（分析化学专业论文）稀土氟化物荧光纳米粒子的制备及其表面修饰.pdf

【r i - ad i s s e r t a t i o n s y n t h e s i s ， ， 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研 究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研 究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：独泽雨 日期：2 0 0o o 2 、矽 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文 的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： l t ， 东北大学硕士学位论文摘要 稀土氟化物荧光纳米粒子的制备及其表面修饰 摘要 与传统的荧光探针相比，稀土纳米粒子具有荧光发射强度大、发射谱线峰窄、荧光 寿命长、化学性质稳定、无毒等优点。基于此种状况，本项工作研究稀土荧光纳米粒子 的合成及其表面修饰，并对合成和修饰的产物进行表征。 用水相法合成了l a f 3 ：e u 荧光纳米粒子，考察了实验条件对产物荧光性能的影响， 用红外光谱和x r d 对合成粒子进行表征。在此实验基础上，用比较温和的实验条件合 成了n a g d f 4 ：e u 荧光纳米粒子，考察了实验条件对产物性能的影响，用x r d 和t e m 对合成粒子进行了表征。最后对合成的n a g d f 4 ：e u 荧光纳米粒子进行表面修饰，包覆 s i 0 2 。 研究表明，合成荧光纳米粒子l a f 3 ：e u 的最佳条件是：反应温度7 5 ，反应时 间2h ，稀土离子( l a 3 + 和e u 3 + ) 总浓度0 0 5m o l l ，溶液p h = 1 0 0 ，e u 3 + 掺杂量 ( 掺杂量是指e u 3 + 的摩尔数占稀土离子总摩尔数的值) 为3 0 ，反应物稀土离子( l a 3 + 和e u ”) 总量、柠檬酸钠和n a f 的摩尔比为4 ：5 ：9 。对合成的粒子进行表征，表明水 相法合成了结晶度较好、晶粒度为7 7n l n 、表面包被有柠檬酸的l a f 3 ：e u 荧光纳 米粒子。 通过实验确定了合成荧光纳米粒子n a g d f 4 ：e u 的最佳条件：反应时间2h ，稀土 离子( g d 3 + 和e u 3 + ) 总浓度o 0 5m o l l ，e u 3 + 掺杂量为3 0 。对合成的粒子进行表 征，表明合成的n a g d f 4 ：e u 荧光纳米粒子结晶度较好，晶粒度为1 0n m 。 对荧光纳米粒子n a g d f 4 ：e u 进行表面修饰，包覆的最佳条件是：以乙醇为反应溶剂， 反应时间lh 。粒度分布测定和红外光谱表明，在n a g d f 4 ：e u 粒子表面成功包覆了s i 0 2 。 关键词：l a f 3 ：e u ：n a g d f 4 ：e u ；荧光纳米粒子；包覆：s i 0 2 i i - ， 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t s y n t h e s i sa n ds u r f a c em o d i f i c a t i o no f r a r ee a r t hf l u o r i d e f l u o r e s c e n tn a n o p a r t i c l e s a bs t r a c t c o m p a r e d 谢mt r a d i t i o n a lf l u o r e s c e n c ep r o b e ，r a r ee a l t hf l u o r i d ef l u o r e s c e n tn a n o p a r t i c l e s h a v et h ea d v a n t a g e so fl a r g es t o k e ss h i f t ，h i g hf l u o r e s c e n c ee m i s s i o ni n t e n s i t y , l o n g f l u o r e s c e n c el i f e t i m e , s t e a d yc h e m i s t r yp r o p e r t y , n o n t o x i ca n ds oo n i nt h i sp a p e r , t h e s y n t h e s i sa n ds u r f a c em o d i f i c a t i o no fr a r ee a r t