NaYF4:Yb,Er/Tm上转换荧光纳米材料的合成、修饰及应用*

上转换荧光纳米材料NaYF4:Yb,Er/Tm因具有独特的上转换发光性能,在固体激光器、三维立体演示、红外成像等很多方面都有着重要的应用。近年来,NaYF4:Yb,Er/Tm上转换纳米颗粒作为荧光标记物用于生物标记引起了研究者的浓厚兴趣。合成出高质量、高荧光性能的NaYF4:Yb,Er/Tm上转换纳米颗粒是使之能够在生物医学等领域广泛应用的前提条件。本文针对NaYF4:Yb,Er/Tm上转换荧光纳米颗粒的合成方法、表面修饰以及生物应用等方面的研究进展进行综述。     

荧光增强核壳结构NaYF_4:Yb,Er@NaGdF_4@SiO_2@Ag上转换荧光纳米粒子的制备与性能

通过热分解法合成了NaYF_4:Yb,Er油溶性上转换荧光纳米粒子,并以NaYF_4:Yb,Er为晶种制备了核壳结构的NaYF_4:Yb,Er@Na Gd F4荧光纳米粒子,经荧光测试纳米粒子的荧光性能提高了8倍。用反相微乳液法在纳米粒子表面包覆了一层Si O2-(CH2)3-NH2,有效地改善了纳米粒子的水溶性。在Si O2表面沉积Ag纳米粒子,通过贵金属纳米粒子表面等离子共振效应进一步增强了复合纳米粒子的荧光性能,经测试纳米粒子荧光性能又提高了8倍。通过小鼠体内成像实验,发现所合成的纳米粒子生物体内具有较强荧光成像功能。试验中还发现表面活性剂Igepal CO-520和TEOS对包覆层形貌有着重要的影响。     

内嵌硫化镉与上转换纳米颗粒的二氧化钛复合纳米管用于近红外光驱动光催化

由于近红外光在太阳光谱中占44%,因此,近红外光驱动的光催化剂的研制具有十分重要的意义.上转换发光材料可将低能量的近红外光子转换为高能光子,这种高能光子可以通过构建荧光共振转移系统将能量转移并活化量子效率较高的半导体材料,对于太阳能的转化利用具有潜在的应用前景.在本文中,通过胶体化学的过程在电纺丝制备的内嵌CdS纳米颗粒以及上转换荧光纳米颗粒(UCNPs)的二氧化硅复合纳米纤维表面外延生长一层二氧化钛层,通过高温煅烧得到二氧化钛复合纳米管.我们通过二氧化硅结构将CdS纳米颗粒与上转换荧光纳米颗粒紧紧束缚在一起,实现较高的荧光共振能量转移.而且,选择β-NaYF4:Yb(30%),Tm(0.5%)@NaYF4:Yb(20%),Er(2%)作为纳米能量转换器,替代以前研究工作中使用的β-NaYF4:Yb(30%),Tm(0.5%)或者β-NaYF4:Yb(30%),Tm(0.5%)@NaYF4纳米颗粒,来进一步提高近红外光的转换效率.通过透射电子显微镜照片很清楚的观察到制备的TiO2复合纳米管内部内嵌有大量的CdS与上转换纳米颗粒.通过X-射线衍射以及X-射线光电子能谱能仪器对产物的物相以及表面的化学组成进行了细致的表征.结果显示,通过本实验方法已经成功获得了TiO2复合纳米管.用稳态与瞬态荧光仪研究了最终样品的荧光性质.研究结果揭示,与上转换纳米颗粒以及二氧化硅复合纳米纤维相比,复合二氧化钛纳米管可以将上转换荧光纳米颗粒的(UV-Vis)部分荧光完全淬灭了.特别是,铒离子的荧光(650 nm)也被有效淬灭转移,说明本研究采用β-NaYF4:Yb(30%),Tm(0.5%)@NaYF4:Yb(20%),Er(2%)纳米能量转换器,可以提高近红外光的转换效率,紫外-可见吸收光谱证实,这种二氧化钛纳米管在紫外-可见光区中的吸收光谱与β-NaYF4:Yb(30%),Tm(0.5%)@NaYF4:Yb(20%),Er(2%)纳米颗粒的荧光光谱具有较大的重叠,使得上转换荧光纳米颗粒与CdS以及二氧化钛组分之间的荧光共振转移的效率大大提高,进而会显著提高光催化的效果.以罗丹明染料作为污染物为模型,我们研究了罗丹明染料在氙灯下或者近红外光光照下的光催化分解实验.研究结果表明,90%的罗丹明染料分子在20 min内就被降解掉,效率高于其它的近红外光催化剂.上转换荧光纳米颗粒的能量转换效率可以得到大幅度提高,本研究工作中制备的光催化剂利用太阳能的效率将会得到极大提高,在未来为能源危机以及环境保护提供一种可供选择的方法与技术.     

