梁龍琪,陳彩玲,于 影,李雨昕,李春光,施 展

(吉林大學(xué)無機合成與制備化學(xué)國家重點實驗室,長春 130012)

稀土摻雜的熒光納米材料[1,2]因其熒光壽命長、St?kes位移大、光化學(xué)穩(wěn)定性強及發(fā)射峰窄等優(yōu)良的光學(xué)性質(zhì)而被廣泛用于照明顯示[3]、生物成像[4,5]等多個領(lǐng)域. 稀土釩酸鹽[6,7]具有良好的光學(xué)[8]、磁學(xué)[9]和催化[10]性質(zhì),是稀土化合物家族中的重要一員,其中釩酸釔(YVO4)是一種良好的基質(zhì)材料,其作為發(fā)光、顯示和激光材料受到廣泛關(guān)注[11]. 合成YVO4納米材料的方法較多[12～14],其中使用最廣泛的是水熱(溶劑熱)法[15,16]. 與熱輻射相比,微波輻射輔助加熱具有加熱時間短、無加熱梯度且受熱均勻等優(yōu)勢[17～19],該方法顯著縮短了反應(yīng)時間,加快了反應(yīng)進程. 本課題組[20,21]利用微波水熱法合成了多種具有上、下轉(zhuǎn)換發(fā)光性能的稀土納米粒子. 除合成方法外,模板劑的選擇對于納米材料尺寸和形貌的控制也至關(guān)重要. 通常的模板劑是選擇長鏈有機分子或者高分子聚合物. 如,Li等[22]以油酸為模板劑,采用溶劑熱法合成了油溶性的LaVO4納米粒子; Liu等[23]以聚吡咯烷酮為模板劑合成了納米級YVO4粒子. 迄今,以小分子作為模板劑的合成方法鮮見報道. 最常用的小分子是檸檬酸[24～27],如Yang等[27]用檸檬酸合成了GdVO4∶Eu納米粒子. 氨基酸作為人體的必需營養(yǎng)物質(zhì)[25],在其參與下合成的納米粒子生物兼容性強,有利于在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用; 而且氨基酸成本低、原料易得,適合作為小分子模板劑. 本文以β-丙氨酸為模板劑,水為溶劑,合成了具有水溶性的YVO4∶Eu納米粒子. 探究了氨基酸加入量對納米粒子結(jié)構(gòu)及形貌等的影響,并將該方法拓展到其它稀土釩酸鹽納米粒子的合成中. 同時研究了該納米粒子的熒光性質(zhì),并將其制作成3D復(fù)合物模型. 此外,所合成的YVO4∶Eu納米粒子還可作為低生物毒性的熒光探針用于標記小鼠結(jié)腸癌CT26細胞.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

YCl3·6H2O,EuCl3·6H2O和LaCl3·xH2O購于Sigma-Aldrich公司; GdCl3和LuCl3·6H2O購于Alfa Aesar公司; 乙二醇(EG)、交聯(lián)劑與固化劑、Na3VO4·12H2O、β-丙氨酸和NaOH購于國藥集團化學(xué)試劑有限公司; 所有試劑均為分析純.

Rigaku D/Max 2500型X射線衍射儀(XRD,日本理學(xué)公司),掃描范圍6°～60°,掃描速度6°/min; IFS-66V/S型傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR,德國布魯克公司); Tecnai G2 S-Twin F20型場發(fā)射透射電子顯微鏡(TEM,荷蘭FEI公司),加速電壓200 kV; FL920S型熒光光譜儀(FL,英國愛丁堡公司); A1型共聚焦激光顯微鏡(日本尼康公司).

1.2 YVO4∶Eu納米粒子的合成

稱取0.475 mmol YCl3·6H2O,0.025 mmol EuCl3·6H2O和1.0 mmolβ-丙氨酸溶于10 mL去離子水中,經(jīng)劇烈攪拌制成溶液A; 將0.6 mmol Na3VO4·12H2O溶于6 mL去離子水中,經(jīng)攪拌澄清后,將其注入溶液A中,形成渾濁的反應(yīng)液,用1 mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)反應(yīng)液pH=12,攪拌10 min后,移入帶有聚四氟乙烯內(nèi)襯的微波反應(yīng)釜中; 于5 min內(nèi)微波加熱升溫至180 ℃,反應(yīng)20 min后,自然冷卻至室溫. 高速離心收集產(chǎn)物,用水洗滌、離心多次,將得到的納米粒子或溶于水或真空干燥,備用. 合成其它釩酸鹽納米粒子時只需將YCl3·6H2O換成其它稀土氯化物即可.