h f l u o r i d ef l u o r e s c e n tn a n o p a r t i c l e sw e r e s t u d i e d ，a n dt h es y n t h e s i z e dp r o d u c t sw e r ec h a r a c t e r i z e d l a f 3 ：e uf l u o r e s c e n tn a n o p a r t i c l e sw e r es y n t h e s i z e da q u e o u s l y e f f e c to nt h ep r o d u c t p r o p e r t yw a si n s p e c t e d a n dt h ef l u o r e s c e n tn a n o p a r t i c l e sw e r ec h a r a c t e r i z e db yf l u o r o m e t e r , i ra n dx r d b a s e do nt h i s ，n a g d f 4 ：e uf l u o r e s c e n tn a n o p a r t i e l e sw e r es y n t h e s i z e db ya g e n t l em e t h o d a tt h es a m et i m e , e f f e c to nt h ep r o d u c tp r o p e r t yw a si n s p e c t e d a n dt h e f l u o r e s c e n t n a n o p a r t i c l e sw e r ec h a r a c t e r i z e db yx r da n dt e m f i n a l l y , t h es u r f a c eo f n a g d f 4 ：e uf l u o r e s c e n tn a n o p a r t i c l e sw a sm o d i f i e dw i t hs i 0 2 t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h eo p t i m u mc o n d i t i o n so fs y n t h e s i so fl a f 3 ：e u f l u o r e s c e n tn a n o p a r t i c l e sw e r e 鹄f o l l o w s ：r e a c t i o nt e m p e r a t u r eo f 7 5 ；r e a c t i o nt i m eo f2h ； t o t a lc o n c e n t r a t i o no fr a r ee a r t hi o n ( l a 3 + a n de u 3 + ) o f0 0 5m o l l ；s o l u t i o np ho f10 o ；e u 3 + d o p e dc o n t e n t ( t h ed o p e dc o n t e n ti st h er a t eo fe u 3 + m o li nt h et o t a lm o lo fr a r ee a r t hi o n ) o f 3 0 ；t h em e lr a t i oo ft o t a lc o n t e n to fr a r ee a r t hi o n , c i t r a t ea n dn a fo f4 ：5 ：9 t h ex r da n d i rc h a r a c t e r i z a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tl a f 3 ：e uf l u o r e s c e n tn a n o p a r t i c l e ss y n t h e s i z e db yt h e m e t h o dh a dg o o dc r y s t a l l i z a t i o n , w h o s ea v e r a g ep a r t i c l es i z ew a s7 7n m , a n dw h o s es u r f a c e w a sm o d i f i e dw i t hc i t r i ca c i d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h eo p t i m u mc o n d i t i o n sf o rs y n t h e