特的优势。
我们先回顾一下多功能磁性纳米颗粒的设计和生物医药应用的几个例子。
在多功能磁性纳米颗粒与适合的配体、抗体或蛋白质结合之后，生物功能磁性纳米颗粒显示出了高度选择性的结合。
这些结果显示出了纳米颗粒可以应用于解决生物医药问题，例如：蛋白质纯化，细菌检测，褪毒素。
使纳米颗粒与其他纳米成分结合在一起的混合纳米结构，显示出伴随着特征的顺磁性。
例如荧光或加强的光学对比度。
这一结构为强化医学成像和药物控制释放提供了平台。
我们希望多组分磁性纳米颗粒的完整结构和特殊的结构特征的结合。
可以吸引更多的研究兴趣并在纳米医疗中开辟出新的道路。
1.介绍纳米技术和分子生物医药的结合是的一项新兴的研究领域——纳米生物科技蓬勃发展。
纳米生物科技还未发现新材料过程、现象等提供了有利的机会，纳米级别的磁性材料有它们独特的优点，例如可以在生物医药应用上提供许多机会，首先磁性纳米材料可以传输从1-104nm数量级的固定尺寸的物质，因此他们的尺寸和性能的最优化可以很容易的与研究热点相匹配。
其次外部的磁力可以制造纳米颗粒，这一“超距作用”为很多应用领域提供了巨大的优势。
基于普鲁士蓝纳米粒子的荧光适配体探针及其设备制作方法和应用与相关技术
本技术公开了一种基于普鲁士蓝纳米粒子的荧光适配体探针及其制备方法和应用。
荧光适配体探针由普鲁士蓝纳米粒子络合修饰FAM荧光团的适配体构成。
其制备方法为：将普鲁士蓝纳米粒子与修饰FAM荧光团的适配体在HEPEs缓冲液体系中避光孵育后，采用BSA封闭，即得。
将荧光适配体探针可以实现肿瘤、乳腺癌、血糖、阿尔兹海默症等各种标志物的检测，具有信号强、特异性高、灵敏度高、检测浓度范围广、生物安全性好等优点，有利于推广应用。
权利要求书1.一种基于普鲁士蓝纳米粒子的荧光适配体探针，其特征在于：由普鲁士蓝纳米粒子络合修饰FAM荧光团的适配体构成。
2.权利要求1所述的一种基于普鲁士蓝纳米粒子的荧光适配体探针的构建方法，其特征在于：将普鲁士蓝纳米粒子与修饰FAM荧光团的适配体在HEPEs缓冲液体系中避光孵育后，采用BSA封闭，即得。
3.根据权利要求2所述的一种基于普鲁士蓝纳米粒子的荧光适配体探针的构建方法，其特征在于：修饰FAM荧光团的适配体与普鲁士蓝纳米粒子的反应比为1nmol:1～2g。
4.根据权利要求2所述的一种基于普鲁士蓝纳米粒子的荧光适配体探针的构建方法，其特征在于：所述避光孵育的温度为4～37℃，时间为30～80min。
5.根据权利要求2～4任一项所述的一种基于普鲁士蓝纳米粒子的荧光适配体探针的构建方法，其特征在于：所述普鲁士蓝纳米粒子由Fe(NO3)3溶液滴加至温度为55～65℃的K4[Fe(CN)6]溶液中搅拌反应得到。
6.根据权利要求5所述的一种基于普鲁士蓝纳米粒子的荧光适配体探针的构建方法，其特征在于：Fe(NO3)3溶液滴加时间为5～15min，滴加完成后继续搅拌反应3～8min。
7.权利要求1所述的一种基于普鲁士蓝纳米粒子的荧光适配体探针的应用，其特征在于：以非治疗或疾病诊断为目的，作为荧光检测探针应用于标志物荧光检测。
8.权利要求7所述的一种基于普鲁士蓝纳米粒子的荧光适配体探针的应用，其特征在于：将普鲁士蓝纳米粒子络合修饰FAM荧光团的适配体，应用于与适配体对应标志物的荧光检测。
纳米技术在医学领域的应用
纳米技术在医学领域的应用主要包括以下几个方面：
1.肿瘤治疗：纳米技术可以用于肿瘤靶向治疗，通过制备纳米药物载体，
将药物精确地输送到肿瘤细胞内部，提高药物的疗效，减少对正常细胞的伤害。
此外，纳米技术还可以制备磁性纳米颗粒，用于磁控靶向肿瘤治疗，通过外加磁场控制纳米颗粒在体内的运动和聚集，实现对肿瘤的精确灭活。
2.诊断影像：纳米技术可以制备具有特殊荧光或磁性的纳米粒子，用于
提高医学影像的对比度和敏感度。
例如，通过将纳米粒子与荧光染料结合，可以制备出具有高亮度、高稳定性的荧光探针，用于生物分子的检测和细胞成像。
同时，通过将纳米粒子与MRI对比剂结合，可以提高MRI的分辨率和对比度，从而更准确地诊断疾病。
3.药物传输和控释：纳米技术可以制备具有可控释放性质的纳米载体，
用于传输和控释药物。
通过调控纳米粒子的形状、大小和表面性质，可以实现药物的定向输送和递送。
此外，纳米载体还可以利用磁性、光热效应等特性，实现对药物的精确控释，提高药物的疗效。
4.组织工程和再生医学：纳米技术可以用于制备具有特殊结构和性质的
纳米材料，用于支持和促进组织工程和再生医学的发展。
例如，纳米纤维材料可以用于制作支架，用于修复和重建损伤的组织，同时提供细胞黏附和生长的支持。
此外，纳米颗粒还可以用于修复神经组织和心脏组织，促进组织的再生和修复。
总之，纳米技术在医学领域的应用具有广阔的前景，可以提高医疗诊断和治疗
的精确性和效果，为临床医学带来新的突破和进展。
纳米生物材料的研究及应用
纳米生物材料的研究及应用随着纳米技术的发展和生物科学的不断进步，纳米生物材料这一新兴领域也引起了人们的关注。
纳米生物材料是将纳米技术应用于生物医学领域，结合了生物材料学、化学和生物学等学科的交叉研究。
近些年来，纳米生物材料已经成为一个非常热门的研究领域，并广泛应用于生物医学、生物传感器等多个领域。
一、纳米生物材料的定义纳米生物材料是一种具有纳米尺度结构和生物特性，并具有生物医学应用潜力的材料。
它包括纳米粒子、纳米管、纳米板、纳米膜等，这些纳米材料的粒径通常在1-1000nm之间。
目前，纳米生物材料已经被广泛应用于诊断、治疗、药物传递和生物成像等方面。
其中，纳米颗粒是一种常见的纳米生物材料，其特点是可通过口服、静脉注射、吸入等方法将药物直接送到病变组织，达到快速、准确、无创伤的治疗效果。
