[发明专利]一种Si-V发光的纳米金刚石晶粒及其制备方法

说明书

本发明提供了一种Si‑V发光的纳米金刚石晶粒，其制备方法为：采用热丝化学气相沉积法，在经过纳米金刚石溶液超声振荡预处理的石英衬底上制备得到纳米金刚石薄膜，再将其置于500～650℃的空气中保温10～50min，得到沉积于石英衬底上的Si‑V发光的单颗粒层纳米金刚石薄膜；通过超声振荡，将Si‑V发光的单颗粒层纳米金刚石薄膜从石英衬底上剥离；并继续进行超声振荡，将纳米金刚石薄膜震碎，制得Si‑V发光的纳米金刚石晶粒；本发明简单易行、容易操作，制备了尺寸在70～100nm的Si‑V发光的纳米金刚石晶粒，其晶型规则，发光峰的归一化强度约为4.5，为纳米金刚石在生物标记等领域的应用提供了重要基础。

(一)技术领域

本发明涉及一种具有Si-V发光(在光致发光谱中的发光峰位于738nm)的纳米金刚石晶粒(指尺寸在纳米级的金刚石单晶)及其制备方法。

(二)背景技术

生物标记技术是分子生物学中最常用、最重要的技术之一。生物标记技术可以为人们提供待测分子在生物体内或体外的存在、表达、分布等各种信息，这对生物个体中物质代谢过程的研究具有重要意义。生物标记能够在医疗等领域提供一种无损的检测手段，这对疾病的诊断有着十分重要的作用。生物大分子自身的结构因素限制了检测的灵敏性，为了获得可测量的信号，常常需要引入标记物。根据标记物种类的不同，可以将生物标记分为放射性同位素标记、酶标记、化学发光标记和荧光标记等四种方法。其中，荧光标记法具有灵敏度高、选择性好、可测定的参数多、操作简便、结果直观、对样品无损伤等诸多优点，目前已成为最受关注的生物标记方法，被广泛的应用于生物分析领域。

荧光标记灵敏度取决于标记物的发光强度和稳定性，目前使用的荧光标记物有：荧光素类染料、罗丹明类染料、菁染料等其他标记物。但这些有机的荧光标记物存在激发光谱窄，发射光谱宽，容易发生光漂白现象等弊端，因此限制了荧光标记在生物及医药领域的应用。纳米金刚石具有化学惰性、无光致漂白、无毒性和细胞可标记性等特性，可作为一种新型碳纳米荧光材料，在生物成像应用方面具有巨大的优势。2012年，有研究者通过在小鼠侧腹注入具有氮空位(N-V)发光的纳米金刚石颗粒，实现了生物体内的荧光成像。2013年，科学家在室温下实现了金刚石N-V中心对活磁性细菌的磁成像，空间分辨率达到了400nm。但是，金刚石中N-V发光中心的室温荧光光谱较宽(接近100nm)，发光寿命长；并且其发光峰位于637nm，激发光必须选用波长小于637nm的光源。通常选用波长为532nm的可见光或波长更短的激光作为光源。由于生物组织的自发荧光的激发波长一般是在350～600nm，因此选用这类光源会导致生物组织对激发光的吸收，导致自发荧光，难以区分荧光是来自标记物还是来自于生物组织本身。由于N-V发光中心存在这些弊端，因此它不是荧光标记的最佳候选发光中心。

与N-V相比，金刚石中的硅-空位(Si-V)发光中心具有诸多优异的性能。第一，Si-V发光中心的发光峰位于738nm，因此能够使用红外光或近红外光作为激发光，在标记活体生物时，可以最大限度地降低生物组织对激发光的吸收；第二，Si-V发光中心的零声子线很窄(仅几纳米)，允许窄谱的过滤，可以进一步减小生物成像中的自体荧光，并能够将单光子信号与背景信号有效地分离；第三，红色激发光的吸收低于可见光(532nm)的20倍，可以使得深层组织成像，这对于荧光标记在生命科学中的应用是至关重要的。因此，金刚石中的Si-V发光中心在生物标记领域的应用有着更大的优势。

但是，尺寸为100nm以下的Si-V发光纳米金刚石晶粒的制备十分困难。虽然通过理论计算等方法证明了Si-V结构能够在1.6nm的金刚石晶粒中稳定存在，但是目前人工制备获得的最小尺寸的Si-V发光的纳米金刚石晶粒为70～80nm，他们将微米级的金刚石薄膜进行超声处理，工艺繁琐，得到的晶粒形状很不规则，产率低。