s i so f n a g 呔：e u f l u o r e s c e n tn a n o p a r t i c l e sw e r e 弱f o l l o w s ：r e a c t i o nt i m eo f2h ；t o t a lc o n c e n t r a t i o no fr a r e e a r t hi o n ( o d 3 + a n de u 3 + ) o f0 0 5m o l l ；e u 3 + d o p e dc o n t e n to f3 0 t h ex r da n dt e m c h a r a c t e r i z a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec r y s t a l l i z a t i o nw a sg o o d ，a n dt h ea v e r a g ep a r t i c l es i z e w a s1 0n l n t h es u r f a c eo fn a g d f 4 ：e uf l u o r e s c e n c en a n o p a r t i c l e sw a sm o d i f i e dw i t hs i 0 2 t h e o p t i m u mc o n d i t i o n sf o rs b r f a c em o d i f i c a t i o nw e r ea sf o l l o w s ：t h es o l v e n to fa n h y d r o u s h i j 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l c o h o l ，a n dr e a c t i o nt i m eo f1h t h es i z ed i s t r i b u t i o na n di rc h a r a e t e r i z a t i o ni n d i c a t e dt h a t n a g d f 4 ：e uf l u o r e s c e n tn a n o p a r t i c l e sh a db e e nm o d i f i e dw i ls i 0 2s u c c e s s f u l l y k e yw o r d s ：l a f a ：e u ；n a g d f 4 ：e u ；f l u o r e s c e n tn a n o p a r t i c l e s ；s u r f a c em o d i f i c a t i o n ；s i 0 2 i v ， ， 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 目录。v 第一章绪论l 1 1 纳米材料1 1 1 1 纳米材料的性质和应用l 1 1 2 纳米材料的表征1 1 2 生物分子的标记和生物组织的成像研究3 1 3 稀土发光材料6 1 4 稀土纳米粒子的制备及在生物分析中的应用6 1 4 1 稀土纳米粒子的制备6 1 4 2 稀土纳米粒子的表面修饰8 1 4 3 稀土纳米粒子在生物分析中的应用9 1 5 本论文的意义及内容。1 2 第二章l a f 3 ：e u 荧光纳米粒子的合成及表征l3 2 1 仪器与试剂13 2 1 1 仪器和试剂13 2 1 2 主要试剂的制备1 3 2 2 实验方法1 4 2 2 1l a f 3 ：e u 荧光纳米粒子的制备1 4 2 2 2l a f 3 ：e u 粒子的荧光测定及表征1 4 2 3 结果与讨论1 5 2 3 1 合成原理1 5 2 3 2 反应条件的优化15 2 3 3 合成荧光纳米粒子的x r d 谱图2 5 2 3 4 合成荧光纳米粒子的红外光谱2 6 2 4 本章小结2 7 第三章n a g d f a ：e u 荧光纳米粒子的合成及表征2 8 3 1 仪器与试剂2 8 弘 东北大学硕士学位论文 目录 3 1 1 仪器和试剂2 8 3 1 2 主要试剂的制备。2 8 3 2 实验方法2 8 3 2 1n a g d f 4 ：e u 荧光纳米粒子的制备2 8 3 2 2n a g d f 4 ：e u 荧光纳米粒子的表征。2 9 3 3 结果讨论2 9 3 3 1 反应时间对产物荧光性能的影响2 9 3 3 2 稀土离子浓度对产物荧光性能的影响3 0 r 3 3 3e u 3 十掺杂量对产物荧光性能的影响。3 1 3 3 4n a g d f 4 ：e u 粉体和溶液的荧光谱图3 2 3 3 5 量子产率的计算。