稀土核壳纳米材料及其制备方法

技术领域

本申请涉及纳米材料领域，具体涉及一种稀土核壳纳米材料及其制备方法。

背景技术

稀土发光纳米材料是一类能够将激发能量储存于材料中，并在激发光停止照射后将储存的能量以辐射发光的形式释放出来的一类光致发光材料。稀土发光纳米材料具有发射窄、寿命长、抗光漂白等诸多优点，在生物标记和生物成像方面有着重要的应用价值。

目前用于生物成像的稀土发光纳米材料的激发光为红外波段，但红外光具有组织穿透性差、立体性差等缺陷，进而导致稀土发光纳米材料的发光效率低、成像效果差。X射线对人体有很好的穿透性，有利于应用在生物成像中，然而目前以X射线作为激发光实现生物成像的稀土发光纳米材料种类较少，并且制备方法复杂，生产成本高，合成时间长，所得的稀土发光纳米材料稳定性差，不利于推广使用。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种稀土核壳纳米材料及其制备方法，该方法采用水相体系制备稀土发光纳米材料，提高了稀土发光纳米材料的稳定性，并且制备工艺简单，成本低，有利于大规模生产，所得的稀土核壳纳米材料不仅形貌规则、粒度均一，并且在X射线激发下可产生较强的发光效应，有利于将其应用在生物成像中。本申请还提供了一种稀土核壳纳米材料，该材料具有良好的稳定性和较高的发光效率，可应用在生物标记和生物成像等领域。

本申请第一方面提供了一种稀土核壳纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

将铽盐、镥盐、碱和溶剂进行第一混合处理形成第一溶液；所述溶剂包括体积比为1:(0.1-10):(0.1-10)的水、正丁醇和油酸；

将所述第一溶液与氟化铵进行第二混合处理得到第二溶液；将所述第二溶液置于水热釜中，在100℃-300℃下反应1h-72h，得到稀土核纳米材料；所述稀土核纳米材料包括β-NaLuF

将钇盐、所述稀土核纳米材料、所述碱和所述溶剂进行第三混合处理形成第三溶液；

将所述第三溶液与氟化铵进行第四混合处理得到第四溶液；将所述第四溶液置于水热釜中，在100℃-300℃下反应1h-72h，得到稀土核壳纳米材料，所述稀土核壳纳米材料的壳层包括NaYF

