（光学专业论文）eu3掺杂无机、有机纳米颗粒的制备及发光特性的研究.pdf

北京交通大学博士学位论文 摘要 摘要 对于三价稀土离子掺杂的无机纳米材料而言，表面效应是影响其发光特性的 主要因素。但限于材料体系和制备方法的差异，目前人们对表面效应的认识尚有一 些模糊和矛盾的地方。本论文的前半部分工作以高对称性的l a 2 0 2 s ：e u ”和y v 0 4 ： e u ”为对象，对表面效应作用下纳米晶发光特性进行了深入的研究，主要内容如 下： 1 利用干胶热释分解法制备了l a 2 0 2 s ：e u 3 + 纳米晶( 平均粒径1 8n m ) ， 通过激光光谱对表面e u 3 + 进行了探测。在时间分辨光谱上，表面e u 3 + 的发光表现 为短延迟时间下原本简并5 d o 一7 f la d 谱线在高能侧的劈裂。5 d o 一7 f 2 区域的激光 选择激发的结果表明，表面发光中心局域对称性的退化呈现出突变行为。结合纳米 晶的材料体系和生长过程，认为所制备的硫氧化物纳米晶可能具有 l a 2 0 2 s l a 2 0 2 + $ 1 。结构。 2 通过点电荷模拟y v 0 4 ：e u 3 + 纳米晶中的表面缺陷，利用修正的点电荷模 型计算了不同局域环境中e u 3 + 的7 f 2 晶场能级。由计算结果可清晰看到，随着模 拟电荷微扰的增强，7 f 2 晶场能级逐渐发生劈裂和移动。基于理论计算的7 f 2 能 级，对5 d o 一7 f 2 区域选择激发光谱中的表面发光中心进行了归属，认为纳米晶中 主要的表面缺陷为e u 0 2 断键。此外，发射谱线归属结果也表明表面效应对选择定 则的放松作用是不严格的。表面效应作用下，某些原本禁戒的光谱跃迁在选择定则 上变得允许，但实际的跃迁可能只存在于表面e u 3 + ，对近表面e u 3 + 来说并不发 生。 稀土配合物是进行生物荧光标记的一类重要材料，虽然具有诸多优点，但在 稳定性、量子效率等方面仍存在不足。若将稀土配合物包埋于基质材料形成的纳米 微粒中，颗粒表层对外界环境的隔离作用可大大提高其稳定性和量子发光效率，从 而克服了单个稀土配合物分予的自身缺陷。本论文的后半部分围绕稀土配合物 e u ( d b m ) 3 t p p o ( d t - e u 3 + ) 荧光纳米颗粒的制备及发光性质，进行了一系列的研 究工作。 北京交通大学博士学位论文摘要 首先利用再沉淀法制备了纯相d t e u ”的荧光纳米颗粒( 直径1 0n m ) 。对 纳米颗粒进行a f m 、时间相关吸收光谱以及荧光光谱等析，发现纯相纳米颗粒容 易团聚，且水分子的荧光猝灭现象比较严重。通过引入适量疏水性硅烷，制备了具 有较强荧光、均匀尺寸和良好分教性的杂相d t e u ” o t s 纳米颗粒。微粒表面形 成的亲水性二氧化硅薄层，不仅防止了纳米颗粒的疏水性聚集，也在一定程度上隔 断了配合物与水分子的联系。d t - e u 3 + o t s 纳米颗粒具有与d t e u ”单分子相同 的发光，但其量子发光效率要比在t h f 溶液中提高了近两成。被溶剂无辐射弛豫 掉的振动能在纳米颗粒得以保存被认为是量子效率提高的主要原因。 通过分析新制备纳米颗粒悬浊液的吸收光谱和荧光光谱随时间的演化过程， 对d t e u ”配合物纳米颗粒的形成机制进行了探讨。认为超声作用形成的均匀分布 注入液的微液滴是纳米颗粒的前驱体，随着t h f 的渗出这些疏水性分子在疏水作 用下相互聚集而形成纳米颗粒。 关键词：表面效应；纳米颗粒；l a 2 0 2 s ：e u ”；y v 0 4 ：e u ”；点电荷模型；稀土配 合物；疏水相互作用；量子发光效率 北京交通大学博士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t f o rt r i v a l e n tr a r ee a r t hd o p e di n o r g a n i cn a n o m a t e r i a l s ，s u r f a c ee f f e c ti st h ek e y f a c t o ra f f e c t i n gt h e i rl u m i n e s c e n tp r o p e r t i e s h o w e v e r , r e s t r i c t e db yt h ed i f f e r e n c e so f m a t e r i a ls y s t e ma n dp r e p a r a t i o nm e t h o d ，k n o w l e d g eo ns u r f a c ee f f e c ti ss t i l ls o m e w h a t d i s c r e p a n ta n dh a z y t of u r t h e rs t u d yt h el u m i n e s c e n tp r o p e r t i e so fn a n o c r y s t a l su n d e r s u r f a c ee f f e c t , s y s t e m sw i t hh i 曲s