3 3 3 3 6n a g d f 4 ：e u 荧光纳米粒子的x r d 表征3 4 3 3 7n a g d f 4 ：e u 荧光纳米粒子的t e m 表征3 5 3 4 本章小结3 5 第四章s i 0 2 包覆n a g d f 4 ：e u 荧光纳米粒子3 6 4 1 仪器与试剂3 6 4 2 实验方法3 6 4 3 结果与讨论3 6 4 3 1 包覆原理3 6 4 3 2 反应溶剂的选择3 7 4 3 3 反应时间的选择3 9 4 3 4t e o s 加入量的选择4 0 4 3 5 包覆s i 0 2 后n a g d f 4 ：e u 粒子的粒度分布4 1 4 3 6 核壳结构n a g d f 4 ：e u s i o - 2 的红外表征4 2 4 4 本章小结4 3 ， 第五章结论4 5 参考文献4 6 j 【谢51 纳米材料，通常是指晶粒尺寸为纳米级( 1 0 习m ) 的超细材料。其尺寸介于分子、 原子与块状材料之间，通常泛指1 - 1 0 0n 1 1 1 范围内的微小固体粉末。纳米材料是一种既 不同于晶态，也不同于非晶态的第三类固体材料，它是以组成纳米材料的结构单元一晶 粒、非晶粒、分离的超微粒子等的尺度大小定义的。目前，国际上将处于1 - 1 0 0n l t l 尺 度范围内的超微颗粒及其致密的聚集体，以及由纳米微晶所构成的材料，统称为纳米材 料，包括金属、非金属、有机、无机和生物等多种粉末材料。它们是由2x1 0 6 个原子、 分子或离子构成的相对稳定的集合，其物理和化学性质随着包含的粒子数目与种类而变 化。 纳米微粒具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、介电限域效应和宏观量子隧 道效应等性质，这些性质使它们在磁、光、电等方面呈现常规材料不具备的特性。因此 纳米微粒在磁性材料、电子材料、光学材料、高致密度材料的烧结、催化方面、陶瓷增 韧、以及生物医药环境等方面均有广阔的应用前景。比如，纳米粒子在生物和医学上的 应用，纳米材料的尺寸一般比生物体内的细胞、红血球小的多，这就为生物学研究提供 了一个新的研究途径，即利用纳米微粒进行细胞分离、细胞染色及利用纳米微粒制成特 殊药物或新型的抗体进行局部定向治疗等。关于这方面的研究现在还处于初级阶段，但 是却有广阔的应用前景，例如将磁性纳米粒子作为药物载体注入生物体内治疗疾病等。 现在关于纳米材料的研究不仅在纳米材料的制备、表征、性能测试和加工等方面取 得了许多成果，而且其应用领域也不断扩大，纳米材料从昔日高科技的研究热点，逐渐 进入人们的生活，渗透到衣食住行中。 1 1 2 纳米材料的表征 ( 1 ) x 射线衍射( x 】m ) x 射线衍射法是目前测定晶体结构的重要手段，应用极为广泛。各种晶体结构、结 晶的程度和颗粒的大小都可用x 射线衍射法来测定。下面简单介绍其基本原理： 当x 射线照射晶体时，大部分射线将穿透晶体，极少量射线产生反射，一部分被晶 体吸收。由于x 射线是一种能量高、波长短、穿透力强的电磁波，它在晶体内会产生周 l - 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 期性变化的电磁场，迫使原子中电子也做周期性振动，因此每个振动着的电子就成为一 个新的电磁波发射源，以球面波方式发射出与入射光波长、频率、周期相同的电磁波。 由于晶体中原子散射的电磁波相互干涉和叠加，在某个方向上产生加强和抵消的现象就 称之为衍射，相应的方向称为衍射方向，如图1 1 所示。用一定波长的射线照射晶体样 品，根据布拉格公式： l 2 2 d s i n 0 = a 入射朋t 囊 箍簟x 筹囊 二n驴二 图1 1x 射线衍射原理示意图 f i g 1 1s c h e m a t i ci m a g eo f m e c h a n i s mo f x - r a yi r r a d i a t i o n 通过测量掠射角0 ( 入射或者衍射x 射线与晶面间的夹角) ，即可计算出样品晶体 结构的晶面间距，这就是x 射线衍射分析晶体结构的依据。而在实际的测量过程中，一 般通过测试结果中的三强峰和标准卡片中的三强峰进行对比来确定材料的物相，还可以 通过s c h e r r e r 公式粗略计算出纳米材料的粒径。 ( 2 ) 透射电子显微镜( t e m ) 透射电子显微镜是以波长极短的电子束做辐射源，用电磁透镜聚焦成像的一种具有 高分辨、高放大倍数的电子光学仪器。它可以直接对纳米材料的形貌、结构进行观察， 获取直观的信息。电子衍射几何学与x 射线衍射完全一样，都遵循布拉格方程。其主要 区别在于电子波的波长短，因而受到物质的散射强，并且它使单晶的电子衍射谱和晶体 倒易点阵的二维截面完全相似，从而使晶体几何关系的研究变得较为简单。 透射电镜的工作原理主要是根据薄晶体透射电子显微学。当电子束在电场的加速作 用下投射到样品的表面时，如果样品足够薄，此时一部分电子束会穿过样品，形成透射 束，另一部分被晶体衍射后形成衍射束。