除此之外，还有纳米管、纳米板、纳米膜等纳米结构材料，这些材料的独特性能使之在生物医学领域的应用变得更加多样化。
例如，纳米管可以用于生物传感器，用于检测生物体内的蛋白质、DNA等分子，从而发现某些疾病的早期征兆并进行预测和治疗。
二、纳米生物材料的制备纳米生物材料的制备主要有物理方法和化学方法两种。
（一）物理方法物理方法主要包括热蒸发法、磁控溅射法、电弧放电法等，在这些方法中，利用物理性质改变材料的形态，使其达到纳米级粒径。
例如，磁控溅射法中，通过在高真空中施加电磁场来加速离子，使其撞击并蒸发材料，从而在基板上形成超薄膜。
该方法能够有效地制备出纳米级材料，但其制备时间较长，成本也较高。
（二）化学方法化学方法主要是将材料分子在特定条件下，通过化学反应的方式得到纳米级材料。
热力学计算法是一种典型的化学方法，可以通过计算和预测材料的热化学性质，合理选择反应条件来实现纳米级材料的制备。
此外，还有溶胶-凝胶法、微乳液法、水相法等不同的化学方法，也可以有效地制备出纳米级材料。
总体来说，物理方法的优点在于纳米级制备的精度较高，但制备周期长，成本高；化学方法则相对简单、便捷，能够大规模制备纳米材料，但受到限制的是材料制备的环境和检测对纳米级纯度的要求较高。
Ce3+掺杂对NaYF4∶Yb3+,Tm3+纳米粒子上转换发光性能的影响及其荧光温度特性应用
第42卷㊀第11期2021年11月发㊀光㊀学㊀报CHINESE JOURNAL OF LUMINESCENCEVol.42No.11Nov.,2021文章编号:1000-7032(2021)11-1763-11㊀㊀收稿日期:2021-07-05;修订日期:2021-07-20㊀㊀基金项目:广西重点科研项目(2016GXNSFDA380026)资助Supported by Key Scientific Research Projects in Guangxi(2016GXNSFDA380026)Ce 3+掺杂对NaYF 4ʒYb 3+,Tm 3+纳米粒子上转换发光性能的影响及其荧光温度特性应用蒙铭周,张㊀瑞,法信蒙,杨江华,欧㊀俊∗(桂林理工大学材料科学与工程学院,广西有色金属及特色材料加工重点实验室,广西桂林㊀541004)摘要:采用溶剂热法制备了一系列不同Ce 3+含量的Yb 3+/Tm 3+/Ce 3+共掺NaYF 4纳米粒子㊂样品在980nm激光激发下,可以观察到强烈的上转换蓝色荧光㊂探究了不同Ce 3+含量对发光强度的影响,发现在Ce 3+含量从0%增加到0.5%的过程中,紫外到可见的上转换发光随着Ce 3+浓度的增加先增强后减弱,在0.2%时荧光达到最强,比不掺Ce 3+时荧光增强高达5倍左右,其中475nm 的蓝光更是增强了6倍㊂此外,对其机理进行了深入细致的探究,一方面,掺杂Ce 3+后,Tm 3+中的(3F 3,3H 4)与Ce 3+中的(2F 7/2,2F 5/2)发生交叉弛豫,有效地防止了电子跃迁回到基态,以致整体荧光明显增强;另一方面,当掺入Ce 3+后,形成的(Yb 3+-Yb 3+-Ce 3+)Trimers 把能量传递给1G 4能级,发出475nm 的蓝光,导致蓝光很强㊂将其应用于荧光强度比测温,绝对灵敏度高达0.0350K -1㊂关㊀键㊀词:Ce 3+掺杂;上转换发光;强蓝光;(Yb 3+-Yb 3+-Ce 3+)Trimers;荧光强度比测温中图分类号:O482.31㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀DOI :10.37188/CJL.20210227Effect of Ce 3+Doping on Upconversion Luminescence of NaYF 4ʒYb 3+,Tm 3+Nanoparticles and Application of Fluorescence Temperature CharacteristicsMENG Ming-zhou,ZHANG Rui,FA Xin-meng,YANG Jiang-hua,OU Jun ∗(Guangxi Key Laboratory of Nonferrous Metals and Special Materials Processing ,College of Material Science and Engineering ,Guilin University of Technology ,Guilin 541004,China )∗Corresponding Author ,E-mail :gloujun @Abstract :A series of Yb 3+/Tm 3+/Ce 3+co-doped NaYF 4nanoparticles with different Ce 3+contents were produced by solvothermal method.Strong upconversion blue fluorescence can be observed un-der 980nm laser excitation.The influence of different Ce 3+content on the luminescence intensity was investigated.It was found that the upconversion luminescence from UV to visible enhanced firstlyand then weakened