摘要:近几年来, 稀土上转换发光纳米材料凭借其生物组织穿透深度大、无组织损伤、无背景荧光干扰和成像灵敏度高等诸多优点, 在生物体荧光成像领域展现了巨大的潜在应用价值. 本文采用“一次热注射”高温溶剂热法制备不同壳层厚度的NaYF₄:Yb, Tm@NaYF₄上转换发光材料. 利用透射电子显微镜、粒径分析、荧光光谱等对产物进行表征, 探讨壳层厚度对纳米粒子上转换发光强度的影响. 结果表明, 在980 nm近红外光照射下, 上转换纳米材料能够发出紫外-可见光. 而且, 由于壳层包覆有效抑制了上转换发光的表面猝灭效应, 核壳结构的NaYF₄:Yb, Tm@NaYF₄纳米粒子发光强度比NaYF₄:Yb, Tm提高了数十倍; 当壳层厚度为22.7 nm时, 上转换发光强度最强. 此外, 通过对上转换发光颗粒进行酸洗和聚乙二醇(PEG)修饰, 提高了纳米材料的生物相容性, 并成功将其应用于细胞的上转换荧光成像.
关键词: 上转换发光/
热注射法/
核壳结构/
生物成像

English Abstract

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生物体荧光成像技术是了解生物体组织结构, 阐明生物体内细胞活动和基因行为的一项无损测量技术. 如何制备出信噪比高、稳定性强且生物相容性良好的生物成像荧光探针, 一直是生物和化学领域争相研究的热点之一. 其中, 稀土掺杂的上转换发光纳米材料(upconversion nanoparticles, UCNPs)引起了****的广泛关注^[1-5]. 之所以称为“上转换”, 是因为UCNPs能够相继吸收两个或多个光子, 把长波段光转换成短波段光, 即在近红外光激发下, 能够发出短波近红外光、可见光或紫外光. 由于该现象违背了斯托克斯定律, 因此又被称为反斯托克斯定律发光^[6-10]. 与传统的荧光纳米材料(如有机染料分子、量子点等)相比, 稀土掺杂的荧光纳米材料具有发射谱线窄、荧光寿命长、斯托克斯位移大、体内稳定性好和生物相容性良好等优点. 更重要的是, 若将UCNPs应用到生物体荧光成像领域, 借助于上转换发光特性, 可以在近红外光激发下实现生物体荧光成像^[11-21], 从而有效解决生物成像面临的激发光穿透深度低的问题.
随着UCNPs材料研究的深入, 如何制备高发光强度和低制造成本的UCNPs, 已经成为该领域的重要课题之一^[22-27]. 近年来, 科研工作者通常对UCNPs进行有效的核壳结构设计, 以降低上转换发光纳米晶表面猝灭效应、减少稀土离子之间的相互作用以及增加对激发光的捕获能力等, 进而提高其上转换发光强度^[28-36]. 但是, 核壳结构的UCNPs制备一般采用分步包覆的高温溶剂热法, 存在步骤繁琐、耗时长、且合成效率较低等缺点. 对核壳结构的UCNPs的制备方法进行简化, 实现高质、高量、节能的UCNPs合成, 具有重要的实际意义和应用价值.
本文拟通过“热注射法”可控制备Yb³⁺, Tm³⁺共掺杂的核壳结构UCNPs (NaYF₄:Yb, Tm@NaYF₄), 用于实现上转换荧光成像(示意图如图1). 具体研究思路如下: 首先, 利用“热注射法”合成NaYF₄:Yb, Tm@NaYF₄. “热注射法”是指在核壳型UCNPs的合成过程中, 通过热注射的方法, 向核的反应溶液中直接注入壳层前驱体溶液, 进而合成核壳结构的UCNPs. 相比于之前报道的分步包覆制备方法, “热注射法”可以高效制备出核壳结构的UCNPs, 免除了反应过程中的降温、离心和洗涤部分, 大大简化了核壳结构UCNPs的合成步骤; 其次, 通过调整前驱体的注射量, 精确调控壳层的厚度, 可制备出不同壳层厚度的UCNPs. 通过对比不同壳层厚度UCNPs的上转换发光强度, 确定出最佳的UCNPs, 以满足后期的生物荧光成像需求; 最后, 对优化后的核壳UCNPs进行聚乙二醇(PEG)修饰, 增强其生物相容性, 并成功将其应用于生物荧光成像, 开发UCNPs在生物成像方面的应用潜力.
图 1 热注射法可控制备核壳型稀土上转换发光纳米材料的设计原理图
Figure1. Schematic design of core-shell structured upconversion nanoparticles synthesized with the hot injection method.