β-NaYF4：Yb,Er纳米晶与四甲基异氰酸罗丹明染料分子间的发光共振能量转移研究

Yb^3＋和Er^3＋离子掺杂的NaYF4纳米晶在近红外光（980nm）激发下可产生中心位于539和655nm的上转换发光,其中位于539nm的发光与四甲基异氰酸罗丹明（tetrametrylrhodarnine isothiocyante,TRITC）染料分子的吸收光谱部分重叠.本文基于上述光谱重叠特性,构筑了以β-NaYF4：Yb,Er为能量给体、TRITC为能量受体的发光共振能量转移（LRET）体系.TRITC分子通过静电作用紧密吸附于纳米晶表面,其较近距离的相互作用利于提高LRET效率和体系的稳定性.在980nm近红外光激发下,LRET过程使NaYF4：Yb,Er位于539nm的上转换发光减弱,同时可观察到TRITC染料分子的发光.对发光寿命的研究也证实了β-NaYF4：Yb,Er到TRITC的能量传递.     

Ag@SiO_2@GdF_3:Yb,Er核壳结构纳米材料的制备与增强上转换荧光

采用直接沉淀法成功制备了Ag@SiO2@GdF3:Er,Yb核壳结构纳米上转换发光粒子,并用XRD,TEM,UV-Vis,FTIR以及荧光光谱等对其结构和发光性能进行了表征.XRD分析表明:Ag表面包覆上了结晶良好的正交晶系的GdF3:Er,Yb.TEM照片显示:制备的复合纳米粒子具有明显的球形核壳结构,内核Ag粒子的直径约50 nm左右,包覆后的Ag@SiO2@GdF3:Er,Yb粒径约为80~120 nm,表面光滑且包覆完全.UV-Vis光谱证明:GdF3:Er,Yb和SiO2成功包覆在Ag核表面,包覆后Ag纳米粒子的表面等离子体共振吸收峰发生了红移.荧光光谱表明:在980 nm激光激发下,该复合纳米粒子显示出和纯的GdF3:Er,Yb相同的Er3+的特征红色和绿色上转换发光,以位于655 nm处的Er3+离子的4F9/2→4I15/2的红光发射最强,并且复合粒子的发射光强度比纯的GdF3:Er,Yb有所增强.     

Surface modification of hydrophobic NaYF_4:Yb,Er upconversion nanophosphors and their applications for immunoassay

β-NaYF4:Yb,Er upconversion nanophosphor (UCNP) is known as one of the most efficient NIR-to-visible upconversion materials, which shows great potential in bioanalytical chemistry and bioimaging. However, its applications are greatly limited due to its low water dispersibility and thus poor biocompatibility. In this paper, poly(acrylic acid) (PAA)-based ligand exchange strategies are carried out to modify oleic acid-capped hydrophobic β-NaYF4:Yb,Er UCNPs into hydrophilic ones. After efficient surface modific...     