y m m e t r ys u c ha sl a 2 0 2 s ：e u ”a n dy v 0 4 ：e u ”a r e s t u d i e d t h em a i nr e s e a r c hi sa sf o i l o w s ： l l a 2 0 2 s ：e u 3 + n a n o c r y s t a l sw i t ham e a ns i z eo f1 8n ma r ep r e p a r e db yg e l t h e r m o l y s i s t h es u r f a c ee u 3 + i o n sa r ef i r s td e t e c t e db yt i m e - r e s o l v e ds p e c t r ai nt l l e 5 d o ，f 1r e g i o n b e c a u s et h es y m m e t r yo ft h es i t e so c c u p i e db ys u r f a c ee u 3 + i o n si s l o w e r , t h e d o _ 7 f il i n e ，w h i c hi sd o u b l yd e g e n e r a t ei nt h eb u l kc r y s t a l ，i ss p l i t ，a n dt h e f l u o r e s c e n c el i f e t i m eb e c o m e ss h o r t e r t h er e s u i t so ft h el a s e r - s e l e c t i v ee x c i t a t i o n i n d i c a t et h a tt h ed e g r a d a t i o no ft h es i t es y m m e t r yo fe u 3 + s e e m st ob ea b r u p t ，w h i c h m e a n st h ea s s y n t h e s i z e dl a 2 0 2 s ：e u 3 + n a n e c r y s t a l sm i g h tb eo f t h el a 2 0 2 s l a 2 0 2 # s 1 h c o r e s h e l ls t r u c t u r ea n dt h es h e l li sn o ti nad i s o r d e r e ds t a t eb u tar a t h e rp u r eo n e 2 b ys i m u l a t i n gs u r f a c ed e f e c t si ny v 0 4 ：e u ”n a n o c r y s t a l sw i t hp o i n tc h a r g e s ，f 2 c r y s t a lf i e l dl e v e l so f e u 3 + u n d e rd i f f e r e n tl o c a lm i c r o s t r u e t u r e sa r ec a l c u l a t e de m p l o y i n g am o d i f i e dp o i n tc h a r g em o d e l f r o mt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s ，t h eg r a d u a ls p l i t t i n ga n d s h i f to f7 f 2 e n e r g yl e v e l sc a nb es e e nc l e a r l yw i t ht h es t r e n g t h e n i n go fd i s t u r b a t i o no f s i m u l a t e dc h a r g e b a s e do nt h et h e o r e t i c a l7 f 2l e v e l s ，s u r f a c ee u 3 + i n d i c a t e db yt l l e5 d o _ 7 f 2s e l e c t i v ee x c i t a t i o ns p e c t r aa r ea t t r i b u t e d ，a n de u - 0 2b r o k e nb o n di sa s s u m e dt ob e r e s p o n s i b l ef o rt h es u r f a c ed e f e c t si ny v 0 4 ：e u j + n a n o c r y s t a l s i na d d i t i o n ，f u r t h e r m o r e ， i ti sp r o p o s e df r o mt h ea t t r i b u t i o nt h a tr e l a x a t i o no fs e l e