一種超分辨成像用超強多光子上轉換納米晶及其制備和使用方法
【專利摘要】本發明涉及一種超分辨成像用超強多光子上轉換納米晶。一種超分辨成像用超強多光子上轉換納米晶，平均粒徑為20～50nm的六方晶相單分散四氟釔鈉納米晶，并在其中共摻雜了稀土鐿離子和銩離子，鐿離子的摩爾摻雜濃度為10％-49％，銩離子的摩爾摻雜濃度為0.1％-2％。本發明的優點是通過形核/生長分離、稀土離子種類選取、摻雜濃度調控方法制備的單分散四氟釔鈉納米晶具有尺寸形貌均勻可控、能夠產生超強多光子上轉換發光的特性，適用于超分辨成像。
【專利說明】一種超分辨成像用超強多光子上轉換納米晶及其制備和使 用方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于材料科學【技術領域】，尤其涉及一種超分辨成像用超強多光子上轉換納 米晶。
【背景技術】
[0002] 光學顯微成像的空間分辨率受到光衍射的限制，即阿貝極限，突破阿貝極限的新 型光學顯微技術是過去多年來的一個重要科學挑戰。最近，在遠場熒光成像中為了突破該 衍射極限，出現了一系列超分辨新技術，包括高分辨率光敏定位顯微技術、隨機光學重建顯 微技術、受激發射減損顯微技術。其中，受激發射減損顯微技術的一大特點是橫向分辨率可 以比衍射極限提高10至15倍，被認為是一種可以實現亞衍射分辨率的強大光學成像技術。 相比電子顯微鏡等其他高分辨的顯微技術來說，受激發射減損顯微技術具備原位和實時觀 察樣品的優越性。然而至今，受激發射減損顯微技術還處于一個發展的狀態中，許多研究小 組仍然在縱多方面對其進行積極改進。其中，光學探針的光穩定性和多路復用性是一個亟 待解決的重要問題。
[0003] 采用稀土離子摻雜的上轉換納米晶作為光學探針可以比較簡潔地解決這一問題。 上轉換納米晶已經在生物醫學領域中被廣泛應用，研究表明，相比有機染料這類光學探針， 上轉換納米晶在納米尺度強激發條件下仍然具有極強的光學穩定性。另一方面，上轉換納 米晶的熒光發射是依賴于近紅外光向可見光轉換這一反斯托克斯躍遷的過程，因此可以有 效抑制生物組織的自發熒光，從而大大提高信躁比。同時，紅外光比可見光在生物體內具有 更大的穿透能力。
[0004] 利用多光子上轉換納米晶作為超分辨成像的光學探針時，系統的光學分辨率可以 1 λ 通過公式^1計算得到，其中λ為入射波長，ΝΑ為顯微物鏡的數值孔徑，Ν為光子數。可 見，在上轉換熒光足夠強的情況下，光子數越多，分辨率越高，成像效果越好。然而，通常情 況下，多光子上轉換躍遷的效率總是遠遠低于單光子或者雙光子躍遷，在光譜學上往往呈 現數量級的強度差距。例如，在常規光譜檢測中，鐿離子和銩離子共摻雜的上轉換發光，其 三光子藍光強度往往為雙光子近紅外強度的1/1000數量級，而四光子藍光更是幾乎難以 探測。因此，開發出超強多光子上轉換發光的納米晶在超分辨成像中具有十分重要的應用 前景。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是提供一種超分辨成像用超強多光子上轉換納米晶及其制備和使 用方法，通過本發明方法制備和使用的納米晶能產生超強多光子上轉換發光，適用于超分 辨成像。
[0006] 本發明的技術方案是：
[0007] -種超分辨成像用超強多光子上轉換納米晶，平均粒徑為20?50nm的六方晶相 單分散四氟釔鈉納米晶，并在其中共摻雜了稀土鐿離子和銩離子，鐿離子的摩爾摻雜濃度 為10% -49%，銩離子的摩爾摻雜濃度為0. 1% -2%。
[0008] 超強多光子上轉換納米晶的制備方法，其步驟如下：
[0009] (1)將稀土鹽溶解于去離子水中，形成0. 2mol/L的溶液，然后按稀土離子的摩爾 量加入純度為90%的油酸、1-十八烯，在150°C敞口混合攪拌，形成淡黃色透明溶液后冷卻 至室溫；
[0010] ⑵將氫氧化鈉溶解于甲醇中，形成lmol/L的溶液；將氟化氨溶解于甲醇中，形成 0. 4mol/L的溶液；將兩種溶液以1 :4混合；