with the increase of Ce 3+concentration when the mole fraction of Ce 3+increased from 0%to 0.5%.The fluorescence intensity reached the maximum at 0.2%,which was about 5times stronger than that without Ce 3+doping,and the blue light at 475nm was enhanced by 6times.In addition,the mechanism was explored in detail.On the one hand,the cross relaxation be-tween(3F 3,3H 4)in Tm 3+and (2F 7/2,2F 5/2)in Ce 3+occured after doping Ce 3+,which effectivelyprevented the electron transition from going back to the ground state,resulting in the overall fluores-cence enhancement.On the other hand,the (Yb 3+-Yb 3+-Ce 3+)Trimers formed by doping Ce 3+transfered energy to 1G 4level and emitted 475nm blue light,which led to strong blue light.When it1764㊀发㊀㊀光㊀㊀学㊀㊀报第42卷was applied to the fluorescence intensity ratio thermometry measurement,the absolute sensitivity wasas high as0.0350K-1.Key words:Ce3+doped;upconversion luminescence;strong blue light;(Yb3+-Yb3+-Ce3+)Trimers;fluorescence intensity ratio thermometry1㊀引㊀㊀言上转换发光是指当一束长波长的光激发时,物质会转换发出短波长的光,这是一种反斯托克斯发光现象,即把能量低的光子转换成能量高的光子[1-3]㊂它独特的发光特性在生物荧光成像㊁医疗㊁能源等多方面得到了广泛应用[4-6]㊂目前, 980nm红外激光器比较高效且价格低廉,可为上转换纳米材料发光提供稳定可靠的激励能量,因此上转换发光材料的应用前景显得越来越重要㊂在许多镧系基质中,氟化物具备声子能量低㊁稳定性好以及透光率高等优势[7],NaYF4声子能量只有360cm-1,因此NaYF4成为最理想的基质材料[8-9]㊂Tm3+作为目前发光效率较高的稀土元素,成为纳米晶理想的激活剂㊂Yb3+与980nm 激发光能量匹配,为激活剂提供能量传递作用,可作为纳米晶理想的敏化剂㊂因此,NaYF4ʒYb3+, Tm3+是目前较为理想的上转换纳米晶[10-12]㊂但目前稀土上转换发光效率依然非常低,为了解决这一问题,进一步增强纳米粒子发光强度,使NaYF4ʒYb3+,Tm3+更好地满足日益旺盛的社会需求,人们往往只是通过控制纳米粒子的大小[13]㊁改变掺杂离子的百分比等方式提高发光效率,但其有一定的局限性㊂然而,近年来,王元生课题组把Ca2+掺入NaGdF4ʒYb3+,Er3+上转换纳米粒子中,发现发光强度比不掺Ca2+时大幅度提高[6,8-9,13-15]㊂显然,通过掺杂异质离子可以明显提高上转换发光效率,是一种非常可行且有效的方法[16-18]㊂Ce3+掺杂引起了研究人员的广泛关注㊂李英杰课题组发现Ce3+提高了CaO表面电子的电导率,增加了CO2捕集,促使水煤气变换和蒸汽甲烷重整反应[19]㊂杨振东课题组发现与纯Zn-CO2O4相比,Ce3+掺杂的ZnCO2O4纳米球具有较高的过氧化物酶样活性和较弱的氧化酶样活性[20]㊂Jacobsohn课题组通过沉淀法制备了Ce3+掺杂的六方相BiPO4,观察到Ce3+与宿主之间的强相互作用,Ce3+的掺入导致在约445nm(2.79 eV)和490nm(2.53eV)处产生两个部分重叠的带[21]㊂这些结果使人们对Ce3+掺杂材料内在和外在特性的认识得到了增强㊂目前,Ce3+的掺杂很大程度上促进了材料本身的性能,因此把Ce3+掺杂到NaYF4ʒYb3+,Tm3+纳米粒子中是提高其各方面性能的可行方法㊂本文通过溶剂热法制备出Ce3+掺杂的NaYF4ʒYb3+,Tm3+纳米粒子,并调控Ce3+的浓度,有效地使更多电子布居在3H4能级,防止电子跃迁回到基态,从而使更多电子向更高能级跃迁㊂尽管稀土上转换纳米粒子中发光离子在980nm处吸收截面小㊁上转换量子效率低[22],但通过掺杂Ce3+,即不需要高功率激光激发也可发出明亮的荧光㊂结果表明,Ce3+的掺杂可以明显提高其发光性能,并在475nm出现强烈的蓝光,且寿命长㊂通过光谱分析,结合稀土元素的能级结构,对Ce3+掺杂NaYF4ʒYb3+,Tm3+上转换荧光增强的机理进行了详尽的讨论㊂近年来,基于稀土上转换发光的光学温度传感引起了国内外的广泛关注㊂传统以氧化物为基质的测温材料,不仅上转换效率低,而且测温灵敏度也低,无法满足目前的社会需求,因此急需研究一种快捷㊁灵敏的测温技术㊂通过荧光强度比(FIR)测温提供了一种新型的非