NaYF4∶Yb3+,Er3+@NaGdF4@TaOx多模态纳米探针的合成及其在生物成像中的应用

采用溶剂热法在稀土掺杂NaYF4∶Yb3+,Er3+上转换纳米粒子上包覆一层NaGdF4,再利用反相微乳液法在NaGdF4上覆盖一层TaOx,从而合成NaYF4∶Yb3+,Er3+@NaGdF4@TaOx核壳壳结构的纳米探针。使用透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)及X射线能量色散谱分析(EDS)对NaYF4∶Yb3+,Er3+@NaGdF4@TaOx纳米探针的结构和组成进行表征。并通过荧光光谱、磁滞回线以及电子计算机X射线横断扫描(CT)造影成像等方法对其性能进行了表征,证明该纳米探针具有良好的光学、磁学和CT造影特性。将NaYF4∶Yb3+,Er3+@NaG-dF4@TaOx纳米探针应用于小鼠活体成像实验,结果表明,这种纳米探针对小鼠肿瘤部位的磁共振成像(MRI)和CT信号均有较好的增强效果,表明其在多模态造影成像方面有潜在的应用前景。     

内嵌硫化镉与上转换纳米颗粒的二氧化钛复合纳米管用于近红外光驱动光催化（英文）

由于近红外光在太阳光谱中占44%,因此,近红外光驱动的光催化剂的研制具有十分重要的意义.上转换发光材料可将低能量的近红外光子转换为高能光子,这种高能光子可以通过构建荧光共振转移系统将能量转移并活化量子效率较高的半导体材料,对于太阳能的转化利用具有潜在的应用前景.在本文中,通过胶体化学的过程在电纺丝制备的内嵌CdS纳米颗粒以及上转换荧光纳米颗粒(UCNPs)的二氧化硅复合纳米纤维表面外延生长一层二氧化钛层,通过高温煅烧得到二氧化钛复合纳米管.我们通过二氧化硅结构将CdS纳米颗粒与上转换荧光纳米颗粒紧紧束缚在一起,实现较高的荧光共振能量转移.而且,选择β-NaYF_4:Yb(30%),Tm(0.5%)@NaYF_4:Yb(20%),Er(2%)作为纳米能量转换器,替代以前研究工作中使用的β-NaYF_4:Yb(30%),Tm(0.5%)或者β-NaYF_4:Yb(30%),Tm(0.5%)@NaYF_4纳米颗粒,来进一步提高近红外光的转换效率.通过透射电子显微镜照片很清楚的观察到制备的Ti O2复合纳米管内部内嵌有大量的CdS与上转换纳米颗粒.通过X-射线衍射以及X-射线光电子能谱能仪器对产物的物相以及表面的化学组成进行了细致的表征.结果显示,通过本实验方法已经成功获得了Ti O2复合纳米管.用稳态与瞬态荧光仪研究了最终样品的荧光性质.研究结果揭示,与上转换纳米颗粒以及二氧化硅复合纳米纤维相比,复合二氧化钛纳米管可以将上转换荧光纳米颗粒的(UV-Vis)部分荧光完全淬灭了.特别是,铒离子的荧光(650 nm)也被有效淬灭转移,说明本研究采用β-NaYF_4:Yb(30%),Tm(0.5%)@NaYF_4:Yb(20%),Er(2%)纳米能量转换器,可以提高近红外光的转换效率,紫外-可见吸收光谱证实,这种二氧化钛纳米管在紫外-可见光区中的吸收光谱与β-NaYF_4:Yb(30%),Tm(0.5%)@NaYF_4:Yb(20%),Er(2%)纳米颗粒的荧光光谱具有较大的重叠,使得上转换荧光纳米颗粒与CdS以及二氧化钛组分之间的荧光共振转移的效率大大提高,进而会显著提高光催化的效果.以罗丹明染料作为污染物为模型,我们研究了罗丹明染料在氙灯下或者近红外光光照下的光催化分解实验.研究结果表明,90%的罗丹明染料分子在20 min内就被降解掉,效率高于其它的近红外光催化剂.上转换荧光纳米颗粒的能量转换效率可以得到大幅度提高,本研究工作中制备的光催化剂利用太阳能的效率将会得到极大提高,在未来为能源危机以及环境保护提供一种可供选择的方法与技术.     

