吳笑峰,陳增輝

(1.湖南科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，湖南湘潭,411201；2.湖南科技大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院,湖南湘潭,411201)

0 引言

近些年來，稀土離子摻雜的發(fā)光材料已經(jīng)在發(fā)光照明、催化、信息存儲(chǔ)等領(lǐng)域得到廣泛的研究和應(yīng)用。隨著時(shí)代地不斷發(fā)展，人類對(duì)自身健康和周圍環(huán)境的和諧的關(guān)注，生物醫(yī)學(xué)和動(dòng)植物學(xué)成為廣大科學(xué)研究的主題。早期的下轉(zhuǎn)化納米晶主要以研究有機(jī)染料和量子點(diǎn)為中心而展開，但是由于有機(jī)染料和量子點(diǎn)的生物毒性導(dǎo)致在生物領(lǐng)域的應(yīng)用得到嚴(yán)重的限制，使其失去生物和醫(yī)學(xué)的研究?jī)r(jià)值。并且，下轉(zhuǎn)換納米晶是吸收波長(zhǎng)較短的紫外光而發(fā)出能量較低的可見光，紫外光由于具有高能量對(duì)組織和細(xì)胞具有殺傷能力、短波長(zhǎng)穿透力弱等缺陷，使得由低能量紅外光子激發(fā)的上轉(zhuǎn)化發(fā)光材料的發(fā)展成為必然。紅外光具有很強(qiáng)的組織穿透性、缺乏標(biāo)簽的自動(dòng)熒光、高的性噪比等優(yōu)點(diǎn)。因此，上轉(zhuǎn)化發(fā)光納米晶有望成為組織細(xì)胞標(biāo)記應(yīng)用于動(dòng)植物細(xì)胞成像。最近，Li 組應(yīng)用NaYF4:Yb,Er 上轉(zhuǎn)化熒光納米探針注射老鼠的組織，對(duì)細(xì)胞進(jìn)行成像研究。這些應(yīng)用都為之后的生物醫(yī)學(xué)、動(dòng)植物學(xué)的研究提供了基礎(chǔ)。

本文主要是應(yīng)用NaLuF4:Yb/Er 上轉(zhuǎn)化納米晶對(duì)西紅柿細(xì)胞進(jìn)行標(biāo)記，通過熒光信號(hào)觀察其細(xì)胞的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步地對(duì)西紅柿生物結(jié)構(gòu)研究。

1 實(shí)驗(yàn)制備與結(jié)構(gòu)表征

1.1 試劑與儀器

實(shí)驗(yàn)中使用的氯化镥（99.9%）， 氯化鐿（99.9%）， 氯化鉺（99.9%），氫氧化鈉 （≥98%）， 氟化銨（≥98%），甲醇（99.5%），十八烯（90%），油酸（90%）是從 Sigma Aldrich 購(gòu)買。所有的試劑都直接用于化學(xué)反應(yīng)，未經(jīng)進(jìn)一步的提純處理。

1.2 樣品制備

采用熱溶劑法制備稀土離子Yb3+和Er3+摻雜的NaLuF4納米晶：2 mL RECl3（0.2 M,RE= Lu,Yb and Er/Tm）的水溶液被添加到12 ml 十八烯和4 ml 油酸的混合液中。混合物在加熱30min后被加入5 ml NH4F (1.5 mmol)和NaOH (1 mmol)甲醇溶液，隨后加熱蒸發(fā)掉甲醇和水，再加熱到310°C 持續(xù)加熱60min 后冷卻。將產(chǎn)物用乙醇清洗3 次后分散在環(huán)己烷溶液中保存。

1.3 結(jié)構(gòu)表征

采用H-7650c 型透射電子顯微鏡來觀察納米顆粒的大小和形貌；采用Hitachi F-2700 熒光光譜儀測(cè)試上轉(zhuǎn)化發(fā)光性能；用Sony 單反相機(jī)拍攝西紅柿表皮細(xì)胞成像，測(cè)試所用的光源是波長(zhǎng)為980 nm、功率可調(diào)節(jié)的激光器。所有的測(cè)試均在室溫下進(jìn)行的。

2 結(jié)果與討論

2.1 發(fā)光特性

熱熔劑方法能夠合成大小一致，形貌均勻的納米晶，這主要是由于摻雜的成分的改變使納米晶的尺寸可控。為了揭示樣品的結(jié)構(gòu)，利用透射電鏡測(cè)試了樣品的形貌像如圖1 所示。從圖2可以看出，幾乎所有的納米晶都為球形的顆粒，其直徑大約為20 nm 左右。NaLuF4:Yb/Er 顆粒的尺寸均勻性、納米晶的大小和良好的生物相容性為西紅柿細(xì)胞成像提供了良好的熒光納米探針。