c t i o nr u l e sb ys u r f a c ee f f e c ti s f e e b l ef o rn e a rs u r f a c ee u 3 + w h e r e a si ti sm o r ei n t e n s ef o rs u r f a c ee u 3 4 - l a n t h a n i d ec h e l a t e sa r ew i d e l yu s e da sf l u o r e s c e n tl a b e l si nb i o a s s a y t h o u g h s e v e r a la d v a n t a g e sa r ef a v o r a b l e ，t h e i rs h o r t c o m i n g si ns t a b i l i t ya n dl o w e rq u a n t u my i e l d h i n d e rt h e i rf u r t h e ra p p l i c a t i o n i fl a n t h a n i d ec h e l a t e sa r ed o p e di n t on a n o p a r t i c l e s f o r m e dw i t hi n e r tm a t e r i a l ，p a r t i c l el a y e ro fp a r t i c l ew o u l ds e p a r a t ec h e l a t em o l e c u l e s f r o ms u r r o u n d i n g s h e n c e ，s t a b i l i t ya n dl u m i n e s c e n ty i e l dw o u l db eg r e a t l yi m p r o v e d 北京交通大学博士学位论文英文摘要 t h es e c o n dp a r to ft h i sp a p e ri sa b o u tt h ep r e p a r a t i o no ff l u o r e s c e n tn a n o p a r t i c l e sf r o m e u 3 + c h e l a t e - e u ( d b m ) 3 t p p o ( d t e u 3 + ) ，a n ds t u d i e so f f l u o r e s c e n tp r o p e r t i e s f i r s t l y ，s m a l ls i z e dd t e u ”n a n o p a r t i c l e ( 1 0n l t l ) s u s p e n s i o ni sp r e p a r e db yan o v e l r e p r e c i p i t a t i o n - e n c a p s u l a t i o nm e t h o d i ti sf o u n dt h a tt h ep u r en a n o p a r t i c l e sa r ee a s yt o a g g r e g a t ei na q u e o u s ，a n dt h e i rf l u o r e s c e n ta r es e v e r e l yq u e n c h e db ys u r r o u n d i n gw a t e r m o l e c u l e s t h e na 1 1a l k y la l k o x y s i l a n ee n c a p s u l a t i o na g e n ti si n c l u d e dd u r i n gt h e n a n o p a r t i c l ef o r m a t i o np r o c e s s ，a n dt h er e s u l t a n td t e u + o t sn a n o p a r t i c l e sa r ew e l l d i s p e r s e d ，a l o n gw i t he v e ns i z ea n di n t e n s el u m i n e s c e n c e t h ed e v e l o p e de n c a p s u l a t i o n l a y e ra r o u n dn a n o p a r t i c l ei n h i b i t sa g g r e g a t i o na n dq u e n c h i n gf r o mw a t e r t h ee m i s s i o n s p e c t r u mo f h y b r i dn a n o p a r t i c l ei st h es a m ea st h a to f d t - e u ”m o l e c u l e h o w e v e r ，t h e i r l u m i n