稀土上转换发光纳米粒子NaYF_4:Yb~(3+),Er~(3+)与细胞相互作用机制的初步研究

选用两种典型的稀土上转换发光纳米粒子,即表面包覆氨基带正电的Na YF4:Yb3+,Er3+纳米粒子(HINPs)和包裹巯基带负电的Na YF4:Yb3+,Er3+纳米粒子(HMNPs),探究这两种粒子与细胞相互作用的机制。虽然HINPs和HMNPs的表面电性不同,但是理化性质相近、荧光发光强度相差不大,因此不会造成显著的成像差异。通过使用共聚焦成像和流式细胞仪进行检测,对比三种培养环境(正常培养条件、抑制膜蛋白活性培养条件和阻碍细胞内消耗能量运输过程的培养条件)的实验结果,发现HINPs和HMNPs的跨膜是一种消耗能量的受体介导的胞吞运输过程。另外,细胞对HINPs的摄取量要远大于对HMNPs的摄取量,说明带正电的粒子更容易和带负电的细胞膜相结合并进入细胞。     

基于NaYF4:Yb,Er上转换荧光纳米颗粒精准检测DNA

建立了一种利用碱基堆积原理并以上转换纳米粒子荧光作为内参的精准检测DNA的方法。该方法首先利用热分解法制备NaYF₄：Yb,Er上转换荧光纳米颗粒（upconversion nanoparticles,UCNPs）,再通过表面羧基化变性牛血清蛋白修饰后与氨基化探针核酸单链共价偶联,形成上转换荧光标记显示探针。最后再基于碱基堆积原理进行杂交检测。研究结果表明以NaYF₄：Yb,Er荧光强度为内参,根据FAM/UCNP的强度比来定量检测目标DNA浓度比单一的以报告DNA中FAM荧光强度定量检测目标DNA浓度要更为精准,有效地避免了实验中出现的人为操作和仪器误差。本方法不需要进行扩增,检测底限可达到5 nmol·L^-1,且在较大的浓度范围内有较好的线性关系,同时该方法也有着良好的特异性,能有效区分单碱基错配序列。     

Y0.78Yb0.2Er0.02F3多孔纳米粒子的合成与上转换发光

以Y2O3,Yb2O3,Er2O3,NH4F等试剂为原料,采用水热法在180 ℃下保温10 h获得了NH4Y1.56Yb0.4Er0.04F7球形纳米粒子. 所获得的纳米粒子在氮气保护下400 ℃灼烧2 h,制备出Y0.78Yb0.2Er0.02F3纳米粒子. 利用Scherrer公式计算出NH4Y2F7:Yb3 ,Er3 和YF3:Yb3 ,Er3 的粒径分别为65.8和68.3 nm. TEM照片展示粒子近球形,其大小与Scherrer公式计算结果一致. TEM还揭示每个粒子上面应带有许多小孔. 氮气吸附脱附实验进一步证实了粒子上存在小孔. 在980 nm的红外激光激发下,NH4Y1.56Yb0.4Er0.04F7不发光,而Y0.78Yb0.2Er0.02F3发出明亮的绿光,表明所获得的Y0.78Yb0.2Er0.02F3具有强的上转换发光.     