此时如果利用透射束成像，得到的是明场像； 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 如果利用衍射束成像，得到的是暗场像。另外衍射束中还含有样品种类、结构等晶体学 信息，因此可以利用选区电子衍射( s a d e ) ，同时得到所选区域的晶体结构、取向以 及微观形貌。而通过高分辨透射电镜，可以进一步得到样品晶体结构、缺陷种类和分布 以及取向等信息。在实际测试过程中一般通过明场像得到样品的微观形貌。通过做 s a d e ，我们可以得到样品的衍射花样，根据电子衍射的几何关系就可以算出晶面间距 等信息，从而可以判断样品的晶体结构。电子衍射的几何关系式如下： r d = 三旯 式( 1 1 ) 式中，r 为底片中衍射斑点到中心透射斑点的距离，d 为晶面间距，l 为相机长度， 入为电子波长。通过做样品的高分辨像，一方面可以更清楚地观察样品中的缺陷，另一 方可以直接在高分辨像上计算晶面间距，并且可以观察到样品的结晶程度等信息。透射 电镜中经常会配有一些附件比如能量散射谱( e d x ) 等，可以在分析微观形貌、晶体学 信息的同时获得样品元素组成和含量的信息。 ( 3 ) 场发射扫描电镜( f e s e m ) 场发射扫描电镜是利用电子束从样品表面激发出各种物理信号( 主要是二次电子) 来实现成像，从而实现形貌的观察。其放大倍数远远超过了传统的光学显微镜，可从几 十倍到3 0 万倍左右。扫描电镜和透射电镜的主要区别是扫描电镜一般观察的是样品总 体、立体的形貌。另外，通过扫描电镜能量散射图谱可以测定样品的元素组成和分布。 ( 4 ) 荧光光谱( p l ) 当外界的光照射样品时，样品中的电子将从基态被激发到激发态，此时由于样品中 的电子被激发，处于激发态的电子会自发地从激发态跃迁至基态，并且将吸收的能量以 光的形式发射出来，通过测定发出光的波长和强度，就得到了样品的荧光谱图。通过荧 光的波长可以判断发射峰的能级情况，通过荧光的强度可以判断发光情况【1 1 。 1 2 生物分子的标记和生物组织的成像研究 抗体抗原反应解决了建立高灵敏度检测方法的亲和性和选择性后，还需要一种可 以与抗体或抗原相结合，又可以被相应的仪器所检测的物质，这就是标记物。应用在免 疫分析中的标记物要满足三个条件【2 - 刀： ( 1 ) 与抗体或抗原的结合要简单，最好有活性基团； ( 2 ) 结合后，标记物的化学性质不变； ( 3 ) 标记后，被标记物的物理性质和化学性质不能发生重大改变，水溶性及免疫 活性最好不受影响。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 一般标记物的设计多由三部分组成：( 1 ) 信号发生基团，( 2 ) 间隔基团， ( 3 ) 活性基团，如图1 2 所示【引。 譬g n a i - g r o a ps p c e r r e a c t i v eg r o u p ，j l 、， 、，j - ， s 叫- g r o m q b $ p e e rr e a d h eg p ，j - f 1 ， _ 1 c ， c j ， b 锄c | 图1 2 标记物的结构( a ) ，标记物b h h c t = e u 3 + 的结构式( b ) f i g 1 2s t r u c t u r eo f l a b e l ( a ) ，s l r u c t u r eo f ar e p r e s e n t a t i v ee uf l u o r e s c e n c ei a b e l - b h i - i c t - e u 3 + ( b ) ( 1 ) 信号发生基团 信号发生基团应该能够在合适的实验条件下，发出稳定的，可以被相应的仪器检测 到的信号( 例如：放射线、荧光、磷光或化学发光等等) 。 ( 2 ) 间隔基团 间隔基团主要由短的烷基链或基团( 包括芳香基团和脂肪基团) 组成。也可以加入 一些酰胺或醚桥以增加标记物在水中的溶解度。它的主要作用是在标记后保持信号发生 基团和所标记的抗体或抗原之间的距离。避免二者由于距离太近而引起信号发生基团对 生物分子活性的影响及生物分子对信号发生基团发光特征的影响。 ( 3 ) 活性基团 活性基团是标记物中可与生物分子结合的部分。虽然在肽化学中，利用活化的羧基 基团或氨基基团形成酰胺骨架的标记方法已经可以在温和的条件下，在水溶液中实现， 但设计、引入稳定的、重复性好的、能够在温和的条件下与生物分子相结合的活性基团， 一直是标记物化学中的难点。 目前常用的生物分子探针( 标记物) 多为放射性同位素、酶或底物、化学或生物发 光体系以及有机荧光染料等。在众多分析方法中，由于荧光分析的灵敏度高、选择性好， 因此对荧光检测方面的研究更是十分活跃。