接触式测温方法,该方法只与材料本身荧光特性有关,因此可以有效地避免传统测温方法对测温环境的依赖㊂另外,稀土元素拥有丰富的能级结构,能够更好地满足现代生产生活对测温的需求㊂本文将合成的高荧光强度NaYF4ʒYb3+, Tm3+,Ce3+纳米粒子应用于灵敏的测温技术,其最大绝对灵敏度高达0.0350K-1㊂2㊀实㊀㊀验2.1㊀试剂与仪器氯化钇(YCl3㊃6H2O)㊁氯化镱(YbCl3㊃6H2O)㊁氯化铥(TmCl3㊃6H2O)㊁氯化铈(CeCl3㊃7H2O)㊁油酸(OA)㊁一-十八烯(ODE),均为分析㊀第11期㊀㊀蒙铭周,等:Ce3+掺杂对NaYF4ʒYb3+,Tm3+纳米粒子上转换发光性能的影响及其荧光温度特性应用1765㊀纯(AR),阿拉丁化学试剂有限公司;氢氧化钠(NaOH)㊁氟化铵(NH4F)㊁无水甲醇㊁无水乙醇㊁环己烷,均为分析纯(AR),西陇化工股份有限公司;高纯氩气(99.999%),桂林弘润气体㊂通过X射线粉末衍射仪(X Pert-pro,荷兰帕纳科计分析仪器公司)表征上转换发光纳米粒子的晶相结构;场发射透射电子显微镜(TEM)(JSF 2100F,日本高新技术公司/英国牛津)表征纳米粒子的形貌;粒度与Zeta电位分析仪(ZEN3600,英国马尔文公司)表征粒径大小;VARIAN荧光分光光度仪(美国安捷伦公司)表征纳米子的荧光强度;QuantaMater8000瞬态稳态荧光光谱仪(美国HORIBA公司)表征荧光寿命和变温荧光㊂2.2㊀样品制备将含YCl3㊃6H2O㊁YbCl3㊃6H2O㊁TmCl3㊃6H2O㊁CeCl3㊃7H2O不同比例㊁总稀土离子含量为0.5mmol的水溶液(1mL)加入到50mL烧瓶中,在磁力搅拌器的作用下,搅拌蒸发溶液中的水分;待水分完全蒸发后,先后加入3.75mL油酸(OA)和7.5mL1-十八烯(ODE),并在氩气保护下使混合物加热至120ħ,保持30min,以除去OA和ODE中的水分㊂升高体系的温度到160ħ,反应60min后自然冷却到室温㊂在剧烈搅拌下,逐滴加入5mL含1.25mmol NaOH和2mmol NH4F 的甲醇溶液,并在室温下剧烈搅拌30min;随后在通入保护气的条件下升高体系温度到100ħ,除去反应混合液中的甲醇溶液㊂最后,待甲醇除干净后,在氩气保护下将温度迅速升温至300ħ,且保持90min,反应结束后停止加热㊂待反应体系自然冷却到室温后,用过量的无水乙醇沉淀产物,并用无水乙醇㊁环己烷的混合溶液对产物进行多次洗涤㊂最后将反应产物在常温下真空干燥24 h,即得到β-NaYF4ʒYb3+,Tm3+,Ce3+纳米粒子㊂3㊀结果与讨论3.1㊀结构表征掺杂不同Ce3+含量的NaYF4ʒ18%Yb3+, 0.5%Tm3+纳米粒子样品经过干燥后,对其进行X射线衍射(XRD)表征,通过表征图(图1(a))可以看出所有样品的衍射位置很好地对应标准JDPDS卡片No.28-1192中的各个衍射峰位置㊂在基质NaYF4中掺入Ce3+,既不会产生任何NaYF4新峰,也不会破坏任何现有的NaYF4衍射峰,这证明得到的是纯β相的NaYF4㊂图1㊀(a)Ce3+掺杂(0.1%/0.2%/0.3%/0.4%/0.5%)NaYF4ʒ18%Yb3+,0.5%Tm3+(Ⅱ㊁Ⅲ㊁Ⅳ㊁Ⅴ㊁Ⅵ)和无Ce3+掺杂NaYF4ʒ18%Yb3+,0.5%Tm3+(Ⅰ)纳米粒子的XRD图,(100)㊁(110)㊁(101)㊁(201)㊁(211)晶面对应衍射峰在图中标注;(b)放大不同Ce3+浓度的纳米粒子(201)晶面的XRD图谱㊂Fig.1㊀(a)XRD patterns of Ce3+-doped(0.1%/0.2%/0.3%/0.4%/0.5%)NaYF4ʒ18%Yb3+,0.5%Tm3+(Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ,Ⅵ)and Ce3+-free NaYF4ʒ18%Yb3+,0.5%Tm3+(Ⅰ)nanoparticles,the corresponding diffraction peaks of (100),(110),(101),(201),(211)crystal planes are indicated.(b)X-ray diffraction patterns of(201)nanoparti-cle with different Ce3+concentration.为了更深入验证Ce3+是否成功掺入β-NaYF4ʒYb3+,Tm3+纳米粒子的基质晶格中,我们选取(201)晶面对应的衍射角进行局部放大,如图1(b)所示㊂根据布拉格方程2d sinθ=kλ[23],其中d为晶面间距,θ为衍射角,k为正整数,λ为X射线的波长㊂掺杂Ce3+后,(201)晶面对应的衍射角向小角度偏移,即衍射角θ比不掺Ce3+的要小,而k和λ不变,因此d值变大,这说明晶格1766㊀发㊀㊀光㊀㊀学㊀㊀报第42卷发生膨胀㊂由于Ce3+的半径(102pm)大于Y3+的半径(90pm),因此进一步证明了纳米粒子(201)晶面间距变大是由于Ce3+(10个配位数)被成功掺进基质晶格中取代了Y3+(8个配位数)的位置㊂一个Ce3+的掺入会引起两个空位的形成,进而导致晶格收缩,使得发光中心Tm3+附近晶体场的对称性遭到破坏,提高了宇称禁阻4f-4f 的跃迁几率[24-25],使得上转换发光明显增强㊂此外,Ce3+的半径(102pm)大于Tm3+的半径(88pm),当掺入的离子比发光中心离子大时, Yb3+与Ce3+距离更近,促使Yb3+与Ce3+能级结合形成新的能级,把能量传递给Tm3+激发态1G4,发出475nm的蓝色荧光,增强了蓝光强度㊂3.2㊀形貌表征图2(a)是NaYF4ʒ18%Yb3+,0.5%Tm3+, 0.2%Ce3+样品的透射电镜图,可以看出纳米粒子排列有序㊁尺寸分布均匀,无团聚现象,形貌近似呈六方结构㊂其他掺杂比例的样品大小和均匀情况与之类似㊂NaYF4的高分辨TEM图像(图2(b))图2㊀(a)NaYF4ʒ18%Yb3+,0.5%Tm3+,0.2%Ce3+LR-TEM;(b)HR-TEM;(c)DLS图㊂Fig.2㊀LR-TEM(a),HR-TEM(b)and DLS(c)of NaYF4ʒ18%Yb3+,0.5%Tm3+,0.2%Ce3+.