本申请采用水相合成法制备得到分子式为β-NaLuF

可选地，所述铽盐包括氯化铽、醋酸铽和硝酸铽中的一种或多种。

可选地，所述镥盐包括氯化镥、硝酸镥和醋酸镥中的一种或多种。

可选地，所述第一溶液中，所述铽盐和所述镥盐的摩尔比为1:(4-99)。

可选地，所述第一溶液中，所述铽盐和所述镥盐的摩尔浓度之和c

可选地，所述第二溶液中，所述铽盐和所述镥盐的摩尔浓度之和c

可选地，所述碱包括氢氧化钠和氢氧化钾中的一种或多种。

可选地，所述正丁醇和油酸的体积比为1:(0.1-10)。

可选地，所述第三溶液中，所述钇盐的摩尔浓度为0.1mol·L

可选地，所述第三溶液中，所述钇盐与所述稀土核纳米材料的摩尔比为1:(10-100)。

可选地，所述第四溶液中，所述钇盐与所述氟化铵的摩尔浓度之比为1:(1-50)。

可选地，所述第一溶液和所述第三溶液的pH为10-12。

可选地，所述第一混合处理、所述第二混合处理、所述第三混合处理和所述第四混合处理采用探头超声进行混合，所述探头超声的功率为50W-500W。

可选地，所述第一混合处理、所述第二混合处理、所述第三混合处理和所述第四混合处理的温度为0℃-10℃。

本申请通过水相合成法合成了高度均匀、单分散的β-NaLuF

本申请第二方面提供了一种稀土核壳纳米材料，所述稀土核壳纳米材料包括稀土核纳米材料和包覆在所述稀土核纳米材料表面的壳层；所述稀土核纳米材料包括β-NaLuF

附图说明

图1为本申请一实施方式提供的稀土核壳纳米材料的制备方法；

图2为本申请实施例1提供的稀土核壳纳米材料的透射电镜图；

图3为本申请实施例2提供的稀土核壳纳米材料的透射电镜图；

图4为本申请实施例3提供的稀土核壳纳米材料的透射电镜图；

图5为本申请实施例4提供的稀土核壳纳米材料的透射电镜图；

图6为本申请实施例5提供的稀土核壳纳米材料的透射电镜图；

图7为本申请实施例6提供的稀土核壳纳米材料的透射电镜图；

图8为本申请实施例1提供的稀土核壳纳米材料的粒径分布图；

图9为本申请实施例1提供的稀土核壳纳米材料的发光性能图；

图10为本申请实施例1提供的稀土核壳纳米材料的发光光谱图；

图11为本申请实施例1提供的稀土核壳纳米材料的活体成像图；

图12为本申请实施例1提供的稀土核壳纳米材料的生物毒性测试图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

目前用于生物成像的稀土发光纳米材料的激发光为红外波段，然而红外光具有组织穿透性差、立体性差等缺陷，导致成像效果差。X射线对人体有很好的穿透性，可以不直接接触人体而穿透皮肤和肌肉直接看到体内的骨骼情况。因此，研究和发展基于X射线激发的新型稀土发光纳米材料对于生物医学成像、诊断和治疗具有重要的意义。为促进稀土发光纳米材料在生物成像中应用，本申请提供了一种以X射线作为激发光实现生物成像的稀土核壳纳米材料β-NaLuF

本申请中，稀土核壳纳米材料的核体β-NaLuF

本申请中，β-NaLuF

本申请实施方式中，稀土核壳纳米材料的余辉发射时长为5天至30天，稀土核壳纳米材料的余辉发射时长具体可以但不限于为5天、10天、15天、20天、25天或30天。若稀土核壳纳米材料的余辉发射时长过短，则生物成像过程的时间较短，成像的效果差；若余辉发射时长过长，则会不利于后续的成像检测以及体外诊断试纸条的重复使用，因此应控制稀土核壳纳米材料的余辉发射时长，以保证具有较好成像效果并且不影响体内多次注射以及体外诊断试纸条的重复使用。

本申请实施方式中，稀土核壳纳米材料的核体的粒径为1-300nm。稀土核壳纳米材料的核体的粒径具体可以但不限于为1nm、10nm、50nm、100nm、200nm或300nm。本申请实施方式中，稀土核壳纳米材料的壳体的厚度为1-40nm。稀土核壳纳米材料的壳体的厚度具体可以但不限于为1nm、10nm、30nm、40nm或50nm。本申请实施方式中，稀土核壳纳米材料中，核体的粒径与壳体的厚度之比为1:(1-10)。核体的粒径与壳体的厚度之比具体可以但不限于为1:1、1:3、1:5或1:10。控制核体的粒径与壳体的厚度能够保证稀土核壳纳米材料具有稳定的发光性能和较高的发光效率。

本申请实施方式中，稀土核壳纳米材料为球状颗粒，球状颗粒具有较小的比表面积，颗粒表面对发光离子的淬灭作用小，颗粒的发光效率高。本申请实施方式中，稀土核壳纳米材料的平均粒径为50nm-200nm。稀土核壳纳米材料β-NaLuF