e s c e n ty i e l di sn e a r l y2 0 h i g h e rt h a nt h a ti nt h fs o l u t i o n t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo fn a n o p a r t i c l e si ss t u d i e dw i t ht h et i m e c o r r e l a t e du v - v i s s p e c t r o s c o p ya n dt i m e b a s e dl u m i n e s c e n c e t h ee v e n l yd i s t r i b u t e dm i c r o j e t so fs t o c k s o l u t i o nf o r m e di nt h em i x t u r eb ys o n i c a t i o na r eb e l i e v e dt ob et h ep r e - n a n o p a r t i c l e s ， w h i c hn u c l e a t ea n dg r o wi n t on a n o p a r t i c l e su n d e rh y d r o p h o b i ci n t e r a c t i o nw i t ht h e d i m j s i o no f t h f k e y w o r d s ：s u r f a c ee f f e c t ；n a n o p a r t i c l e s ；l a 2 0 2 s ：e u 3 + ；y v 0 4 ：e u 3 + ；p o i n tc h a r g em o d e l ； l a n t h a n i d ec h e l a t e ；h y d r o p h o b i ci n t e r a c t i o n ；l u m i n e s c e n tq u a n t u my i e l d 独创性声明 本人声明，所呈交的博士学位论文是我个人在导师黄世牟教授指导下进行的 研究工作及取得的研究成果。尽本人所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通 大学或其他教学机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本文 研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 本人签名：朝i 太为日期：伊 7 3 i j 。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京交通大学有关保留和使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分 内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 本人签名：朝【电日期：h 、玉巧 北京交通大学博士学位论文 第一章 第一章绪论 第一节引言 在过去的近二十年里，有关纳米材料的研究和报道一直吸引着全世界科研人 员的广泛关注。人们对纳米材料的兴趣主要源于其独特的物理化学性质。当微粒尺 寸至少在一维方向上进入纳米尺度( o 1 1 0 0r i m ) 时，它们在电学、光学、磁学、 热学和力学等方面往往会表现出一些新的性质。例如半导体纳米晶( 量子点) 中普 遍存在吸收带蓝移以及激子吸收增强的现象【l 一，而贵金属纳米晶( 粒径为数十纳 米) 一般会呈现出鲜艳的特征色，如金溶胶为玫瑰红，银纳米晶为黄色【3 】。材料不 同，其纳米特性产生的物理机制也不尽相同。对于前者，半导体纳米晶的小粒径 ( 半径小于电子或激子b o h r 半径，一般小于1 0n m ) 限制了晶粒内电子的运动， 一方面使得被电子占据的分子轨道能级与未被电子占据的分子轨道能级之间的宽度 ( 能隙) 随粒径的减小而增大，即吸收带的蓝移；另一方面引起电子与空穴波函数 的重叠，使得电子与空穴形成激子的几率增大，从而出现激子吸收增强并蓝移。对 后者而言，这些特征色来自纳米晶在可见光区域的表面等离子体吸收：导带电子与 电磁场的相互作用引起金属纳米晶表面电子的集体振荡，当振荡频率与入射电磁场 频率一致时便会产生等离子体共振吸收。 从根本上讲，纳米材料的特性主要源于量子尺寸效应、表面效应和小尺寸效 应等几个基本的物理效应【4 】。需要注意的是，这些纳米物理效应是在金属纳米微粒 的基础上建立和发展起来的，因此更适用于无机纳米颗粒。在有机分子晶体中，分 子问作用力为v a nd e rw a a l s 或氢键类型的弱相互作用，其电子特性从根本上不同 于无机金属或半导体材料嘲。因此，上述纳米物理效应可能不适用于有机纳米颗 粒。例如在有机纳米颗粒中也存在光学吸收的尺寸依赖现象，其原因可能为分子的 聚集效应【6 、表面效应【7 1 或晶格变化所致的分子间作用力的增强【8 】，但绝非所谓的 量子限域效应( f r e n k e l 激子半径较小) 。