现常用于临床测定生物样品中某些重要成分 的含量，其中以蛋白质、核糖核酸( r n a ) 和脱氧核糖核酸( d n a ) 的测定更为重要。 但若直接用荧光光谱法对它们进行研究，在2 0 多种氨基酸中，只有色氨酸和苯丙氨酸 有天然荧光，另外碱基和核酸的荧光量子产率很低。因此检测它们的最好方法还是利用 4 _ 东北大学硕士学位论文第一章绪论 各种荧光探针。 目前，应用最为普遍的荧光探针是有机染料，在大多数情况下，由于它们的激发光 谱都比较窄，所以很难同时激发多种组分，而其荧光特征谱又较宽，并且分布不对称， 这又给区分不同探针分子的荧光带来困难，因此要同时检测多种组分较为困难。最严重 的缺陷还是光化学稳定性差，光漂白与光解产物又往往会对生物体产生杀伤作用。利用 纳米粒子作为荧光标记物就能较好地解决这些问题。与传统的荧光探针相比，纳米荧光 标记物的激发光谱范围宽，且连续分布，而发射光谱呈对称分布且宽度窄，光化学稳定 性好，不易光解。为了适应这种形势的要求，众多分析化学工作者正在不断努力开创着 新的方法和技术。其中，纳米尺寸荧光标记物的研究就是一个重要代表。 现在，最常用的纳米尺寸标记物有以下几种：胶体金标记物、量子点和稀土纳米粒 子等。 纳米尺寸标记物具有能够应用到生物和生物医药方面的潜力，特别是在细胞成像方 面具有很大的研究意义。在解决了纳米晶的表面功能化问题之后，荧光量子点能够用于 活体细胞的标记，1 9 9 8 年，a l i v i s a t o s 小组用量子点共价亲和素来标记细胞内的肌动纤 维蛋白，这个实验首次提出了用量子点作为探针对细胞内特定区域的识别，如图1 2 所 示。但是，在他们的实验中，量子点对于细胞标记的信号是非常弱的，并且量子点对核 膜存在着大量的非特异性的吸附【9 】o 图1 3 量子点标记细胞内的肌纤维蛋白 f i g 1 3c r o s ss e c t i o no fad u a l - l a b e l e ds a m p l ee x a m i n e d 谢t l lab i o - r a d10 2 4m r c l a s e r - s c a n n i n gc o n f o c a lm i c r o s c o p ew i t ha 4 0 xo i l1 3n u m e r i c a la p e r t u r e b a l l o u 1 0 】小组用荧光量子点进行了动物活体成像的实验，他们将不同发光颜色的量 子点连接上特定的生物素或免疫球蛋白，并注射到小鼠的体内，之后在鼠体内的特定位 置能够观察到荧光。由此进一步证明荧光量子点能够应用到活体内部检测。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 稀土发光材料 我国是世界稀土资源最丰富的国家。元素周期表中，从原子序数5 1 7 l 的1 5 个镧 系元素加上钪和钇共1 7 个稀土元素，无论它们被用作发光( 荧光) 材料的基质成分， 还是被用作激活剂、共激活剂、敏化剂或掺杂剂，一般统称为稀土发光材料或稀土荧光 材料。 稀土发光材料的优越性在于它特殊的光学性质，这主要归因于稀土离子有不完全充 满的4 f 电子层。对于稀土离子而言，其光谱特征表现为稀土族中间元素的发射与吸收 光谱形状主要是线状的，而两端元素( c e 、y b ) 则是连续的。在光谱的远紫外区所有 的稀土元素都有连续的吸收带，这对应于外层电子的跃迁。线状光谱是4 f 层中各能级 之间电子跃迁的结果，而连续谱则是4 f 层中各能级与外层各能级之间电子跃迁产生的。 以稀土元素为激活剂、共激活剂、敏化剂或掺杂剂的稀土发光材料表现出如下的优点： ( 1 ) 被激发的稀土离子中处于激发态的电子寿命比普通原子激发态寿命长得多； ( 2 ) 稀土离子在固体中，特别是在晶体中会形成发光中心，荧光体被激发时，晶 体中会出现电子和空穴，激发停止后发光体仍然可以发光，即存在长余辉过程； ( 3 ) 稀土离子激活的发光体容易实现掺杂和敏化； ( 4 ) 可以制备出各种不同特征的发光体，如不同余辉、不同颜色等； ( 5 ) 亮度高、耐焙烧、化学稳定性好，而且制备工艺简单。 研究表明，具有未充满的4 f 电子层的1 3 个三价稀土离子( 从c e 3 + 到y b ”) 的4 p 组态中，一共有1 6 3 9 个能级，不同能级之间可能发生的跃迁数目高达1 9 2 个【1 1 1 ，使稀 土发光材料的吸收、激发和发射光谱展现出范围宽且丰富的光学光谱和发光特性，从真 空紫外延伸到近红外光谱区，构成取之不尽的光学宝库，但目前只有4 8 个跃迁用于激 光，为数很少的跃迁适用于发光材料。 1 4 稀土纳米粒子的制备及在生物分析中的应用 1 4 1 稀土纳米粒子的制备 稀土纳米材料的制备方法与其它化合物纳米材料的制备方法相近。目前常用的方法 主要有固相法、液相法、气相法。