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2.1.实验原料与设备

氯化钇、氯化镱、氯化铥、油酸(OA)、十八烯(ODE)均购于Acros. 三氟乙酸、氧化钇、三氟乙酸钠购于阿拉丁(中国上海)有限公司. 盐酸、氟化铵、氢氧化钠、环己烷、乙醇均购于国药集团化学试剂有限公司. 培养细胞用到的胎牛血清、DMEM培养基、胰酶购自WISENT. 4%多聚甲醛固定液购于碧云天. 实验中所用水为去离子水.
使用日立HT-7700透射电子显微镜(日本日立有限公司)对纳米材料的形貌进行表征. 使用日立F-4600荧光计(日本日立有限公司)收集上转换荧光光谱. 980 nm激光器购于长春新产业光电技术有限公司.
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2.2.“热注射法”制备NaYF₄:Yb, Tm@ NaYF₄核壳纳米晶

稀土三氟乙酸化合物粉末的制备: 将烧杯洗净, 向干净的烧杯中加入50 mL去离子水, 边搅拌边滴加三氟乙酸约6.2 mL (80 mmol). 然后将三氟乙酸水溶液小心转移至100 mL的圆底烧瓶中, 并加入10 mmol稀土氧化物(如Y₂O₃). 随即将圆底烧瓶转移至110 ℃油浴锅中, 装上冷凝管后, 持续搅拌6 h至溶液变得澄清. 溶液冷却到室温后过滤, 将过滤后的溶液高温蒸干, 即得到稀土的三氟乙酸盐粉末. 将粉末存放于干燥器中备用.
NaYF₄:Yb, Tm@NaYF₄核壳纳米晶的制备: 1 mmol稀土元素氯化物(包括81.5% YCl₃, 18% YbCl₃和0.5% TmCl₃)、6 mL 油酸和 15 mL 十八烯混合加入到 100 mL 的三口瓶中, 120 ℃磁力搅拌蒸发掉水分, 得到淡黄色澄清的混合溶液. 混合溶液冷却至室温后, 加入10 mL含有 2.5 mmol 氢氧化钠和 4 mmol 氟化铵的甲醇溶液, 随即将温度升至70 ℃, 并保持20 min, 以蒸发甲醇溶液. 随后将混合溶液在110 ℃下抽真空20 min, 在氮气保护下升温至310 ℃, 并维持这个温度 60 min. 向反应体系中热注射含有三氟乙酸钠和三氟乙酸钇的油酸/十八烯溶液(体积1∶1), 310 ℃下维持60 min. 反应结束后将液体冷却至室温, 用乙醇和环己烷离心洗涤, 最后得到的上转换纳米晶体分散在环己烷中. 不同壳层厚度的NaYF₄:Yb, Tm@NaYF₄, 除了壳层前驱体溶液的热注射量不同以外, 其他反应条件均相同.
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2.3.细胞水平的上转换荧光成像

UCNPs表面修饰PEG的实验步骤如下: 将NaYF₄:Yb, Tm@NaYF₄的环己烷溶液(1 mL)加入到1%的盐酸溶液(1 mL)中, 超声10 min后, 搅拌3 h. 之后对混合溶液进行高速离心, 舍弃上清, 对沉淀水洗5—8次. 最后将得到的沉淀分散在1 mL去离子水中. 酸洗后的UCNPs与适量PEG-COOH混合均匀, 室温下搅拌24 h, 然后离心, 对沉淀水洗3—5次以除去未反应的PEG-COOH(10 mg). 最后将得到的UCNP@PEG分散到1 mL 去离子水中.
上转换荧光成像实验步骤如下: 将HeLa细胞接种在共聚焦培养皿中, 培养24 h后, 加入含有UCNPs的培养基溶液继续培养0.5, 3.0和6.0 h. 到达预定时间后, 用PBS冲洗3次, 然后用4%的多聚甲醛溶液固定10 min, 再用PBS冲洗3次. 上转换荧光成像通过一台倒置荧光显微镜检测, 激发光源是980 nm的激光器.