但对于所有纳米颗粒( 无论无机还是有 机) 而言，它们的共性是具有小的尺寸，显然表面效应对纳米材料性质的影响更具 北京交通大学博士学位论文第一章 有普遍的意义。例如从金属、半导体到绝缘体，其纳米粒子的熔点均会随着尺寸的 减小而降低”。 通过对纳米材料特性的研究，可以拓展既有的理论，推动基础科学的进步。 而基于纳米材料的特性，又可以将其应用到诸多领域。例如在发光、显示领域，稀 土掺杂纳米发光材料就在场发射和高清晰电视上具有潜在应用性( 高的分辨率) 1 1 4 ”】。特别是在医学、生物学等领域，由于生物体中大量的生物结构，从核酸、蛋白 质、细胞器到病毒等的线度同样位于纳米尺度，近年来纳米技术与之相交叉产生的 纳米生物技术得到了迅速的发展。例如将药物、d n a 和r n a 等基因治疗分子包裹 在纳米颗粒之中或吸附在其表面，同时在颗粒的表面偶联特异性的靶向分子，通过 靶向分子与细胞表面表面特异性受体相结合，可实现靶向性给药，从而大大提高了 治疗效果，减少了副作用【1 6 1 。另外，基于量子点的发光随着尺寸的变化而变化的 特点，通过特异的配体一受体作用可以将不同尺寸的量子点与生物结构的不同部分 进行结合，从而实现生物分子多颜色多组分同时标记【l ”。纳米生物技术是在纳米 级的水平上对生物体和生命现象展开研究，因此它不仅对探索生命的本质有重大意 义，而且在生命科学、医学、材料学等诸多领域都将具有良好的应用前景。 第二节稀土掺杂无机纳米发光材料的研究综述 1 2 1 表面效应的概念 固体的表面是指凝聚态物质靠近气体或真空的一个或几个原子层，一般为0 5 ln m 。理想的固体表面结构是一种理论上的结构完整的二维点阵平面，即晶体的 解理面( 图1 1a 所示) 。但由于晶体表面另一侧无固体原子键合，形成了附加的 表面能。从热力学来看，表面( 或近表面) 原子会重新调整到更稳定的位置以降低 表面斛1 8 】。为达到稳定态有两种调整方式二一是自行调整，如表面弛豫( 图1 1 b ) 和表面重构( 图1 ic ) 等，原子排列情况与材料内部明显不同；二是依靠表面 的成分偏析( 图1 1d ) 和表面对外来原子或分子的吸附以及这两者的相互作用而 趋向稳定态，因而使表面组分与材料内部不同。因此，实际的固体表面的结构和成 北京交通大学博士学位论文 第一章 分都不同于晶体内部，存在着各种类型的表面缺陷和表面吸附。但由于在体相材料 中表面原子所占的比例较小，表面性质对材料整体性质的影响并不明显。 图1 1 固体的表面结构：( a ) 理想的解理表面，( b ) 表面弛豫， ( c ) 外层四个原子面的重构，( d ) 表面化学吸附。 纳米材料的一个基本特点是具有大的比表面积。大的比表面积引起表面原子 数的增多，表1 1 给出了c u 纳米微粒尺寸与表面原予数的关系【4 】。从表中可以看 出，在纳米晶中表面原子占据了相当高的比例。这样，表面原子的性质对纳米晶整 体性质的影响就不可被忽略。同时，表面原子数的增加会引起表面能的急剧升高， 高的表面能进一步加剧了表面原子的调整程度，例如y 2 0 3 纳米颗粒( 5 6n m ) 的 晶格畸变为其微米颗粒的七倍之多【1 9 1 这样，纳米晶中就具有更多的断键( 与表 面弛豫有关) 、悬空键( 与表面重构有关) 以及表面吸附等表面缺陷。相比晶粒内 部的周期性排列，纳米晶的表面趋向于无序化。同时表面原子的配位不足和高的表 面能提高了表面的化学活性，使其变得不稳定。这些统称为纳米材料的表面效应。 北京交通大学博士学位论文 第一章 表1 1 c u 纳米微粒尺寸与表面原子数的关系 纳米微粒尺寸 包含总原子数 表面原子所占比例( ) d ( n m ) 1 03 1 0 4 2 0 44 x i 0 3 4 0 22 ，5 1 0 2 8 0 13 0 9 9 1 2 2 表面效应对稀土掺杂纳米晶发光特性的影响 在三价稀土离子掺杂的纳米材料中，由于发光中心4 f ”电子的轨道半径( 1 0 。ln m ) 远小于一般所制备纳米晶的粒径( 1 0n m ) ，其能级位置和跃迁几率受 量子尺寸效应的影响并不明显，发光性能更多地受到表面效应的影响。对于稀土掺 杂纳米材料，目前的研究工作表明表面效应主要从以下三个方面来影响其发光性 能： ” ( i ) 表面效应对光谱性质的影响。纳米晶表面结构的无序化( 存在大量的表面缺 陷) 和表面结构对称性的降低，造成表面稀土离子所占据格位的分布，以及晶体场 能级位置的变化，光谱上表现为谱线的宽化、移动和劈裂。例如，h e i l e r s 和b m t i s s u e 在单斜相e u 2 0 3 纳米晶中同时观测到线状以及宽化和移动的谱线，认为 前者来自尺寸较大的晶态纳米颗粒，而后者来自较小的非晶态颗粒团】。在y 2 0 3 ： e u 3 + 纳米晶中也存在类似宽化的激发峰，认为是纳米晶表面e u ”的贡献【2 “。由于 在上面两种基质中，e u 所处的格位对称性极低，因而表面效应下局域对称性的 退化所引起的谱线劈裂和移动并不明显。y a he ta 1 采用对称性稍高的y v 0 4 ：e u ” ( e u 3 + 占据d 2 d 格位) ，通过激光选择激发，清晰地探测到了纳米晶中e u 3 + 格位对称 性由内部到表面逐渐退化的过程，表现为更多发射峰的出现、谱线的劈裂以及显著 宽化 2 2 】。