显示其晶面间距为0.28nm,对应NaYF4的(110)晶面,表明合成的纳米粒子结晶性良好㊂粒度与Zeta电位分析仪表征的NaYF4纳米粒子样品的粒径分布如图2(c)所示,可以看出样品的水合动力学直径d=(29.5ʃ1.46)nm,粒径较小㊂根据Debye-Scheller公式[26],d=KλB M cosθ, NaYF4纳米颗粒的粒径可由XRD最强衍射峰的半峰宽计算,其中K=0.89为Scherrer常数,λ= 0.154056nm为Cu Kα射线的波长,B M是衍射峰的半峰宽,θ是最大衍射峰对应的布拉格角㊂由此估算出平均晶体尺寸为28~32nm,进一步表明与粒径分析仪测得的粒径一致㊂图3是上转换纳米粒子的TEM能谱图,从图中清晰地看出F㊁Y㊁Yb㊁Tm㊁Ce各掺杂元素的面扫描分布,可知各元素分布都很均匀,这再次表明成功合成了Ce3+掺杂NaYF4ʒYb3+,Tm3+上转换纳米粒子㊂图3㊀NaYF4ʒ18%Yb3+,0.5%Tm3+,0.2%Ce3+的TEM 及其面扫描图Fig.3㊀NaYF4ʒ18%Yb3+,0.5%Tm3+,0.2%Ce3+TEM and its surface scan3.3㊀荧光光谱分析在980nm近红外光激发下测定了NaYF4ʒ18%Yb3+,0.5%Tm3+,x%Ce3+的荧光光谱,从图4中可以看出合成的纳米粒子发射出强烈的蓝光和紫外光,发射峰主要集中在362,451,475, 646,700nm附近,分别对应1D2ң3H6㊁1D2ң3F4㊁1G4ң3H6㊁1G4ң3F4和3F3ң3H6㊂为了实现多光子上转换发射,我们根据文献[27]报道的18% Yb3+和0.5%Tm3+的比例合成该纳米粒子,另外通过掺杂不同含量的Ce3+发现荧光强度明显增强㊂当掺入Ce3+含量由0升至0.2%时,荧光强㊀第11期㊀㊀蒙铭周,等:Ce 3+掺杂对NaYF 4ʒYb 3+,Tm 3+纳米粒子上转换发光性能的影响及其荧光温度特性应用1767㊀度随着掺入量增大而明显增强;当Ce 3+含量继续增加时,荧光强度逐渐减弱;当Ce 3+含量为0.2%时,荧光强度最强,比不掺Ce 3+增强5倍左右;特别是在可见光475nm (1G 4ң3H 6)波段出现强烈的蓝光,比不掺Ce 3+增强高达6倍左右㊂并且从图中可以看出475nm 蓝光很强,为其应用于荧光成像奠定了基础㊂图4㊀不同Ce 3+含量掺杂的NaYF 4ʒYb 3+,Tm 3+,Ce 3+(18%,0.5%,x %)(x =0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)荧光光谱,插图为上转换荧光积分强度之和随Ce 3+掺杂浓度的变化(激光器:980nm,功率密度:7.5W /cm 2)㊂Fig.4㊀Fluorescence spectra of NaYF 4ʒYb3+,Tm3+,Ce3+(18%,0.5%,x %)(x =0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)doped with different Ce3+content,the illustrationshows the change of the sum of upconversion fluores-cence integral intensity with Ce 3+doping concentra-tion(laser:980nm,power density:7.5W /cm 2)3.4㊀荧光寿命分析为了进一步研究掺杂Ce 3+对上转换荧光增强原理,以475nm 发射波长为例,在室温下通过980nm 激光器测量不同Ce 3+浓度的NaYF 4ʒYb 3+,Tm 3+纳米粒子的荧光寿命㊂从图5可以看出,随着Ce 3+掺杂浓度由0%增加至0.2%,发光中心Tm 3+中1G 4能级的寿命由0.72ms 增加到0.76ms;而当Ce 3+浓度继续增加时,寿命明显降低㊂根据荧光寿命公式[28]τ=1k =1k F + k i,其中k F 表示荧光发射速率的衰减常数,ki表示各种辐射过程的衰减常数㊂由于Ce 3+掺杂增加了稀土离子4f-4f 间的跃迁几率,因此使非辐射跃迁得到有效抑制,从而使ki减小,荧光寿命增加㊂这表明Ce 3+掺杂的NaYF 4ʒYb 3+,Tm 3+相对于没有Ce 3+掺杂的NaYF 4ʒYb 3+,Tm 3+纳米粒子来说,Tm 3+的1G 4能级上的电子有更大的几率发射辐射跃迁,从而产生更强的发射荧光㊂然而,当Ce 3+含量从0.2%增加到0.5%时,荧光寿命缩短,表明Ce 3+浓度猝灭,导致非辐射弛豫增加,荧光寿命缩短㊂图5㊀不同Ce 3+含量掺杂的NaYF 4ʒYb 3+,Tm 3+在475nm发射波长处的上转换荧光衰减曲线(激光器:980nm,功率密度:4W /cm 2)Fig.5㊀Upconversion fluorescence