基于NaYF4:Yb,Er上转换荧光纳米颗粒精准检测DNA

建立了一种利用碱基堆积原理并以上转换纳米粒子荧光作为内参的精准检测DNA的方法。该方法首先利用热分解法制备NaYF_4∶Yb,Er上转换荧光纳米颗粒(upconversion nanoparticles,UCNPs),再通过表面羧基化变性牛血清蛋白修饰后与氨基化探针核酸单链共价偶联,形成上转换荧光标记显示探针。最后再基于碱基堆积原理进行杂交检测。研究结果表明以NaYF_4∶Yb,Er荧光强度为内参,根据FAM/UCNP的强度比来定量检测目标DNA浓度比单一的以报告DNA中FAM荧光强度定量检测目标DNA浓度要更为精准,有效地避免了实验中出现的人为操作和仪器误差。本方法不需要进行扩增,检测底限可达到5 nmol·L~(-1),且在较大的浓度范围内有较好的线性关系,同时该方法也有着良好的特异性,能有效区分单碱基错配序列。     

基于Er3+掺杂上转换纳米粒子的生物成像研究进展

上转换纳米粒子能够在近红外光的激发下发射可见光波段的高能光子.相对于传统荧光材料,上转换纳米粒子具有更好的组织穿透深度以及更好的生物相容性,减少了生物细胞组织自身荧光干扰,在高灵敏度的生物成像领域具有广阔的应用前景.铒(Erbium,Er)作为一种稀土金属元素,在近红外Ⅱ区(1500 nm)有很强的吸收,同时发射出红光...     

磁性无机-生物复合粒子敏感膜新型电流型免疫传感器的研究

合成了磁性Fe3O4纳米粒子,利用3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APS)进行硅烷化,形成表面带有氨基的磁性Fe3O4纳米复合粒子,再用戊二醛将羊抗人免疫球蛋白G抗体(anti-IgG)固定在该磁性粒子表面,通过磁力将其修饰于固体石蜡碳糊电极表面制作成免疫传感器。与标记HRP的二抗体anti-IgG结合,以对苯二酚作为电子媒介体,实现对人免疫球蛋白G(IgG)的定量检测。IgG测定线性范围为2.5~400μg/L,检出限为0.75μg/L。该免疫传感器制作简单,成本低,表面更新方便,可用于临床血清检测。     

NaYF_4:Yb/Er-碳纳米管功能纳米材料的制备、表征及其在肿瘤细胞的靶向检测和治疗中的应用

将叶酸分子(FA)和2,3-二巯基丁二酸(DMSA)修饰的稀土上转换发光纳米粒子NaYF4:Yb/Er通过酰胺键偶联在多壁碳纳米管(MWCNT)的表面,得到NaYF4:Yb/Er-MWCNT-FA功能化复合纳米材料,并通过透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、紫外-可见吸收光谱(UV-vis)、荧光光谱(PL)和共聚焦激光扫描显微镜等手段表征了其形貌、结构、发光性能和靶向成像性能.共聚焦激光扫描显微镜结果表明,相对于正常的HLF细胞,所制备的复合材料能够靶向检测叶酸受体高表达的宫颈癌Hela细胞.此外,将阿霉素进一步通过ππ堆垛吸附在此复合材料后,该载药体系具有明显的抗肿瘤活性,能够实现对肿瘤细胞的一步检测和治疗.     

罗丹明B硅纳米粒子探针及其在蛋白芯片检测中的应用

本工作将罗丹明B分子通过共价结合的方式成功地包裹在二氧化硅纳米粒子中,制备的纳米粒子荧光强度和罗丹明B分子相比提高了1000倍.对此硅纳米荧光粒子进一步进行了链亲和素修饰,成功制备了可特异性结合生物素修饰蛋白的纳米荧光检测探针.以反相蛋白质芯片检测为模式,研究了此探针对微量蛋白的检测性能.实验中将不同微量浓度的人IgG固定于醛基修饰玻璃片表面,并加入生物素标记的抗人IgG,结果显示在800fg～100pg含量的微量蛋白检测中此纳米荧光探针具有良好的线性关系,最小蛋白检测量可达100fg.与商品化亲和素偶联cy3荧光探针对比分析发现,本方法制备的荧光探针对蛋白的检测灵敏度可提高8倍,且具有成本低,生物修饰简单等优点.     