本申请提供的稀土核壳纳米材料β-NaLuF

本申请还提供了上述稀土核壳纳米材料β-NaLuF

步骤100：将铽盐、镥盐、碱和溶剂进行第一混合处理形成第一溶液；

步骤200：将第一溶液与氟化铵进行第二混合处理得到第二溶液；将第二溶液置于水热釜中，在100℃-300℃下反应1h-72h，得到稀土核纳米材料；

步骤300：将钇盐、稀土核纳米材料、碱和溶剂进行第三混合处理形成第三溶液；

步骤400：将第三溶液与氟化铵进行第四混合处理得到第四溶液；将第四溶液置于水热釜中，在100℃-300℃下反应1h-72h，得到稀土核壳纳米材料。

本申请步骤100中，溶剂包括水、正丁醇和油酸。正丁醇可以作为助表面活性剂促进油酸与水形成微乳液体系，微乳液体系具有较大的反应界面，可以提高反应速率并有利于形成结构均匀、单分散的纳米粒子。本申请实施方式中，水、正丁醇和油酸的体积比为1:(0.1-10):(0.1-10)。本申请一些实施方式中，水、正丁醇和油酸的体积比为1:(0.1-1):(0.1-1)，水的体积比较高时有利于提高产物稀土核纳米材料在水中的分散性能。在上述体积比范围下，可以形成各向同性的热力学稳定的微乳液体系，从而保证形成高度均匀、单分散的稀土核纳米材料。

本申请中，加入碱可调节反应体系的pH值，进而改变反应体系中铽盐和镥盐的溶解度，从而控制反应速率，除此之外，pH值还会影响各晶面的相对生长速度，从而形成不同结构的晶体。本申请实施方式中，第一溶液的pH为10-12。在上述pH条件下，有利于反应快速并稳定地进行，并且可以促进β-NaLuF

本申请实施方式中，铽盐包括氯化铽、醋酸铽和硝酸铽中的一种或多种。本申请实施方式中，镥盐包括氯化镥、硝酸镥和醋酸镥中的一种或多种。本申请实施方式中，铽盐和镥盐的摩尔比为1:(4-99)。本申请一些实施方式中，铽盐和镥盐的摩尔比为1:(4-10)。铽盐和镥盐的摩尔比具体可以但不限于为1:4、1:6、1:10、1:15、1:20、1:40、1:60或1:99。本申请实施方式中，铽盐和镥盐的摩尔浓度之和c

本申请实施方式中，第一混合处理是采用探头超声进行混合，探头超声的功率为50W-500W，探头超声的时间为10min-30min。本申请一些实施方式中，探头超声的功率为50W-200W，探头超声的时间为15min-25min。在第一混合处理过程中进行超声可以促进反应物均匀分散在微乳液体系中，保证反应稳定进行。

本申请一些实施方式中，步骤100具体包括：将0.1g-4g的氢氧化钠与0.1mL-100mL的去离子水混合形成碱液；向碱液中加入0.1mL-100mL的体积比为1:(0.1-10)的油酸和正丁醇混合液形成微乳液体系；按照1:(4-99)的摩尔比称取铽盐和镥盐，并配成总摩尔浓度为0.1mol·L

本申请步骤200中，第二溶液中，铽盐和镥盐的摩尔浓度之和c

本申请中，将第二溶液置于水热釜中进行水热反应，水热反应的温度为100℃-300℃。本申请一些实施方式中，水热反应的反应温度为170℃-250℃，采用较高的反应温度有利于形成良好结晶度的稀土核纳米材料。本申请实施方式中，水热反应的反应时间为1h-72h。本申请一些实施方式中，水热反应的反应时间为2h-55h。本申请实施方式中，水热反应结束后将反应釜冷却至室温，以(1000-100000)r·min

本申请步骤300中，溶剂包括水、正丁醇和油酸，水、正丁醇和油酸的体积比为1:(0.1-10):(0.1-10)。在微乳液体系下，有利于在稀土核纳米材料表面形成稳定的壳层，从而有效抑制稀土纳米材料的表面猝灭、钝化稀土核纳米材料表面的晶格缺陷、隔离外界不利因素的干扰，进而大幅提高材料的荧光效率。本申请实施方式中，钇盐包括氯化钇、硝酸钇和醋酸钇中的一种或多种，碱包括氢氧化钠和氢氧化钾中的一种或多种。本申请实施方式中，第三溶液的pH为10-12。