decay curves of NaYF 4ʒYb 3+,Tm 3+doped with different Ce 3+contents at475nm emission wavelength(laser:980nm,power density:4W /cm 2)目前,生物示踪㊁荧光标记㊁细胞成像等方面紧紧依靠于可见光来辨别目标部位㊂对于NaYF 4ʒYb 3+,Tm 3+纳米粒子而言,特别需要依靠475nm 处的可见光,而本课题组研制出的0.2%Ce 3+掺杂的NaYF 4ʒYb 3+,Tm 3+(18/0.5%),其发射波长在475nm 处,不仅达到荧光最强,而且荧光寿命也最长㊂3.5㊀基于荧光强度比的测温荧光峰值强度比(FIR)测温技术需满足两个条件,其一是辐射跃迁的荧光强度足够大,足以避免光学噪音对测温的影响;其二是两个能级向下跃迁的荧光强度变化趋势相反,且它们之间的能级差大约为200~2000cm -1[34-35]之间㊂我们结合图6和图7可以看出,646nm 和800nm 的荧光强度随着温度的升高逐渐降低,700nm 的荧光强度随温度的升高而增大㊂且通过计算可知,Tm 3+发光中心波长646nm 和800nm 与700nm 的能级差分别为1255cm -1和1790cm -1,均符合热耦合能级的要求㊂这表明Ce 3+㊁Tm 3+㊁Yb 3+三掺杂的NaYF 4纳米粒子可用于灵敏测温㊂1768㊀发㊀㊀光㊀㊀学㊀㊀报第42卷表1 不同样品的灵敏度对比Tab.1㊀Sensitivity comparison of different samples材料㊀㊀辐射跃迁绝对灵敏度/K -1测温范围/K参考文献NaYF 4ʒYb 3+/Tm 3+/Ce 3+1G 4ң3F 4,3F 3ң3H 60.0350300~495本文α-NaYF 4ʒYb 3+/Tm 3+@CaF 23H 4(α),3H 4(β)ң3H 60.0043313~373[29]Y 2TiO 7ʒLi +/Yb 3+/Er 3+2H 11/2,4S 3/2ң4I 15/20.0067298~673[30]NaLuF 4ʒYb 3+/Er 3+/Tm 3+4F 9/2ң4I 15/2,3F 3ң3H 60.0076300~600[31]Gd 2O 3ʒYb 3+/Ho 3+5F 4,5S 2ң5I 80.0092300~673[32]NaLuF 4ʒYb 3+/Tm 3+1D 2,1G 4ң3H 60.0047300~550[33]图6㊀NaYF 4ʒYb 3+,Tm 3+,Ce 3+纳米晶在不同温度下的荧光光谱,插图为发射波长在300~750nm 的放大荧光光谱(激光器:980nm,功率密度:4W /cm 2)㊂Fig.6㊀Fluorescence spectra of NaYF 4ʒYb 3+,Tm 3+,Ce 3+nanocrystals at different temperatures,the illustra-tion shows the fluorescence spectra with emission wavelengths ranging from 300nm to 750nm (laser:980nm,power density:4W /cm 2)㊂根据两个热耦合能级的电子从高能级向低能级跃迁辐射的荧光强度比公式[36-41]ln R =-ΔEkT+ln C ,其中R 为荧光强度比,C =ω2A 20g 2ω1A 10g 1,ΔE 为能级差对应的能量,k 为玻尔兹曼常数,T 为开尔文温度㊂将700nm 与646nm 和700nm 与800nm 两对荧光强度比的对数与温度的倒数做线性拟合得到如图8,拟合结果良好,表明合成的纳米粒子在温度传感方面具有独特优势㊂根据灵敏度的数学定义可知[42-46],S A =d Rd T=R ΔE kT ,S R =1R d R d T ʈΔE kT 2,S A 为绝对灵敏度,S R 为相对灵敏度㊂拟合曲线如图9所示,可知在室温图7㊀不同发射波长峰位荧光强度随温度的变化Fig.7㊀Variation of fluorescence intensity at different emis-sion wavelengths with temperature至200ħ的测温范围内,Ce 3+掺杂的NaYF 4ʒYb 3+,Tm 3+纳米粒子在980nm 激光器的激发下应用于FIR 测温技术得到的绝对灵敏度曲线随着温度升高而单调递增,而相对灵敏度曲线随着温度升高而单调递减㊂这说明FIR 绝对增长速率越来越快,但同时FIR 也在变大,因此FIR 的相对变化越来越小,表明该能级更适用于较低温度的测量㊂但不同荧光峰位FIR 应用于测温,灵敏度各不相同㊂值得一提的是,由图9(a)可知3F 3ң3H 6(700nm)与1G 4ң3F 4(646nm)热耦合能级对的绝对灵敏度从0.0061K -1升至0.0350K -1,最大灵敏度高达0.0350K -1,比3F 3ң3H 6(700nm)㊀第11期㊀㊀蒙铭周,等:Ce 3+掺杂对NaYF 4ʒYb 3+,Tm 3+纳米粒子上转换发光性能的影响及其荧光温度特性应用1769㊀图8㊀(a)700nm 与646nm 的荧光强度峰值比与温度的线性拟合;(b)700nm 与800nm 的荧光强度峰值比与温度的线性拟合㊂Fig.8㊀(a)Linear fitting of fluorescence intensity peak ratio at 700nm and 646nm with temperature.