1.3 熒光器件的制備

將0.1 mL氨基酸包覆的YVO4∶Eu納米粒子超聲分散于 0.2 mL的EG中制成溶液B. 取6 mL交聯(lián)劑與2 mL固化劑(樹脂)混合,制成溶液C. 將溶液B與溶液C在劇烈攪拌下混合,于80 ℃下交聯(lián)反應(yīng)1 h,得到白色硅膠復(fù)合材料.

1.4 細胞成像實驗

將小鼠結(jié)腸癌CT26細胞置于RPMI-1640培養(yǎng)基中培養(yǎng),加入體積分數(shù)為10%的優(yōu)質(zhì)胎牛血清和體積分數(shù)為1%的雙抗(青霉素,鏈霉素),再分別取0.1 mL 10和20 μg/mL氨基酸包覆的YVO4∶Eu納米粒子放入上述培養(yǎng)皿中培養(yǎng) 24 h,然后用PBS緩沖液(20 mmol,pH=7.4)清洗樣品3次以除去剩余的納米粒子. 用激光共聚焦顯微鏡拍攝標記細胞的熒光照片.

2 結(jié)果與討論

2.1 YVO4∶Eu納米粒子的結(jié)構(gòu)、形貌和表面狀態(tài)

圖1(A)為采用1.0 mmolβ-無氨酸制備的氨基酸包覆的YVO4∶Eu納米粒子的XRD譜圖,可見其衍射峰強度和位置與YVO4標準卡片(PDF No.17-0341)中的譜峰完全吻合,其中3個最強特征衍射峰與四方相YVO4的(200),(112)和(312)晶面對應(yīng),說明納米粒子結(jié)晶化程度高,無多余雜質(zhì),Eu3+離子的摻入并未影響納米粒子的相純度. 利用紅外光譜表征了納米粒子的表面狀態(tài),將以β-丙氨酸作為模板劑合成的YVO4∶Eu納米粒子與純β-丙氨酸的IR光譜進行了對比,由圖1(B)可見,氨基酸包覆的納米粒子在1620 cm-1處有明顯的吸收峰,這是由非質(zhì)子化的羧酸根中羰基的反對稱振動引起的,說明納米粒子表面有羧基存在. 由于羧基覆蓋于納米粒子的表面,從而賦予了納米粒子良好的水溶性. 由納米粒子的低倍TEM照片[圖1(C)]可見,納米粒子的尺寸小于50 nm,如此小的尺寸也使納米粒子具有更好的水分散性,可長時間不團聚. 圖1(C)插圖為納米粒子的高分辨TEM照片,可見清晰的晶格條紋,這進一步說明納米粒子具有良好的結(jié)晶性.

Fig.1 XRD pattern(A) of YVO4(a) and alanine capped YVO4∶Eu nanoparticles(b),IR spectra(B) of alanine(a) and alanine capped YVO4∶Eu nanoparticles(b) and TEM and high-resolution TEM images(insert)(C) of alanine capped YVO4∶Eu nanoparticles

2.2 氨基酸的影響

氨基酸作為模板劑在納米粒子合成過程中起到了重要作用. 通過對比無氨基酸與加入不同量氨基酸條件下產(chǎn)物的組成和形貌分析了氨基酸對YVO4∶Eu納米粒子合成的影響. 圖2(A)～(C)分別為無氨基酸、加入0.5和1.5 mmolβ-丙氨酸后的TEM照片. 可見,在不加入氨基酸條件下合成的YVO4∶Eu納米粒子尺寸分布不均一,因表面無羧基而更易發(fā)生團聚. 加入氨基酸得到的納米粒子與未加入氨基酸相比,粒子尺寸明顯變小且更均一. 隨著氨基酸的加入量從0.5 mmol逐漸增加到1.5 mmol,納米粒子的尺寸逐漸變小. 值得注意的是,當氨基酸的加入量為1.0 mmol[圖1(C)]時其分散性最佳. 故所有實驗均選擇氨基酸加入量為1.0 mmol. 圖2(D)示出了對應(yīng)于圖2(A)～(C)樣品的XRD譜圖,可見隨著β-丙氨酸加入量的逐漸增大,其XRD衍射峰的半峰寬越來越寬,說明合成的納米粒子尺寸逐漸減小,該結(jié)果與TEM結(jié)果一致.

Fig.2 TEM images of YVO4∶Eu nanoparticles without alanine(A),adding 0.5 mmol(B) or 1.5 mmol(C) alanine in the reaction solution and the corresponding XRD patterns a—c(D)

所建立的以氨基酸為模板劑,水為溶劑,微波輔助的水熱合成方法也可用于合成其它稀土釩酸鹽. 圖3(A)～(D)分別為氨基酸包覆的LaVO4∶Eu,LuVO4∶Eu,GdVO4∶Eu和EuVO4納米粒子的TEM照片,所有納米粒子均具有較小的尺寸和良好的水分散性. 因此,該方法不僅適用于YVO4∶Eu納米粒子的合成,還適用于其它稀土釩酸鹽納米粒子的合成,具有廣泛的適用性.