此外，稀土离子局域对称性的变化还会影响电子跃迁的选择定则，引起 荧光分支比的变化。例如y b 0 3 ：e u ”纳米晶中，表面格位对称性的降低使晶场参 北京交通大学博士学位论文 第一章 数发生变化，引起强度参数q ，的增大，从而5 d o 一7 f 2 相对发射强度得以增强而提 高了红光的纯度1 2 3 , 2 4 】。 ( 2 ) 表面效应对发光动力学过程的影响。纳米晶中表面缺陷充当了发光的猝 灭中心，导致无辐射弛豫速率的增大。这些表面猝灭中心不仅会猝灭表面稀土离子 的发光，而且对纳米晶内部稀土离子经近邻掺杂离子传递至表面的能量也起到猝灭 作用，因而通常制备的稀土掺杂纳米晶的量子发光效率远小于体材料【2 5 - 2 7 。除了降 低量子发光效率之外，无辐射弛豫速率的增大还会导致表面稀土离子的荧光寿命发 生变化。例如在y z 0 3 ：e u h 、y v 0 4 ：e u 3 + 以及y 2 0 2 s ：e u ”纳米晶中，表面e u 3 + 的 5 d 。能级寿命均小于内部离子的荧光寿命 2 2 ，2 8 , 2 9 1 。通过对纳米晶的表面进行修饰， 如把含有掺杂离子的核包覆于另一种不含发光中心的材料的壳层内形成核壳结 构，将发光中心与表面猝灭中心隔离，阻塞能量传递的表面无辐射弛豫的通道，则 可以提高纳米晶的发光性能。如k o m p e k e t a 在c e p 0 4 ：t b 纳米晶的表面包覆了 一层l a p 0 4 ，从而将c e p 0 4 ：t b l a p 0 4 核壳结构纳米晶的总量子效率提高到8 0 ( 接近体相材料的9 3 ) 0 0 。s t o u w d a mj w c ta 1 通过合成( l a ，c e ) f 3 ：t o l a f 3 核壳结构纳米晶同样实现了量子效率的提高( 从2 4 提高到5 4 ) ，并在l a f 3 ： e u 3 + l a f 3 纳米晶中观测到e u 3 + 荧光寿命的增长。 ( 3 ) 表面效应对发光稳定性的影响。纳米晶大的表面能以及表面原子的配位不 足使得表面原子不稳定，从而影响了发光中心的稳定性。如在y 2 0 ：e u ”纳米晶 中，利用与表面e u 3 + 的7 f 0 5 d o 激发峰相对应波长的光对样品进行辐照，发现辐 照前后纳米晶内部e u 3 + 的激发峰与表面离子激发峰的相对强度发生了明显的变化 2 q ：而利用紫外光对样品进行辐照，则发现辐照前后e u ”的电荷迁移带发生了改 变，并且在不同波长辐照下5 d o 一7 f 2 的发射强度随辐照时间而呈现不同的衰减趋 判3 2 1 。 1 2 3 研究稀土掺杂纳米晶发光特性的必要性 目前对稀土掺杂纳米晶的发光特性已经取得一定的了解，但需认识到表面效 应对发光的影响是复杂的。例如关于稀土离子的荧光寿命，同样在y 2 0 3 ：e u ”纳米 北京交通大学博士学位论文 第一章 晶中( 不同的制备方法) ，有的研究工作却表明e u ”荧光寿命比体材料的增加 【3 3 。当纳米晶周围介质的折射率小于基质材料的折射率时，局域场修正因子减 小，辐射跃迁速率比体材料的小，荧光寿命增加【3 4 】。此外，即便是一些定论的认 识，如纳米晶表面结构的无序化和局域对称性的降低，也仅是从谱线的移动、宽化 和数目的变化等方面来进行定性分析。至于表面局域环境对稀土离子晶场能级具体 劈裂的大小，如何区分处于表面不等价格位的稀土离子，以及这些格位周围具体的 结构等一系列问题尚未得到解决。因此，对稀土掺杂纳米晶的发光特性仍需要进一 步的认识。 充分了解纳米晶的表面效应，一方面可以改进和完善制备方法，提高稀土掺 杂纳米晶的发光性能；另一方面可以利用表面对发光中心电子状态的影响，调节稀 土掺杂纳米晶的光谱，如增加体材料不存在的新谱线、改变荧光分支比等，从而可 以合成新型的发光材料。除了可认识新的发光特性，充分了解稀土掺杂纳米晶的表 面性质对研制新型的纳米发光器件也大有帮助。在实际应用中，纳米晶表面的质量 和结构对器件的功能起到关键的作用。但由于纳米晶中高的表面能和大的比表面 积，使得表面原子不稳定，纳米晶的发光特性甚至表面的化学成分都有可能发生改 变。显然，对稀土掺杂纳米晶的发光特性认识愈完全，就愈有利于充分、有效地将 它们应用到实际中去。 第三节稀土配合物纳米荧光颗粒的研究综述 在生物体中，核酸( d n a 和r n a ) 、蛋白质等生物大分予具有重要的生物学 功能：核酸是生命遗传信息的携带和传递者，蛋白质是生命活动的基础【”1 。它们 的异常往往会影响生命活动的正常进行，带来各种疾病。例如蛋白质分子须折叠成 特定的三维空间结构才具有正常的生物学功能，如果折叠发生故障形成错误的结 构，不但将丧失其生物学功能，甚至会引起诸如疯牛病、老年性痴呆症、囊性纤维 病变、家族性高胆固醇症、家族性淀粉样蛋白症、某些肿瘤以及白内障等折叠病 p 棚。因此，如能对这些生物大分子进行超微结构的探测，获得单个分子在生命活 北京交通大学博士学位论文第一章 动中的详尽信息，从而可以在单分子水平上探寻影响人类健康的恶性疾病的发病机 理，并最终能够利用对单分子进行微尺度操纵的技术进行治疗。 