(b)Linear fitting of the ra-tio of peak fluorescence intensity at 700nm to 800nm withtemperature.图9㊀(a)FIR 测温的绝对灵敏度曲线;(b)FIR 测温的相对灵敏度曲线㊂Fig.9㊀(a)Absolute sensitivity curve of FIR temperature measurement.(b)Relative sensitivity curve of FIR temperature meas-urement.与3H 4ң3H 6(800nm)能级对的绝对灵敏度高两个数量级,进一步说明700nm 与646nm 热耦合能级对更有应用优势㊂主要原因是Ce 3+掺杂的NaYF 4ʒYb 3+,Tm 3+纳米粒子非辐射跃迁减少,导致上能级与下能级粒子数之比增大,从而使得向下辐射的上转换荧光强度比增大,这不仅可以带来更大的测温灵敏度,还能带来更好的测试分辨率㊂在现代生产生活中,测温具有很大的应用前景㊂3.6㊀机理分析3.6.1㊀多光子发射机理分析在980nm 低功率激光器激发下,可以清晰地看出Ce 3+掺杂的NaYF 4ʒYb 3+,Tm 3+纳米粒子发出明亮的上转换发光㊂但这种发光不仅仅可以通过直观的可见光发光证实,更重要的是,可以通过相关的功率依赖关系证明这种上转换发光是一种非线性多光子发光过程㊂根据发光强度(I UC )与980nm 激光功率密度(P NIR )的关系可知,I UC ɖP n NIR[47],即I UC 与P NIR 的n 次方成正比,其中n 代表的是上转换UC 发光过程发射一个光子需要吸收980nm 近红外光的光子数㊂1I 6ң3H 6㊁1D 2ң3H 6㊁1D 2ң3F 4㊁1G 4ң3H 6和1G 4ң3F 4的荧光强度与功率密度依赖关系如图10所示㊂通过线性拟合结果可知,1I 6ң3H 6能级跃迁的n 值为4.39,表明该能级为五光子吸收过程;1D 2ң3H 6㊁1D 2ң3F 4能级跃迁n 值分别为3.72和3.14,表明该能级为四子吸收过程;1G 4ң3H 6能级跃迁的n 值为2.82,表明该能级为三光子吸收过程;1G 4ң3F 4能级跃迁的n 值为1.83,表明该能级为双光子吸收过程㊂这些跃迁过程涉及多光子吸收均与Yb 3+ңTm 3+能量传递涉及的多光子数目相同㊂NaYF 4ʒYb 3+,Tm 3+,Ce 3+纳米粒子中,NaYF 4作为基质,Yb 3+作为敏化剂,Tm 3+作为激活剂㊂1770㊀发㊀㊀光㊀㊀学㊀㊀报第42卷图10㊀在980nm 激发下,NaYF 4ʒYb3+,Tm3+,Ce3+的上转换发射强度与激发光功率密度的双对数关系㊂Fig.10㊀Double logarithm relationship between upconversionemission intensity and excitation light power density of NaYF 4ʒYb 3+,Tm 3+,Ce 3+excited at 980nm图11㊀(a)980nm 激光激发下的NaYF 4ʒYb 3+,Tm 3+,Ce 3+纳米粒子上转换发射原理图;(b)纳米粒子的能量转移机制示意图㊂Fig.11㊀(a)NaYF 4ʒYb 3+,Tm 3+,Ce 3+nanoparticle upcon-version emission principle diagram under 980nm la-ser excitation.(b)Schematic diagram of the energytransfer mechanism of nanoparticles.980nm 激光与Yb 3+中2F 7/2与2F 5/2的能级差能量吻合,在980nm 激光的激发下,Yb 3+粒子吸收激光能量后,从基态2F 7/2能级跃迁到激发态2F 5/2能级,由于激发态不稳定,很容易跃迁回到基态2F 7/2,在该过程能量以光子的形式释放出去,释放出去的能量传递给Tm 3+,使得Tm 3+中产生3H 6ң3H 5㊁3F 4ң3F 3㊁3H 4ң1G 4㊁1G 4ң1D 2和1D 2ң3P 2能级跃迁[48]㊂在传统方法不掺入Ce 3+时,发光中心Tm 3+绝大多数电子吸收两个光子跃迁到3F 3后以光子的形式辐射回到基态,只有少数电子继续往上跃迁㊂当掺入Ce 3+后,Tm 3+中(3F 3,3H 4)与Ce 3+中(2F 2/7,2F 2/5)发生交叉弛豫㊂从图11我们可以看出,交叉弛豫过程(3F 3,3H 4)ң(2F 2/7,2F 2/5),使更多的电子布居在3H 4能级中,有效地防止了电子跃迁回到基态,从而使更多的电子向更高的能级跃迁,使得三光子㊁四光子㊁五光子跃迁几率大大增加㊂进一步说,由于发光中心Tm 3+-Tm 3+容易发生交叉弛豫,产生非辐射跃迁,导致荧光降低[49]㊂Ce 3+的掺入既减少了Tm 3+之间的交叉弛豫,又能有效地增加辐射跃迁㊂当Ce 3+含量大于0.2%时,Ce 3+的掺入量较大,过量的Ce 3+阻断了敏化剂离子把能量传递给激活剂离子的过程,造成Tm 3+不能很好地与Yb 3+配位,使得Yb 3+吸收980nm 红外光后不能有效地传递给Tm 3+,从而导致发光效率低㊂然而,当掺杂量为0.2%时,Ce 3+的掺入恰好与Tm 3+匹配,没有多余的Ce 3+,也不会因为掺杂量过多导致Ce 3+没有完全进入晶格而形成的杂质㊂因此,Ce 3+掺杂量为0.2%时,结晶度最好㊂且结合图4不同Ce 3+含量掺杂的荧光光谱可以看到,Ce 