本申请实施方式中，第三溶液中钇盐与稀土核纳米材料的摩尔比为1:(10-100)。钇盐与稀土核纳米材料的摩尔比具体可以但不限于为1:10、1:30、1:50、1:70或1:100。在上述摩尔比范围下，所得的稀土核壳纳米材料能够具有较高的发光效率和良好的稳定性。本申请实施方式中，钇盐的摩尔浓度为0.1mol·L

本申请实施方式中，第三混合处理是采用探头超声进行混合，探头超声的功率为50W-500W，探头超声的时间为10min-30min。在第三混合处理过程中进行超声可以促进反应物均匀分散在微乳液体系中，保证反应稳定进行。

本申请一些实施方式中，步骤300具体包括：将0.1g-4g的氢氧化钠与0.1mL-100mL的去离子水混合形成碱液；向碱液中加入0.1mL-100mL的体积比为1:(0.1-10)的油酸和正丁醇混合液形成微乳液体系；将0.1mmol-2mmol的钇盐溶解在1mL-10mL水中并将钇盐溶液加入微乳液体系，按照钇盐与稀土核纳米材料的摩尔比为1:(10-100)的比例，将稀土核纳米材料β-NaLuF

本申请步骤400中，第四溶液中，钇盐与氟化铵的摩尔浓度之比为1:(1-50)。钇盐与氟化铵的摩尔浓度之比具体可以但不限于为1:1、1:5、1:10、1:20或1:50。本申请实施方式中，第四混合处理是采用探头超声进行混合，探头超声的功率为50W-500W，探头超声的时间为1min-100min。本申请一些实施方式中，探头超声的功率为100W-200W，探头超声的时间为50min-70min。在第四混合处理过程中，超声处理从而扩大微乳液的反应界面，促进NaYF

本申请中，将第四溶液置于水热釜中进行水热反应，水热反应的温度为100℃-300℃。本申请一些实施方式中，水热反应的反应温度为170℃-250℃。本申请实施方式中，水热反应的反应时间为1h-72h。本申请一些实施方式中，水热反应的反应时间为2h-55h。本申请实施方式中，水热反应结束后将反应釜冷却至室温，以(1000-100000)r·min

本申请通过超声微乳液法合成了高度均匀、单分散的NaLuF

下面分多个实施例对本申请的技术方案进行进一步的说明。

实施例1

一种稀土核壳纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)合成稀土核纳米材料：

a.将0.5gNaOH加入到装有10mL去离子水的50mL锥形瓶中；再将15mL正丁醇和5mL油酸加入锥形瓶，将细胞破碎仪的超声探头浸没于溶液内，在冰浴下(0℃)探头超声处理2min，形成黄色透明的微乳液；将0.4mmol的LuCl

b.将第二溶液装入50mL聚四氟乙烯反应釜中，在200℃下加热6h，反应结束后冷却至室温，将反应液以15000r·min

(2)合成稀土核壳纳米材料：

c.将0.5gNaOH加入到装有10mL去离子水的50mL锥形瓶中；再将15mL正丁醇和5mL油酸加入锥形瓶，将细胞破碎仪的超声探头浸没于溶液内，在冰浴下(0℃)探头超声处理2min，形成黄色透明的微乳液；将0.5mmol的YCl

d.将第四溶液装入50mL聚四氟乙烯反应釜中，在200℃下加热6h，反应结束后冷却至室温，将反应液以15000r·min

实施例2

一种稀土核壳纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)合成稀土核纳米材料：

a.将0.5gNaOH加入到装有10mL去离子水的50mL锥形瓶中；再将15mL正丁醇和5mL油酸加入锥形瓶，搅拌20min后得到黄色透明的微乳液；将0.4mmol的LuCl