固相法主要有低温粉碎法、超声波粉碎法、热分解 法、爆炸法。气相法主要有真空蒸发法、高温等离子体法等。液相法应用较多，这一方 法又可分为液相物理法和液相化学法。主要的液相化学法有如下几种： ( 1 ) 沉淀法 6 东北大学硕士学位论文第一章绪论 沉淀法是将各种原料溶解于同一种溶液中，然后加入沉淀剂或在一定温度下使溶液 发生水解，形成不溶型的氢氧化物、水合氧化物或盐类从溶液中析出后，经洗涤、热分 解或脱水得到氧化物粉料，然后在还原气氛中，以一定的温度烧结，冷却后即得产品。 用沉淀法制备的组分在溶液状态就已达到混合均匀，前驱体颗粒细、活性大、分布均匀， 掺杂离子能够进入基质晶格，优化材料结构，降低烧结温度。但对于复杂的多组分体系 制备存在一些问题，如选择原料时，各组分应具有相同或相近的水解或沉淀条件，这样 就限制了其应用。1 9 9 6 年p a n c h u l a 等【i2 】用均相沉淀法合成了1 微米左右的球形l a 2 0 3 颗 粒，详细讨论了起始金属离子浓度、沉淀剂浓度、溶液的p h 值和焙烧温度对颗粒形貌的 影响。 ( 2 ) 水热法 水热法指的是在一定温度下( 1 0 0 1 0 0 0 ) 和一定压力下( 1 0 - 1 0 0 m p a ) 利用溶 液中物质的化学反应所进行的合成。这种方法利用无机物在高温高压下几乎都具备可溶 性的特点，控制合适的条件，使得溶于水中的物质能够从液相中结晶出来。水热法允许 在低于传统固相反应所需温度下实现无机材料的合成。相对于其它的合成方法，水热法 所合成的产物结晶性好，还可直接生成氧化物，避免了一般液相合成法需要的经过煅烧 转化为氧化物这一步骤，从而极大地降低了硬团聚的形成【1 3 1 。 ( 3 ) 微乳液法 微乳液法是近年来制备纳米颗粒所用的一种较为新颖的方法，在制备纳米材料中表 现出一定的优越性。该方法是利用两种互不相容的溶剂( 有机溶剂和水溶液) 在表面活 性剂作用下形成一个均匀的乳液，从乳液滴中析出固相纳米材料的方法。此法可使成核、 生长、聚结、团聚等过程局限在一个微小的球形液滴内形成球形颗粒，避免了颗粒间进 一步团聚。每个水相微区相当于一个微反应器，液滴越小，产物颗粒越小。如l e e 等【1 4 1 以n p 2 5 p n 2 9 为乳化剂，采用微乳液法制得的y 2 0 3 ：e u 纳米颗粒尺寸分布窄。粒径小， 并且具有较高的结晶度和发光效率。t a k a y u k i 1 5 】采用微乳液法制备了y 2 0 2 s ：y b ，e r ( t m ，h o ) 等球形的纳米颗粒，且发光效率较高。 ( 4 ) 溶胶一凝胶法 溶胶一凝胶法【1 6 】是制备稀土纳米材料的重要方法。在低温下，有机金属化合物和有 机络合物通过聚合或水解反应，形成溶胶，在一定条件下形成凝胶，进一步热处理，可 得稀土纳米晶。该方法可在温和的实验条件下进行，得到的粉体比表面积大，分散性好。 但反应时间长，需数日才能完成。k a m a t a 等【iq 不用任何热处理，用溶胶一凝胶法制备 了掺e u 3 + 的s i o z - - a 1 2 0 3 玻璃，对不同掺杂浓度的荧光光谱研究表明，e u 3 + 适当掺杂量 东北大学硕士学位论文第一章绪论 能够通过溶胶凝胶过程将e u 3 + 转变为e u 2 + ，并观察到中心在4 1 0n m 处的强蓝光发射。 1 4 2 稀土纳米粒子的表面修饰 对稀土纳米粒子进行表面修饰是其应用于生物标记中不可缺少的一个环节，进行修 饰主要有以下两个目的【1 8 之5 】：( a ) 表面效应是影响纳米粒子性质的一个不可忽视的因 素，对于稀土纳米粒子来说，表面缺陷往往充当电子和空穴的无辐射复合中心，导致荧 光量子产率的降低，因此在合成和用于生物标记的过程中必须保证纳米粒子的表面不受 破坏，通过表面修饰，在纳米粒子表面形成保护层，可以增强纳米粒子的光稳定性和化 学稳定性。( b ) 水溶性是纳米粒子用于生物标记必备条件，除水相合成的纳米粒子外， 其余的常用稀土纳米粒子均只能在有机溶剂中分散，因此必须选择适当的相转移剂将其 转至水相中，同时还必须保证纳米粒子的稳定性和荧光性质不变。 纳米粒子的表面修饰可分为以下几类： ( 1 ) 采用高分子材料修饰纳米粒子。n 锄n 【2 6 】利用分子量为8 0 0 d 的超支化p e i 与 t o p o 配体交换，由于p e i 的两亲性，实现了在水以及短链醇中的静电排斥稳定，而在 氯仿等非极性溶剂中通过空间立构稳定。b a l o g h 等【2 刀人利用两代p a m a m 作为表面修 饰的多功能分子，通过c d s e d 吡啶中间物取代了原来表面的t o p o t o p 配体层。通过氨 基与镉原子的静电吸附，虽然会使纳米晶物理交联，但是溶液保持了透明和胶体的稳定 分散，并且干燥后在空气中抗氧化性能变好。 ( 2 ) 采用无机材料包覆纳米粒子【2 9 。