目前已经建立和发展了多种生物单分子探测技术，主要有荧光标记法( 包括 扫描近场光学扫描显微术( n s o m ) 和全内反射荧光显微术) 、原子力显微镜 ( a f m ) 和激光光镊技术等9 l3 8 1 。其中，荧光标记法通过记录标记物光学性质的 变化来获取被标记生物分子有关空间结构和功能的信息，适合活体细胞内生物分子 的探测，且具有灵敏度高、低成本、亚纳米的空间分辨率以及毫秒以下的时间分辨 率等优点 3 9 - 4 ”，是当今纳米生物技术中研究最为活跃的领域之一。荧光标记物一般 由三部分构成：与待测物( a n a l y t e ) 选择结合的受体部分( r e c e p t o r ) ，能产生荧 光的活性部分( a c t i v eu n i t ) 以及将二者连接起来的间隔基团( s p a c e r ) ，如图1 2 所示【4 ”。荧光标记物与生物分子的结合既可以借助免疫反应进行特异性标记， 也可以通过共价键合、氢键作用等进行州j 。 _ 巾 触岫知m 竹f 晰 图1 - 2 标记物的基本结构 由于生物体系的特殊性和复杂性，作为理想的荧光标记材料一般要求具有良 好的热力学和光化学稳定性、高的荧光量子效率、光谱特征突出，并且对所标记的 生物分子影响要小。最早用作生物荧光标记的材料是有机荧光染料，主要包括荧光 素、箐染料、罗丹明及其衍生物等。它们一般具有较高的荧光量子效率，但是由于 其荧光与背景荧光之间存在重叠而导致过高的检出下限( 1 0 4 0m o l l ) 【4 5 】。并且外 界环境的变化，如p h 值、极性、含氧水平、长时间激发照射和与其它重原子或吸 收基团靠近等等，都会引起荧光强度的变化，导致荧光淬灭或漂白现象的发 4 6 j 。 这些缺点限制了有机荧光染料在生物标记技术中的广泛应用。 北京交通大学博士学位论文第一章 2 0 世纪7 0 年代末期，稀土配合物被引入到生物分析和探测领域f 4 7 t 。作为荧光 标记材料，稀土配合物具备诸多优点：( 1 ) 大的s t o k e s 位移对克服因激发光而导 致的散乱光对测定的干扰非常有利；( 2 ) 通过收集线状荧光信号，可以降低本 底，提高分辨率：( 3 ) 长的荧光寿命使得稀土配合物的荧光信号可以在激发脉冲 之后经过适当的延迟时间( 1 0 0 4 0 0p s ) 再被收集，从而可以消除背景信号的干 扰。因此，稀土配合物在生物分析和探测领域得到了广泛的应用。例如，利用以稀 土配合物为标记物的时间分辩荧光免疫分析技术可以降低最小检出下限( io - i 7 l f f l 9t o o l l ) ，大大提高了探测的灵敏度【4 8 ，4 9 】。另外在利用时间分辨共振能量传递 来探测生物分子的构型变化和连接作用时，以稀土配合物作为施主，其测量范围可 以达到1 0n n l 以上t 5 弘5 4 1 。但是作为生物荧光标记材料。稀土配合物需具备一些特 性，如稳定性、可选择络合位、荧光的高量子产率以及与生物分子耦联的能力。但 是周围配体对中心离子的保护不力通常会导致水分子配位到稀士离子上而引起量子 发光效率的降低嘲。而来自质子、阳离子( 如c e + 和z n 2 + ) 或者阴离子( 碱性基 团或者磷酸根) 的攻击，往往使得稀土配合物变得不稳定【矧。在一例临床应用报 道中，g d 3 + 正是由于z n 2 + 的作用而从 d t p a g d 】厶配合物中脱离掉【5 7 】。虽然目前 有很多的研究工作致力于改善和提高稀土配合物的荧光标记性能f “”但是在稀土 配合物分子中既要兼备水溶性、稳定性和高的量子发光效率等诸项功能，又要具有 能与待测生物分子进行选择性结合的活性基团，相关的设计和合成是一项很富有挑 战性的工作。 近年来随着有机纳米材料研究工作的兴起【6 ，6 2 , 6 3 】，多种有机纳米颗粒的制备 方法得到了发展，如微乳液法【6 4 6 5 】和再沉淀法等1 6 6 , 鲫。有机纳米颗粒制备技术的 成熟为提高稀配合物的荧光标记性能开辟了新的思路：将稀土配合物的荧光活性 部分以纳米粒子的形式分离出来，而后在纳米颗粒表面连接上可以识别生物分子的 活性基团。稀土配合物在进行多重标记时无自猝灭效应的特性【6 8 6 9 也使得其以 高密度团聚物的形式( 如掺杂的纳米胶乳颗粒) 作药荧光标记材料成为可能j 嘲。 这样，稀土配合物包埋于基质材料形成的纳米微粒中，颗粒表层对外界环境的隔离 作用可以大大提高其稳定性和量子发光效率，从而克服了单个稀土配合物分子的自 - 8 - 北京交通大学博士学位论文第一章 身缺陷。原来对稀土配合物的诸多复杂要求变得简单，只需具有高的量子发光效率 即可。 根据基质材料的不同，目前稀土配合物纳米颗粒的合成主要有两个方向：一 是采用有机高分子作为基质；另一是采用二氧化硅作为基质。在所制备的纳米颗粒 中，因为稀土离子仍与原来配体分子相配位，因此稀土配合物纳米颗粒具有相应稀 土离子的特征荧光。但由于基质材料的不同，这些纳米颗粒又表现出不同的性 质。前者如p e 仃ih u h t i n e n 等人先利用乳液共聚法制备了直径4 5n m 的聚苯乙烯 纳米微球，然后再将稀土离子( e u 3 + 、t b ，+ 、s m 3 + 和d y 3 + ) 的配合物包埋于微球 中【7 ”。