在本文中, 首先需要确认, 利用高温溶剂热法可以制备出单分散、高度结晶、纯β相的NaYF₄:Yb, Tm纳米晶. 如图2(a)和图2(b)所示, 制备出来的NaYF₄:Yb, Tm上转换纳米晶呈现均匀球形, 尺寸均一(约35.4 nm)且分散性良好. 从粒径分布图(图2(c))可以看出, NaYF₄:Yb, Tm上转换纳米晶的粒径分布符合高斯拟合. 通过测试NaYF₄:Yb, Tm上转换纳米晶的上转换发光光谱, 发现其上转换发光强度较低. 这主要是由于相比于块体材料, 纳米材料的比表面积大, 位于材料表面的原子或离子悬键、空位、位错等表面缺陷也随之增多. 这些具有高活性的表面缺陷能够吸收附近的敏化剂Yb³⁺和发光中心Tm³⁺的能量, 从而导致上转换发光的猝灭.
图 2 (a), (b) β相的NaYF₄:Yb, Tm的TEM图; (c) NaYF₄:Yb, Tm的粒径分布统计图
Figure2. (a), (b) TEM images and (c) the corresponding size distribution of the of NaYF₄: Yb, Tm.

由于进一步降低纳米材料表面的缺陷数目, 提高上转换发光强度的需求, 核壳结构UCNPs的制备逐渐成为了新兴研究热点之一. 在NaYF₄:Yb, Tm上转换纳米晶表面有效包覆一层壳层结构, 能够将NaYF₄:Yb, Tm核的表面缺陷进行有效钝化, 隔离外界的不利因素, 从而显著降低NaYF₄:Yb, Tm纳米材料的表面猝灭几率, 提高上转换发光强度. 在本体系中, 我们尝试在NaYF₄:Yb, Tm上转换纳米晶的表面包覆一层NaYF₄壳, 以提高UCNPs的上转换发光性能. 值得指出的是, 我们采用的是“热注射”方法制备核壳结构上转换纳米晶NaYF₄:Yb, Tm@NaYF₄. 具体来说, 首先在高温无水无氧的OA/ODE溶剂中制备出形貌均匀的NaYF₄:Yb, Tm, 然后向反应溶液中一次性注射合成壳层所需的前驱体溶液, 继续加热和搅拌. 反应60 min后, 通过自然冷却和离心, 得到NaYF₄:Yb, Tm@NaYF₄核壳结构上转换纳米晶. 与传统的核壳结构上转换纳米晶制备方法相比, “热注射”的方法在反应过程中无需自然冷却、反复离心清洗以及二次抽真空操作, 从而大大简化了制备过程, 提高了上转换纳米晶的合成效率.
此外, “热注射法”不仅能够显著缩短合成时间、提高合成效率, 还可以通过调整前驱体的注射量来精确调控壳层的厚度. 图3是采用“热注射法”合成的NaYF₄:Yb, Tm@NaYF₄纳米晶的示意图、透射电镜照片以及粒径分布图. 由透射电镜照片可以看出, 制备的NaYF₄:Yb, Tm@NaYF₄纳米晶是单一分散的球形纳米颗粒, 且具有核壳结构. 通过增加壳层前驱体的注射量, 可以在粒径35.4 nm的NaYF₄:Yb, Tm纳米晶上, 依次包覆由薄到厚的NaYF₄壳层. 图3(a) —图3(d) 表征的是壳层最薄的UCNPs, 其壳层平均厚度为4.2 nm. 随着壳层前驱体注射剂量的增加, UCNPs的壳层平均厚度逐渐增加到13.9 nm (图3(e)—图3(h)), 22.7 nm (图3(i)—图3(l)), 以及32.6 nm (图3(m)—图3(p)). 因此, “热注射法”合成核壳型上转换纳米晶, 能够较好地实现对纳米晶包覆壳层尺寸的控制. 此外, 需要注意的是, 采用“热注射法”合成的表面壳层成分是NaYF₄, 而不会含有Yb³⁺和Tm³⁺等掺杂元素. 这主要是因为制备NaYF₄: Yb, Tm时, 可以通过精准控制反应加入量, 使得反应溶液中的稀土离子完全反应^[28,37].
图 3 (a)?(d) NaYF₄:Yb, Tm@NaYF₄纳米粒子(粒径约43.8 nm)的结构示意图, TEM图和粒径分布图; (e)?(h) NaYF₄:Yb, Tm@NaYF₄纳米粒子(粒径约63.2 nm)的结构示意图, TEM图和粒径分布图; (i)?(l) NaYF₄:Yb, Tm@NaYF₄纳米粒子(粒径约80.8 nm)的结构示意图, TEM图和粒径分布图; (m)?(p) NaYF₄:Yb, Tm@NaYF₄纳米粒子(粒径约100.7 nm)的结构示意图, TEM图和粒径分布图
Figure3. (a)?(d) The schematic core-shell structure, TEM images and size distribution of NaYF₄:Yb, Tm@NaYF₄ (about 43.8 nm); (e)?(h) the schematic core-shell structure, TEM images and size distribution of NaYF₄:Yb, Tm@NaYF₄ (about 63.2 nm); (i)?(l) the schematic core-shell structure, TEM images and size distribution of NaYF₄:Yb, Tm@NaYF₄ (about 80.8 nm); (m)?(p) the schematic core-shell structure, TEM images and size distribution of NaYF₄:Yb, Tm@NaYF₄ (about 100.7 nm).