3 1 。由于二氧化硅具有很多优点，以二氧化硅作 为包覆材料制备核一壳型纳米复合材料得到广泛研究。用s i 0 2 包覆的优点如下：在胶 体化学中，二氧化硅胶体在水溶液和其它介质中具有非常高的稳定性。在反应过程中， 二氧化硅胶体形貌可控、沉积过程易控( 壳厚可控) ，并且其前驱体价格低廉，容易得 到。同时，作为一种传统的基质材料，二氧化硅又具备许多优异的性质，包括光学透明 性、化学惰性、生物兼容性等。利用二氧化硅的这些特性，人们可以在保持核芯纳米材 料原有物理、化学性质基本上不变的情况下对纳米材料进行表面修饰。通过包覆作用形 成s i 0 2 壳层后，可以有效地提高核材料的稳定性和生物兼容性。 1 9 9 2 年，o h m o r i 等瞰】利用传统的s t o b c r 方法( 碱催化水解法) ，在纺锤形的q f c 2 0 3 粒子外部直接沉积了一层厚度均一的s i 0 2 ，见图1 4 。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 4 纺锤形的a f e 2 0 3 粒子外部直接沉积一层s i 0 2 f i g 1 4t e mi m a g eo f a - f e 2 0 3p a r t i c l e sw i t hs i l i c a - c o a t c dc o 托s h e l l 1 9 9 5 年，m a r z a n 等首次成功地制备了a u s i 0 2 核一壳型纳米复合材料，见图1 5 。 他们首先利用化学反应在溶液中生成分散的金纳米粒子。然后，利用s t o b e r 方法将金纳 米粒子包埋在二氧化硅壳层中。但是用这种方法获得的样品中存在一定数量空的二氧化 硅球。在以后的实验中，他们改进了实验方法，在反应过程中加入了偶联剂，利用偶联 剂修饰金纳米粒子表面，然后再沉积二氧化硅壳层，很好地解决了这一问题【3 6 如。 图1 51 5s i l l 的a u 纳米颗粒包埋在不同厚度的二氧化硅壳层中 f i g 1 515n ma un a n o p a r t i c l e sw i n ls i l i c a - c o a t e dc o r es h e l l 1 4 3 稀土纳米粒子在生物分析中的应用 稀土纳米粒子作为标记物应用在生物医学实验的报道早在上世纪8 0 年代末就出现 东北大学硕士学位论文第一章绪论 了【3 8 - 4 0 。b e v e r l o o 等将半径为6l am 磷光粉y 2 0 2 s ：e u 在球磨机中研磨至1 0 0 - 3 0 0n n l ， 以聚羧酸为分散剂，防止纳米颗粒团聚。将抗生物素蛋白和免疫球蛋白吸附到y 2 0 2 s ：e u 纳米晶表面，形成标记配体。在有确定表面抗原的乳球典型系统和含有人淋巴细胞和红 细胞系统中，评价标记配体细胞免疫化学特性的实验。实验中使用了时间分辨显微镜， 成功去除背景荧光干扰，在悬浮液和载玻片中都得到了成功的标记。实验表明该标记具 有高的灵敏度，发光不受环境、物理和化学性质的影响，发光持续时间长，预示着该标 记物具有良好的应用前景。由于受纳米微晶制备技术和分散技术的限制，此后相当长时 间内没有该方面的报道。直到近几年，由于纳米制备技术的发展和生物医学领域的需要， 这方面的研究报道逐渐增多。 2 0 0 5 年底，m i k a e l a 等【4 l 】首次报道铕掺杂氧化钆纳米粒子标记物在生物实验中的 应用。文中用喷雾热解法制备的e u ：g d 2 0 3 纳米微晶，通过物理吸附与兔原抗体结合， 标记玻璃板上的兔球蛋白微图样获得成功。实验中发现氧化钆具有极好的生物相容性， 表面包覆的抗体具有良好的生物活性。 里昂大学l o u i s 等【4 2 】利用溶剂热合成法，以二甘醇为溶剂，合成平均粒径为7n m 的g d 2 0 3 ：t b 纳米晶溶胶，并通过氨基乙基三乙氧基硅烷( a p t e s ) 和正硅酸乙酯水解， 表面包覆聚硅氧烷层。由于包覆作用使g d 2 0 3 ：t b 易分散在水中，而且在水溶液中发光 强度没有降低。同时包覆层中的氨基使有机染料和生物靶向分子( 核酸、生物素和连锁 状球菌) 易于共价结合到纳米晶表面。利用这些纳米粒子可以成功实现生物分子的检测。 国外还有稀土钒酸盐和磷酸盐纳米晶作为标记物在生物医学领域的研究报道。 2 0 0 7 年，d i a m e n t e 等【4 3 】报道成功合成了l a f 3 ：t m ，并在其外面包覆了一层l a f 3 壳，最外层又包覆了一层s i 0 2 ，原理如图1 6 所示，图1 7 是包覆了s i 0 2 的纳米粒子焙 烧后的t e m 图。 c 静确e - 瞄曲i 蜊 i i f i t m 悖 图1 6 反应原理 f i g 1 6r e a c t i o np r i n c i