3+掺杂量为0.2%时,发光效率最高㊂3.6.2㊀强蓝光机理分析结合图4,我们可以看出NaYF 4ʒ18%Yb 3+,0.5%Tm 3+,0.2%Ce 3+中1G 4ң3H 6(475nm)对应的峰非常尖锐㊂从图12原理图可以看出,这是由于掺入稀土Ce 3+后,在980nm 激光的激发下,Yb 3+中4f 层中的电子吸收能量后,由2F 7/2基态跃迁到2F 5/2激发态,Ce 3+中4f 层的电子吸收能量后,由2F 5/2跃迁到2F 7/2㊂两个同处激发态且距离相近的Yb 3+合作跃迁形成(Yb 3+-Yb 3+)dimers [50-52],再与处于激发态的Ce 3+形成(Yb 3+-Yb 3+-Ce 3+)Trimers㊂两个Yb 3+能级差约为20800cm -1,一个Ce 3+能级差约为2257cm -1,即(Yb 3+-Yb 3+-Ce 3+)Trimers 能级差约为23057cm -1[53],而一个Tm 3+激发态1G 4与基态的能级差为21172cm -1㊂由于(Yb 3+-Yb 3+-Ce 3+)Trimers 能级与Tm 3+的1G 4㊀第11期㊀㊀蒙铭周,等:Ce3+掺杂对NaYF4ʒYb3+,Tm3+纳米粒子上转换发光性能的影响及其荧光温度特性应用1771㊀能级非常匹配,因此(Yb3+-Yb3+-Ce3+)Trimers把能量传递给Tm3+,基态3H6吸收该能量后跃迁到激发态1G4,由于1G4能级非常不稳定,很容易往低能级跃迁回到基态(1G4ң3H6)发出相应的荧光,该荧光刚好对应荧光光谱中475nm波段的蓝光,从而使得蓝光大大增强㊂图12㊀980nm激光激发下的上转换纳米粒子发射强蓝光(475nm)机理示意图Fig.12㊀Mechanism of strong blue light(475nm)emitted by upconversion nanoparticles excited by980nm laser 4㊀结㊀㊀论本文采用溶剂热法制备出高荧光强度㊁长寿命蓝光发射的NaYF4ʒYb3+,Tm3+,Ce3+上转换纳米粒子㊂通过TEM和XRD对其形貌和结晶度进行分析,结果表明我们制备的纳米粒子呈六方相结构,分布均匀且结晶度良好㊂通过瞬态稳态荧光光谱仪对其荧光寿命进行分析,结果表明当Ce3+含量为0.2%时,475nm可见光对应的荧光寿命最长㊂在探究不同Ce3+百分比对荧光的影响时,通过荧光分光光度计对其表征分析,结果表明,掺杂Ce3+比不掺时荧光强度明显增大,当Ce3+含量为0.2%时,荧光最强,比不掺Ce3+增强了5倍左右㊂我们对此进行了机理分析,一方面,掺杂Ce3+后,Tm3+中(3F3,3H4)与Ce3+中(2F7/2,2F5/2)发生交叉弛豫,使更多电子布居在3H4能级中,有效地防止了电子跃迁回到基态,以致整体荧光明显增强;另一方面,当掺入Ce3+后,(Yb3+-Yb3+)dimers 会与Ce3+形成(Yb3+-Yb3+-Ce3+)Trimers,它与激活剂Tm3+的激发态1G4能级非常匹配,吸收能量后跃迁回到基态,发出475nm的蓝光,导致蓝色荧光增强㊂通过FIR测温的对比分析可知,700nm (3F3ң3H6)与646nm(1G4ң3F4)热耦合能级对的绝对灵敏度高达0.0350K-1㊂综上所述,我们制备出的上转换纳米粒子在测温以及生物成像领域均具有很大的应用价值㊂本文专家审稿意见及作者回复内容的下载地址: /thesisDetails#10.37188/ CJL.20210227.参㊀考㊀文㊀献:[1]AUZEL F.Upconversion and anti-stokes processes with f and d ions in solids[J].Chem.Rev.,2004,104(1):139-174.[2]DONG H,SUN L D,YAN C H.Energy transfer in lanthanide upconversion studies for extended optical applications[J].Chem.Soc.Rev.,2015,44(6):1608-1634.[3]WU M,YAN L,WANG T,et al.Controlling red color-based multicolor upconversion through selective photon blocking[J].Adv.Funct.Mater.,2019,29(25):1804160-1-11.[4]OU J,ZHENG W H,XIAO Z Y,et al.Core-shell materials bearing iron(Ⅱ)carbonyl units and their CO-release via anupconversion process[J].J.Mater.Chem.B,2017,5(41):8161-8168.[5]WANG Y,GAI S L,NIU N,et al.Synthesis of NaYF4microcrystals with different morphologies and enhanced up-conver-sion luminescence properties[J].Phys.Chem.Chem.Phys.,2013,15(39):16795-16805.[6]LEI L,CHEN D Q,XU J,et al.Highly intensified upconversion 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