图4(a)给出了UCNPs上转换发光过程的能级示意图. 可以看出, 其上转换发光是一个复杂的多光子能量传递和转换过程. 敏化剂Yb³⁺离子的²F_7/2 → ²F_5/2的能级跃迁与 980 nm 近红外光子能量相匹配, 因此能够连续不断地吸收激发能量, 进而传递给相邻的发光中心Tm³⁺, 以布居Tm³⁺离子的³H₅, ³F₂ (³F₃)和¹G₄能级. Tm³⁺离子吸收Yb³⁺传递过来的能量后, 用于上转换发光的途径主要有以下三种: 1) ³H₆连续吸收3个光子的能量, 跃迁到¹G₄; 2) ³H₆首先连续吸收2个的光子能量后跃迁到³F₂能级. 后经交叉弛豫过程³F_{2, 3} + ³H₄ → ³H₆ + ¹D₂, 使得粒子布居在¹D₂能级上; 3) 布居在¹G₄, ¹D₂, ³P₂能级上的 Tm³⁺离子通过无辐射跃迁至³F_2,3,4, ³H_5,6等低能级, 实现上转换发光. 由NaYF₄:Yb, Tm 的发射光谱(图4(b))可知, Tm³⁺离子的上转换发光主要集中在345—385 nm和452—490 nm 的波段, 可以推断出粒子在¹I₆, ¹D₂和¹G₄的布居较大, ¹I₆ → ³F₄ (约350 nm), ¹D₂ → ³H₆ (约370 nm), ¹D₂ → ³F₄ (约456 nm)和¹G₄ → ³H₆ (约475 nm) 的跃迁几率较高.
图 4 (a) 980 nm激发下NaYF₄:Yb, Tm@NaYF₄纳米粒子的上转换机制; (b)不同壳层厚度的UCNPs的上转换发光光谱; (c)不同壳层厚度的UCNPs的上转换发光强度的柱状统计图
Figure4. (a) The energy transfer mechanisms of NaYF₄:Yb, Tm@NaYF₄ UCNPs; (b) the upconversion luminescent spectra and (c) the relative luminescent intensity of core-shell structured UCNPs with different shell thicknesses.