Fig.3 TEM images of alanine capped LaVO4∶Eu(A),LuVO4∶Eu(B),GdVO4∶Eu(C) and EuVO4 nanoparticles(D)

2.3 YVO4∶Eu納米粒子的熒光性能

Fig.4 Excitation(A),emission(B) spectra,CIE coordinate diagram(C) and decay curve(D) of YVO4∶Eu nanoparticles

2.4 YVO4∶Eu納米粒子用于3D復(fù)合物發(fā)光模型

氨基酸包覆的YVO4∶Eu納米粒子具有良好的熒光特性,且在水溶液中具有良好的分散性,可以將其植入到聚合物中制成圖案化的復(fù)合物模型用于3D圖像顯示. 圖5(A)和(C)分別為復(fù)合材料制成的花朵形狀以及“納米蛋糕”在日光燈下的照片. 由于合成的氨基酸包裹的YVO4∶Eu納米粒子為白色固體,分散在EG中并經(jīng)過交聯(lián)-固化后得到了白色復(fù)合物模型,這些模型具有一定的韌性,能長時間保持特有的形狀. 圖5(B)和(D)為上述圖案化的3D復(fù)合物模型在紫外燈(激發(fā)波長為305 nm)照射下的熒光照片. 可以看出,復(fù)合物發(fā)出明亮的紅光且材料發(fā)光均勻,說明納米粒子較好地分散其中,該模型在紫外燈持續(xù)照射24 h后依舊保持著良好的熒光性能,說明該復(fù)合材料具有良好的穩(wěn)定性.

Fig.5 Digital photos of polymer composites with different shapes under sunlight(A,C)and UV light(B,D)

2.5 YVO4∶Eu納米粒子用于細胞成像

氨基酸包覆的YVO4∶Eu納米粒子具有幾乎無毒性、生物兼容性好且發(fā)光能力強等優(yōu)點,在生物標記領(lǐng)域有著極其重要的潛在應(yīng)用價值. 本文將其作為熒光探針用于標記小鼠結(jié)腸癌CT26細胞. 圖8(A)～(D)分別示出了在加入10 μg/mL的氨基酸包覆的YVO4∶Eu納米粒子的條件下,CT26細胞經(jīng)孵育后的細胞成像結(jié)果. 可見,在405,488和561 nm波長光的激發(fā)下,CT26細胞發(fā)出較強的藍色、綠色和紅色熒光,說明制備的納米粒子具有寬激發(fā)的優(yōu)良性質(zhì),與材料的激發(fā)光譜一致. 圖8(E)～(H)分別示出了在加入20 μg/mL的氨基酸包覆的YVO4∶Eu納米粒子條件下,CT26細胞經(jīng)孵育后的細胞成像結(jié)果. 可見,在納米粒子濃度增大后,細胞仍保持良好的形態(tài),這說明材料具有良好的生物相容性. 此外,CT26細胞的熒光強度隨著孵育的納米粒子濃度的增大而增強,這可能是由于氨基酸包覆的YVO4∶Eu納米粒子逐漸積累到細胞質(zhì),顯示出良好的膜通透性. 上述結(jié)果表明,氨基酸包覆的YVO4∶Eu納米粒子作為熒光探針在細胞檢測及傳感等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值.

Fig.6 Confocal laser scanning microscope images of CT26 cells incubated with YVO4∶Eu nanoparticles with different contents under 405 nm(A,E),488 nm(B,F),561 nm(C,G) and bright field(D,H)Nanoparticles content/(μg·mL-1): (A)—(D) 10; (E)—(H) 20.

3 結(jié) 論

利用微波輔助加熱的水熱法合成了β-丙氨酸包覆的YVO4∶Eu納米粒子,其具有良好的水分散性,尺寸小于50 nm. 在紫外光激發(fā)下,YVO4∶Eu納米粒子發(fā)出明亮的紅光(熒光壽命為0.928 ms). 氨基酸的加入量會影響所合成YVO4∶Eu納米粒子的尺寸,隨著氨基酸加入量的增大,納米粒子的尺寸變小. 這種以氨基酸為模板劑的微波輔助水熱法也同樣適用于其它稀土釩酸鹽的合成. 將合成的納米粒子與硅膠樹脂復(fù)合后可獲得圖案化的熒光模型,且復(fù)合物模型的穩(wěn)定性較好. 進一步將YVO4∶Eu納米粒子作為熒光探針用于標記小鼠結(jié)腸癌CT26細胞.