[发明专利]一种红光发射的稀土离子掺杂上转换纳米材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于纳米材料领域，具体涉及一种红光发射的稀土离子掺杂上转换纳米材料，其化学式为NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺，其中NaYF₄为基质材料，Yb³⁺和Er³⁺为掺杂的稀土离子。所述上转换纳米材料的微观形貌为立方块，粒径大小在40‑80nm之间，具有立方相结构，同时兼具在水溶液中均匀分散、红光发射强度高的特点，在生物标记、细胞成像以及生物医学检测等方面应用，具有独特的优势，还提供了该上转换纳米材料的制备方法，其可在十几分钟内可控合成红光发射的上转换纳米材料，简单快速，与传统的上转换纳米材料制备方法相比，大大缩短了反应时间，提高了合成效率，可有力推进上转换材料在生物医学领域的广泛应用。

技术领域

本发明属于纳米发光材料领域，具体涉及一种红光发射的NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺上转换纳米材料及其制备方法。

背景技术

在生物医学领域，发射在600-700nm范围内的红色光位于生物组织的“光学窗口”中，能够穿透深层生物组织，而且被生物组织散射所损失的能量相对于其他波长的光来说也是较少的，因此红光发射的上转换纳米材料具有巨大的生物医用价值。而红光发射的上转换纳米材料要在生物标记、细胞成像、疾病体内检测等生物医学领域得到更好的应用，则要求其还需同时具备粒径小，且能在生理水溶液中稳定分散的性能，因此发展新型上转换纳米材料及其制备方法，对推进新材料在生物医学领域的应用至关重要。

目前合成上转换纳米材料的主要方法有高温热分解法、溶胶-凝胶法和水/溶剂热法。高温热分解法可合成形貌好、发光强度高的上转换纳米材料，但反应所需温度很高，且反应过程需要在无氧条件下进行，反应条件也较为苛刻，而且所得材料只能分散在有机溶液中，水溶性差。溶胶-凝胶法虽然所需合成温度较低，但整个合成过程周期长，常需要几天时间，而且工艺繁琐。水/溶剂热法与前两种方法相比，反应温度适中，合成过程简单便捷，而且对产物晶体取向调节和粒度控制的能力强，然而该方法所需反应时间依然较长，常需十几个小时，且反应内部热量分布不均匀，需要特制的反应器，所得材料也存在粒径较大，在生理溶液中分散稳定性差的问题。因此，发展简单快速合成生物医用上转换纳米材料的新方法依然是急需解决的问题。

发明人对有关制备红光发射上转换纳米材料的研究也进行了检索，发现已有报道的红光发射上转换纳米材料大多采用上述方法来制备，在论文方面，如2010年李富友等人采用溶剂热法制备了红光发射的Yb³⁺/Tm³⁺掺杂NaYF₄上转换纳米材料(Biomaterials，2010,31(27),7078-7085)。2016年朱薇等人采用水热法合成了具有红色上转换发光特性的Ce³⁺掺杂β-NaLuF₄:Yb³⁺/Ho³⁺纳米晶。(Journal of Alloys and Compounds,2016,659:146-151)。2021年董军等人先采用高温共沉淀法合成了NaYF₄:Yb³⁺/Ho³⁺/Ce³⁺纳米晶，再以制备纳米晶体为核,基于外延生长技术合成了NaYF₄:Yb³⁺/Ho³⁺/Ce³⁺@NaYF₄:Yb³⁺/Nd³⁺的核壳纳米晶体，该材料可实现强红光上转换发射(物理学报，2021，70(15)，154208)。在专利方面，申请号为201610003579.6的发明采用采用高温热解方法层层包覆生成具有红色上转换荧光性能的核壳结构稀土氟化物纳米晶。申请号为201911004704.5的发明采用水热法制备了水溶性NaErF₄:Yb红光上转换纳米材料。上述研究，虽然丰富了红光发射上转换纳米材料的种类，也促进了其性能的提高，然而这些材料所采用的制备方法，由于存在制备过程复杂，反应条件较为苛刻，合成效率低的问题，依然满足不了实际应用的需求。