[0011] (3)按氟離子和稀土離子的摩爾總量為4 :1，取上述步驟（2)所述的混合溶液加入 上述步驟⑴所述的混合溶液中，在50°C攪拌混合30分鐘；隨后升溫至100°C，將甲醇自然 揮發或抽真空排盡后，在氬氣或氮氣保護下，以l〇°C /min的速度升溫至290?300°C，混合 攪拌1?3小時后，冷卻至室溫；
[0012] ⑷將上述步驟⑶中的溶液用丙酮或乙醇沉淀、離心，用環己烷、乙醇清洗數次； 將得到的沉淀物分散在環己烷中，形成透明溶液。
[0013] 上述技術方案中，所述的稀土鹽為醋酸釔、醋酸鐿、醋酸銩或氯化釔、氯化鐿、氯化 錢。
[0014] 超強多光子上轉換納米晶的使用方法，其步驟如下：
[0015] (1)將透明溶液用環己燒稀釋至0. 1?lmmol/L的溶液，旋涂在0. 17mm厚的玻璃 片上，形成單分散顆粒層；
[0016] (2)采用980nm激光聚焦激發單分散四氟釔鈉納米晶，產生多波段上轉換發光；
[0017] (3)按上轉換功率強度法則I?Pn，〗為熒光強度，p為激發功率，n為光子數，調 節激發功率至雙光子、三光子輻射躍遷飽和閾值，產生超強的四光子上轉換藍色發光。
[0018] 本發明與現有技術相比，具有如下有益特點：通過形核/生長分離、稀土離子種類 選取、摻雜濃度調控方法制備的單分散四氟釔鈉納米晶具有尺寸形貌均勻可控、能夠產生 超強多光子上轉換發光的特性，適用于超分辨成像；本發明制備的上轉換納米晶與現有染 料類光學探針相比，具有光穩定性、無生物組織自發熒光、強穿透能力；本發明使用的飽和 激發上轉換納米晶與現有常規激發的上轉換納米晶相比，具有超強的多光子上轉換發光， 非常適用于超分辨成像。
【具體實施方式】
[0019] 下面通過實施例對本發明作進一步說明，具體實施例如下。
[0020] 實施例1
[0021] 一種超分辨成像用超強多光子上轉換納米晶，尺寸形貌均勻可控的六方晶相單分 散四氟釔鈉納米晶，并在其中共摻雜了稀土鐿離子和銩離子。
[0022] 超強多光子上轉換納米晶的方法，量取0. 2mol/L的醋酸釔水溶液1. 6ml，0. 2mol/ L的醋酸鐿水溶液0. 36ml，0. 2mol/L的醋酸銩水溶液0. 04ml，純度90 %的油酸3ml，1-十八 烯7ml，置于三口燒瓶中，在150°C敞口攪拌加熱30分鐘；冷卻至室溫后，加入氫氧化鈉和氟 化氨的甲醇混合溶液4. 3ml，升溫至50°C敞口攪拌加熱30分鐘；升溫至100°C，待甲醇揮發 后，通入氬氣，繼續升溫至290°C，保溫90分鐘后冷卻；用丙酮沉淀、離心，用環己烷、乙醇清 洗2次；將得到的沉淀物分散在4ml環己烷中，形成透明溶液，即得本發明的上轉換納米晶。
[0023] 上述納米晶經X-射線電子衍射檢測，為結晶性良好的六方相四氟釔鈉，經透射電 鏡觀察，為平均粒徑為22nm的球形單分散顆粒。將透明溶液用環己烷稀釋至0. 1?lmmol/ L的溶液，旋涂在0. 17mm厚的玻璃片上，形成單分散顆粒層。采用980nm激光聚焦激發數顆 單分散四氟釔鈉納米晶，產生多波段上轉換發光；按上轉換功率強度法則I?P n，I為熒光 強度，P為激發功率，η為光子數，調節激發功率密度至106W/cm2量級，產生超強的四光子 上轉換藍色發光，即448nm處的熒光強度為800nm處的72倍。
[0024] 實施例2
[0025] -種超分辨成像用超強多光子上轉換納米晶，尺寸形貌均勻可控的六方晶相單分 散四氟釔鈉納米晶，并在其中共摻雜了稀土鐿離子和銩離子。
[0026] 超強多光子上轉換納米晶的方法，量取0. 2mol/L的醋酸釔水溶液1ml，0. 2mol/L 的醋酸鐿水溶液〇. 98ml，0. 2mol/L的醋酸銩水溶液0. 02ml，純度90%的油酸3ml，1-十八 烯7ml，置于三口燒瓶中，在150°C敞口攪拌加熱30分鐘；冷卻至室溫后，加入氫氧化鈉和氟 化氨的甲醇混合溶液4. 3ml，升溫至50°C敞口攪拌加熱30分鐘；升溫至100°C，待甲醇揮發 后，通入氬氣，繼續升溫至290°C，保溫90分鐘后冷卻；用丙酮沉淀、離心，用環己烷、乙醇清 洗2次；將得到的沉淀物分散在4ml環己烷中，形成透明溶液，即得本發明的上轉換納米晶。