b.将第二溶液装入50mL聚四氟乙烯反应釜中，在200℃下加热48h，反应结束后冷却至室温，将反应液以15000r·min

(2)合成稀土核壳纳米材料：

c.将0.5gNaOH加入到装有10mL去离子水的50mL锥形瓶中；再将15mL正丁醇和5mL油酸加入锥形瓶搅拌20min后得到黄色透明的微乳液；将0.5mmol的YCl

d.将第四溶液装入50mL聚四氟乙烯反应釜中，在200℃下加热48h，反应结束后冷却至室温，将反应液以15000r·min

实施例3

实施例3与实施例1的区别在于步骤a和步骤b中，水、油酸与正丁醇的体积比均为1:1:1。

实施例4

实施例4与实施例1的区别在于步骤a和步骤b中，水、油酸与正丁醇的体积比均为1:1:2。

实施例5

实施例5与实施例1的区别在于，实施例5中探头超声处理是在室温条件(25℃)进行。

实施例6

实施例6与实施例1的区别在于，实施例6中第一溶液与第三溶液的pH为10。

效果实施例

为验证本申请制得的稀土核壳纳米材料的结构和性能，本申请还提供了效果实施例。

1)采用透射电镜对实施例1-6的稀土核壳纳米材料的形貌进行表征。

请参阅图2-图7，其中，图2为本申请实施例1提供的稀土核壳纳米材料的透射电镜图；图3为本申请实施例2提供的稀土核壳纳米材料的透射电镜图；图4为本申请实施例3提供的稀土核壳纳米材料的透射电镜图；图5为本申请实施例4提供的稀土核壳纳米材料的透射电镜图；图6为本申请实施例5提供的稀土核壳纳米材料的透射电镜图；图7为本申请实施例6提供的稀土核壳纳米材料的透射电镜图。由图2-图7可以看出，实施例1-6成功合成了结构均一、单分散的稀土核壳纳米材料。请参阅图8，图8为本申请实施例1提供的稀土核壳纳米材料的粒径分布图，由图8可以看出，实施例1的稀土核壳纳米材料粒径分布集中在80nm-150nm，稀土核壳纳米材料的平均粒径为110nm。采用相同的方法对实施例2-6的稀土核壳纳米材料进行表征，得到实施例2-6的稀土核壳纳米材料的结构参数，表征结果请参阅表1，表1为实施例1-6的稀土核壳纳米材料的结构参数表。

表1实施例1-6的稀土核壳纳米材料的结构参数表

2)对实施例1的稀土核壳纳米材料的发光性能进行测试，测试过程具体为：将实施例1的β-NaLuF

采用荧光光谱仪测试稀土核壳纳米材料的发光性能，测试过程具体为：将实施例1的β-NaLuF

取100μL稀土核壳纳米材料的分散液在辐射剂量为10Gy的X射线下辐照后，将分散液皮下注射到小鼠体内，通过小动物活体成像进行发光检测(无激发光条件下检测发射光)，请参阅图11，图11为本申请实施例1提供的稀土核壳纳米材料的活体成像图。由图11可以看出，稀土核壳纳米材料具有较强的发光性能，可以清晰地观测出机体的状态，从而实现有效的治疗。

3)对实施例1的稀土核壳纳米材料的生物毒性进行测试，测试过程具体为：将实施例1稀土核壳纳米材料配制成分散液，按照10mg/kg的量通过尾静脉注射将分散液注入小鼠体内作为实验组，对照组为注射磷酸盐缓冲液(PBS)，一周后取小鼠的各器官进行HE染色，请参阅图12，图12为本申请实施例1提供的稀土核壳纳米材料的生物毒性测试图，由图12可以看出注射分散液后小鼠的各器官组织均正常，即稀土核壳纳米材料对生物体并无毒性。

以上所述是本申请的优选实施方式，但并不能因此而理解为对本申请范围的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本申请的保护范围。