由于在每个掺杂聚苯乙烯纳米微球中含有超过1 0 0 0 个稀土配合物分子，可 以大大提高探测的灵敏度。但是高分子纳米微球存在制备时分离洗涤比较困难( 比 重较小) 、在有机溶剂中易溶胀而导致荧光分子发生泄漏 7 2 以及在水溶液中容易 凝聚等缺点。后者如中科院大连化物所袁景利研究组利用反相微乳液法制备的硅胶 基质的稀土配合物纳米颗粒( 直径4 2 士3n m ) 。这些硅胶基质纳米微粒在荧光强 度、稳定性、生物亲和性以及探测灵敏度等方面都表现出远优于稀土配合物分子的 良好性能 7 3 ，7 4 1 ，不足之处在于其粒径过大( 4 0n m ) ，限制了它在超灵敏探测方 面，特别是在基于共振能量传递的单分子探测方面上的应用。 第四节本论文的选题依据和研究内容 三价稀土离子的哇厂”电子组态因受外壳层5 ，助6 的屏蔽而具有自由离子的特 点，其电子能级为类原子的分立能级结构。其中，三价e u 3 + 由于基态能级7 f 0 和 主要发射能级5 d 0 都不被晶体场所劈裂而具有相对简单的光谱结构。在本论文中， 我们以e u 3 + 为代表来研究有无机、有机纳米颗粒中稀士离子发光性质的变化，主 要工作由两部分构成。 第一部分包括e u 3 * 掺杂无机纳米晶的制各以及发光性质的研究，具体内容如 下： ( 1 ) 制备粒径均匀的l a 2 0 2 s ：e u 3 + 纳米晶，通过x 射线粉末衍射，透射电镜 等手段对其形貌、大小进行表征。利用时间分辨光谱和激光选择激发光谱区分纳米 北京交通大学博士学位论文第一章 微粒中心和表面( 或靠近表面) 的e u 3 + ，并根据光谱对表面发光中心的格位迸行 分析。选择该基质的依据是因为在l a 2 0 2 s 中，e u ”占据单一的c 3 ，格位，局域对 称性较高。这样表面局域环境退化所引起的光谱的变化如谱线的劈裂和移动就比较 明显，获取的有关纳米晶表面结构的信息就越充分。另外，l a 2 0 2 s ：e u ”是良好的 发光材料，发光较强使得光谱容易测量。 ( 2 ) 考虑体材料的晶体结构和表面缺陷的种类，构建y v 0 4 ：e u 3 + 纳米晶中表 面e u 3 + 几种可能的局域微环境。基于修正的点电荷模型，利用点电荷来模拟表面 缺陷对e u 3 + 的4 厂6 电子能态的影响，计算在不同局域环境中7 f 2 晶体场能级随微扰 距离的演变。通过比较理论计算的7 f 2 晶体场能级与w 0 4 ：e u 3 + 纳米晶中5 d o 一7 f 2 发射光谱的异同，分析纳米晶表面效应对e u 3 + 电子能级的移动、劈裂作用，以及 对光谱跃迁选择定则的影响。选择y v 0 4 ：e u ”是基于两方面的考虑：其一是通过 激光选择激发观测到了纳米晶中e u ”格位由内部到表面逐渐退化的过程，试验上 获得的有关表面效应的信息比较充分；其二是e u 3 + 占据相对高的d 2 d 格位，表面 效应引起的变化e e 较明显，有利于试验现象的分析。 第二部分为e u 3 + 配合物纳米颗粒的制备以及发光特性的研究。利用再沉淀法 制备小粒径三元稀土配合物e u ( d b m ) 3 t p p o ( d b m = c 1 5 h 1 2 0 2 ，二苯甲酰甲烷： t p p o = c 1 8 h 1 5 0 p ，三苯基氧化膦) 的荧光纳米颗粒，通过原子力显微镜( a f m ) 对荧光纳米颗粒的大小、形貌进行了表征。根据e u ”配合物纳米微粒悬浊液的吸 收光谱和荧光光谱随时间的演化关系，分析水分子以及表面修饰对有机纳米微粒中 e u 3 + 荧光稳定性和发光效率等性质的影响。这里选择e u ( d b m ) 3 t p p o 是因其具有 较高的量子发光效率。小粒径、良好分散性稀土配合物荧光纳米微粒的合成，为纳 米稀土荧光标记材料真正用于生物分子免疫标记测定、核酸杂交测定、时间分辨荧 光生物成像测定以及生物芯片测定等研究奠定了较好的基础。 参考文献： 【1 】c b m u r r y ，d j n o r r i s ，m g b a w e n d i ，j a m c h e m s o c 11 5 ( 1 9 9 3 ) ，8 7 0 6 【2 】p b a l l ，l g a r w i ，n a t u r e 3 5 5 ( 1 9 9 2 ) ，7 6 1 1 0 - 北京交通大学博士学位论文 第一章 【3 】 【4 】 【5 】 【6 】 【7 】 【8 】 【9 】 0 】 1 】 2 】 3 】 4 】 【1 5 1 6 】 【1 7 】 【1 8 】 【1 9 】 【2 0 【2 1 1 【2 2 】 【2 3 k l k e l l y ，e c o r o n a d o ，l l z h a o ，g c s c h a t z ，j p h y s c h e m b 1 0 7 ( 2 0 0 3 ) ， 6 6 8 张立德，牟季美，纳米材料和纳米结构2 0 0 1 ( 科学出版社：北京) t s e k o ，k o g u r a ，y k a w a k a m i ，h s u g i n o ，h t o y o t a m a ，j t