为了进一步探究NaYF₄壳层对上转换发光猝灭位点的抑制作用, 研究了不同壳层厚度的NaYF₄:Yb, Tm@NaYF₄纳米晶的上转换发光情况. 图4(b)展示了不同壳层厚度的纳米晶在980 nm近红外光激发下的荧光光谱图. 可以看出, NaYF₄:Yb, Tm和NaYF₄:Yb, Tm@NaYF₄均表现出了Tm³⁺离子的特征发射. 相比于NaYF₄:Yb, Tm的上转换发光, 核壳结构的NaYF₄:Yb, Tm@NaYF₄上转换发光强度有大幅度提高. 这主要是因为, NaYF₄壳层的存在有效钝化了NaYF₄:Yb, Tm核的表面缺陷, 不仅可以降低敏化剂Yb³⁺离子受激后的非辐射弛豫, 从而把更多的能量传递给发光中心Tm³⁺; 而且有效抑制了发光中心Tm³⁺离子的激发态非辐射弛豫, 降低其表面猝灭几率, 使激发态能量更有效地转变成紫外-可见光上转换发光. 此外, 不同厚度的NaYF₄壳层对上转换发光强度的影响不同. 由图4(b)和图4(c)可以看出, 随着NaYF₄壳层厚度的增加, 核壳结构纳米晶的荧光强度呈现先增强后降低的趋势. 当UCNPs的壳层厚度从4.2 nm增加到22.7 nm时, 纳米晶在364 nm处的荧光强度增强了1.12倍, 而当壳层厚度从22.7 nm 增加到32.6 nm 时, 纳米晶的荧光强度却呈现降低的趋势. 该实验结果表明, 当UCNPs的壳层厚度在一定范围内增加时, 其对表面猝灭位点的抑制作用会随着壳层厚度的增加而略有增强. 但是, 当UCNPs的壳层厚度超过一定范围后, 再继续增加UCNPs的壳层厚度, UCNPs的发光强度反而会降低. 这可能是由于过厚的NaYF₄, 显著增加远程传递的能量损耗, 从而阻碍了Yb³⁺和Tm³⁺离子接收到更多的入射光子数. 用于生物活体成像的上转换纳米晶, 其粒径一般不应超过 100 nm ^[38,39], 并应该具有较强的上转换荧光强度. 因此, 包覆 22.7 nm 壳层厚度的UCNPs纳米晶是一个最优化的壳层包覆策略, 被用于后续的生物实验中.
生物相容性是上转换发光纳米材料可以用于生物体上转换荧光成像的重要前提. 利用高温溶剂热法制备的UCNPs通常由疏水性配体(油酸分子)封端, 导致合成的UCNPs水溶性和生物相容性较差. 因此, 我们首先利用酸洗方法, 将UCNP表面的油酸配体洗净, 再在UCNP的表面修饰上生物相容性良好的PEG分子(图5(a)), 以得到可以应用到生物体内的UCNP@PEG纳米材料. 由图5(b)可以看出, UCNP@PEG纳米颗粒形貌并没有发生明显变化, 粒径仍在81 nm左右. 但是, PEG修饰后的UCNP@PEG水溶性得到明显改善, 分散在水溶液中, 24 h不会发生聚沉现象. 接着, 利用MTT实验研究了水溶性的UCNP@PEG对HeLa细胞的毒性. 如图5(c)所示, 在最高浓度为0.2 mg/mL的环境下培养24 h, HeLa细胞仍然保持了很高的存活率, 表明制备的水溶性UCNP@PEG具有良好的细胞相容性.
图 5 (a) UCNP@PEG的结构示意图; (b) UCNP@PEG的TEM图; (c)与不同浓度UCNP@PEG培养后, HeLa的细胞活性
Figure5. (a) Schematic structure of UCNP@PEG; (b) TEM image of UCNP@PEG; (c) cell viabilities of HeLa cells after incubation with various concentrations of UCNP@PEG

最后, 通过一台自组装的倒置荧光显微镜, 成功检测了UCNP@PEG复合纳米材料在HeLa细胞中的上转换荧光成像. HeLa细胞和UCNP@PEG在37 ℃共培养0.5, 3.0 和6.0 h后, 用PBS清洗掉附着在细胞上的多余纳米材料, 然后采用980 nm激光作为激发光源, 用上转换荧光显微镜观察细胞. 实验结果如图6所示, 随着细胞吞噬时间的增长(0.5, 3.0 和6.0 h), 细胞内的上转换发光强度逐渐增强, 表明UCNP@PEG纳米材料能够逐渐被细胞吞噬. 这一结果也能够说明, 合成的UCNP@PEG能够作为有效的荧光指示剂, 用于细胞上转换成像.
图 6 与UCNP@PEG共同培养0.5, 3.0 和6.0 h后的HeLa的上转换荧光成像照片
Figure6. Upconversion luminescent images of HeLa cells after culturing with UCNP@PEG for 0.5, 3.0 and 6.0 h.

本文利用“热注射法”制备了高质量的核壳结构NaYF₄:Yb, Tm@NaYF₄上转换纳米晶, 反应过程中无需自然冷却、反复离心清洗以及二次抽真空操作, 具有制备流程简单、合成效率高等优点. 通过简单地调整壳层前驱体的注射量, 实现了NaYF₄壳层厚度在4.2—32.6 nm之间的精细调控. 通过对其上转换发光光谱的分析, 确定了核壳结构UCNPs的最佳壳层厚度为22.7 nm. 此外, 将制备的核壳结构UCNPs进行酸洗和PEG改性, 提高其生物相容性, 并将得到的UCNP@PEG纳米材料应用于细胞的上转换荧光成像. 实验结果表明, 合成的UCNP@PEG能够作为有效的荧光指示剂, 用于细胞上转换成像.