[0027] 上述納米晶經X-射線電子衍射檢測，為結晶性良好的六方相四氟釔鈉，經透射電 鏡觀察，為平均粒徑為25nm的球形單分散顆粒。將透明溶液用環己烷稀釋至0. 1?lmmol/ L的溶液，旋涂在0. 17mm厚的玻璃片上，形成單分散顆粒層。采用980nm激光聚焦激發數顆 單分散四氟釔鈉納米晶，產生多波段上轉換發光；調節激發功率密度至l〇 6W/cm2量級，產生 超強的四光子上轉換藍色發光，即448nm處的熒光強度為800nm處的78倍。
[0028] 實施例3
[0029] -種超分辨成像用超強多光子上轉換納米晶，尺寸形貌均勻可控的六方晶相單分 散四氟釔鈉納米晶，并在其中共摻雜了稀土鐿離子和銩離子。
[0030] 超強多光子上轉換納米晶的方法，量取0. 2mol/L的醋酸釔水溶液1. 6ml，0. 2mol/ L的醋酸鐿水溶液0. 36ml，0. 2mol/L的醋酸銩水溶液0. 04ml，純度90 %的油酸7ml，1-十八 烯7ml，置于三口燒瓶中，在150°C敞口攪拌加熱30分鐘；冷卻至室溫后，加入氫氧化鈉和氟 化氨的甲醇混合溶液4. 3ml，升溫至50°C敞口攪拌加熱30分鐘；升溫至100°C，待甲醇揮發 后，通入氬氣，繼續升溫至290°C，保溫90分鐘后冷卻；用丙酮沉淀、離心，用環己烷、乙醇清 洗2次；將得到的沉淀物分散在4ml環己烷中，形成透明溶液，即得本發明的上轉換納米晶。
[0031] 上述納米晶經X-射線電子衍射檢測，為結晶性良好的六方相四氟釔鈉，經透射電 鏡觀察，為平均長度為45nm，平均寬度為25nm的棒狀單分散顆粒。將透明溶液用環己烷稀 釋至0. 1?lmmol/L的溶液，旋涂在0. 17mm厚的玻璃片上，形成單分散顆粒層。采用980nm 激光聚焦激發數顆單分散四氟釔鈉納米晶，產生多波段上轉換發光；調節激發功率密度至 105W/cm 2量級，產生超強的四光子上轉換藍色發光，即448nm處的熒光強度為800nm處的 110 倍。
【權利要求】
1. 一種超分辨成像用超強多光子上轉換納米晶，其特征在于，平均粒徑為20?50nm的 尺寸形貌均勻可控的六方晶相單分散四氟釔鈉納米晶，并在其中共摻雜了稀土鐿離子和銩 離子，鐿離子的摩爾摻雜濃度為10% -49%，銩離子的摩爾摻雜濃度為0. 1% -2%。
2. 制備權利要求1所述的超分辨成像用超強多光子上轉換納米晶的方法，其步驟如 下： (1) 將稀土鹽溶解于去離子水中，形成〇.2mol/L的溶液，然后按稀土離子的摩爾量加 入純度為90%的油酸、1-十八烯，在150°C敞口混合攪拌，形成淡黃色透明溶液后冷卻至室 溫； (2) 將氫氧化鈉溶解于甲醇中，形成lmol/L的溶液；將氟化氨溶解于甲醇中，形成 0. 4mol/L的溶液；將兩種溶液以1 :4混合； (3) 按氟離子和稀土離子的摩爾總量為4 :1，取上述步驟（2)所述的混合溶液加入上述 步驟⑴所述的混合溶液中，在50°C攪拌混合30分鐘；隨后升溫至100°C，將甲醇自然揮發 或抽真空排盡后，在氬氣或氮氣保護下，以l〇°C /min的速度升溫至290?300°C，混合攪拌 1?3小時后，冷卻至室溫； (4) 將上述步驟（3)中的溶液用丙酮或乙醇沉淀、離心，用環己烷、乙醇清洗數次；將得 到的沉淀物分散在環己烷中，形成透明溶液； 所述的稀土鹽為醋酸釔、醋酸鐿、醋酸銩或氯化釔、氯化鐿、氯化銩。
3. 使用權利要求1所述的超分辨成像用超強多光子上轉換納米晶的方法，其步驟如 下： ⑴將透明溶液用環己烷稀釋至〇. 1?lmm〇l/L的溶液，旋涂在0. 17mm厚的玻璃片上， 形成單分散顆粒層； (2) 采用980nm激光聚焦激發單分散四氟釔鈉納米晶，產生多波段上轉換發光； (3) 按上轉換功率強度法則，調節激發功率至雙光子、三光子輻射躍遷飽和閾值，產生 超強的四光子上轉換藍色發光。
【文檔編號】C09K11/85GK104194790SQ201410382675
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月6日 優先權日:2014年8月6日
【發明者】周佳佳, 徐時清, 鄒丹娜, 毛威, 孫薪雯, 鄭威, 張軍杰 申請人:中國計量學院