LaF_3∶Yb~(3+),Er~(3+)纳米晶:溶剂热法合成及上转换发光性质

利用溶剂热合成方法,分别以油酸和油胺为表面有机配体,合成了具有六角结构,颗粒尺寸分别为19和23nm单分散的LaF3:Yb3+,Er3+纳米晶。在980nm红外激光照射下,LaF3:Yb3+,Er3+纳米晶发射出肉眼可观察的绿色和红色上转换荧光,而且其发光过程均符合双光子过程。结合红外光谱与上转换光谱分析了表面有机配体对LaF3:Yb3+,Er3+纳米晶上转换发光的影响,结果显示,以油酸分子为表面配体的纳米晶具有较高的上转换发射强度,但以油胺为表面配体的纳米晶的红光发射相对增强。     

上转换发光免疫层析试纸条快速定量检测己烯雌酚

采用溶剂热法合成上转换纳米颗粒(UCNPs)-NaYF4∶ Yb,Er,进行表面功能化修饰,将其与己烯雌酚(DES)单克隆抗体偶联,制备荧光探针,以牛血清白蛋白-己烯雌酚(BSA-DES)偶联物和羊抗鼠二抗分别喷涂硝酸纤维膜,形成试纸条检测线(T线)和质控线(C线),建立了上转换发光免疫层析试纸条快速定量检测DES的方法.实验结果表明,此试纸条定量检测DES线性范围为25～ 10000 ng/mL(y=0.43927x-0.57647,R2=0.996),检出限为20.84 ng/mL,单个样品检测时间为15 min,批内和批间变异系数均小于10％,特异性识别能力强,在37℃存放下7天检测值RSD的平均值约为15％.加标回收实验显示平均回收率为90.1％～115.2％,相对标准偏差小于5％,与高效液相色谱法有较好的一致性.     

PAA修饰稀土掺杂NaYF_4上转换发光中空微管的合成及表征

采用水溶性聚合物聚丙烯酸(PAA)调介的水热法,一步合成具有中空微管结构的PAA修饰β-Na YF_4:Yb~(3+)/Er~(3+)上转换材料。通过扫描电镜、X射线衍射等对产物进行了表征。结果表明,合成中空微管晶体具有均匀的尺寸(平均尺寸为2.0μm×0.6μm);产物呈现出纯β-Na YF_4单晶结构,结晶度高;且稀土离子(Yb~(3+)和Er~(3+))被均匀地掺杂在β-Na YF_4单晶的晶格中。红外光谱表明,中空微管结构的β-Na YF_4:Yb~(3+)/Er~(3+)材料表面含有PAA,PAA修饰赋予中空微管结构的β-Na YF_4:Yb~(3+)/Er~(3+)材料在水中具有良好的分散性。荧光光谱表明,该材料在980nm激光激发下具有优异的荧光性能。这种独特的结构,良好的水分散性,较高的荧光强度且表面含有大量的羧基官能团等特性均使得该材料在生物成像、防伪、药物运输等领域具有潜在的应用价值。     

一种基于纳米二氧化硅增强凝集反应的压电免疫传感器

本文提出了一种基于抗体包被纳米粒子的简单快速的压电免疫凝集法,用于蛋白质检测。该方法原理是利用羊抗人IgG（G-anti-hIgG）包被的二氧化硅（或金）纳米粒子和人IgG（hIgG）发生免疫凝集反应而使得压电晶体频率发生改变进行测定。当凝集反应发生时,修饰在探针表面的G-anti-hIgG通过hIgG与G-anti-hIgG包被的纳米粒子结合,将质量效应和粘弹性因素叠加作用于压电晶体。结果表明这使得背景值大幅减小而信号明显增强。另外,对修饰后了抗体及结合免疫复合物的探针表面进行了SEM表征,对使用聚乙二醇作为增敏剂和实验最佳离子强度、pH值进行了优化选择。该传感器检测hIgG线性范围是0.26-16.7 mg mL-1,最低检出限为84 ng mL-1。