圖2 是Yb/Er 共摻NaLuF4納米顆粒的上轉(zhuǎn)化熒光光譜圖。在980 nm 的紅外光子激發(fā)之下，很強(qiáng)的綠色發(fā)射光能被觀察到。通過對(duì)圖2 的觀察，我們可以清楚地看到主要有兩個(gè)發(fā)射帶，位于541 nm 和662 nm，其中541 nm 和662 nm 發(fā)射光譜分別是由于Er3+的4S3/2-4I15/2和4F9/2-4I15/2能級(jí)躍遷。在可見光范圍之內(nèi)，～541 nm 發(fā)射帶主要是綠色光波長(zhǎng)，而～662 nm 是典型的紅色光波長(zhǎng)，但是相對(duì)紅光帶綠光帶明顯光譜帶更高更強(qiáng)，所以樣品在激發(fā)時(shí)肉眼可見的是綠色光。

圖1 NaLuF4:Yb/Er 樣品的透射電鏡圖。Fig. 1 TEM images of NaLuF4 nanoprobes doped with 18%Yb3+/2%Er3+.

圖3 為NaLuF4:Yb/Er 納米顆粒的能級(jí)圖，

圖2 NaLuF4:Yb/Er 樣品在波長(zhǎng)為980 nm 的紅外光激發(fā)下的上轉(zhuǎn)換熒光光譜圖。Fig. 2 Room-temperature upconversion fluorescent spectra of NaLuF4 doped with 18%Yb3+/2%Er3+ under the excitation of a 980 nm laser diode.

圖3 Er3+離子在Yb3+離子敏化下的發(fā)光機(jī)制。Fig. 3 Luminescent mechanism of Er3+ ions under the sensitization of Yb3+.

圖4 （a）用NaLuF4:Yb/Er 樣品標(biāo)記的洋蔥表皮細(xì)胞熒光顯微成像，（b）500 倍放大的傳統(tǒng)的切片透射光成像。Fig. 4 (a) Fluorescence microscope imaging of tomato epidermal slices under the excitation of a 980 nm laser diode loaded with NaLuF4 nanocrystals doped with 18%Yb3+/2%Er3+ (b) conventional slice transmission imaging. Enlarged by 500×.

揭示其在980 nm 波長(zhǎng)紅外光激發(fā)下的上轉(zhuǎn)化發(fā)光機(jī)制。通過Yb 離子吸收980 nm 光子，把吸收的光子轉(zhuǎn)移給附近的Er 離子的4I11/2能級(jí)，然后通過此能級(jí)多次吸收光子進(jìn)行積累，部分光子躍遷到更高能級(jí)（4F7/2，4F5/2），之后通過無輻射弛豫到2H11/2、4S3/2和4F9/2能級(jí)，然后這些能級(jí)上的粒子分別向基態(tài)能級(jí)躍遷發(fā)出～521 nm， ～541 nm，～662 nm 的可見光。

3.2 植物細(xì)胞成像

圖4 分別是西紅柿表皮細(xì)胞的普通成像和用NaLuF4:Yb/Er 納米顆粒標(biāo)記的西紅柿表皮細(xì)胞的熒光成像圖。實(shí)驗(yàn)合成的NaLuF4:Yb/Er 納米顆粒經(jīng)過聚乙二醇進(jìn)行表面修飾使其具有良好的生物相容性。把小片西紅柿表皮細(xì)胞浸泡于NaLuF4:Yb/Er納米顆粒的水溶液中，5 min 取出進(jìn)行成像。如圖4a 所示，西紅柿表皮細(xì)胞在普通成像時(shí)，細(xì)胞呈現(xiàn)方球狀，細(xì)胞之間的空隙比較大，厚度比較薄。當(dāng)用980 nm 紅外激光激發(fā)時(shí)，用NaLuF4:Yb/Er 納米探針標(biāo)記的西紅柿表皮細(xì)胞成綠色，細(xì)胞輪廓和分布情況被清晰地顯示出來。相比普通的透射光成像，熒光成像能夠直接應(yīng)用于活體，免除了切片過程，而且其成像清晰，方便，對(duì)活體組織可以進(jìn)行局部的顯微觀察?；铙w組織或者細(xì)胞成像有望在生物醫(yī)學(xué)，臨床診斷等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

3 結(jié)論

本文采用熱熔劑法制備了Yb3+和Er3+共摻雜的NaLuF4納米晶。由于優(yōu)良的發(fā)光性能及經(jīng)過表面修飾后很好的生物相容性，NaLuF4納米晶被應(yīng)用對(duì)西紅柿細(xì)胞進(jìn)行標(biāo)記，進(jìn)行熒光成像，結(jié)果表明，上轉(zhuǎn)化納米探針能很好地吸附在西紅柿細(xì)胞的細(xì)胞壁，對(duì)細(xì)胞的形貌進(jìn)行清晰的成像，而且相比傳統(tǒng)的切片透射光成像，熒光成像能夠應(yīng)用于活體，免除切片過程，這為生物醫(yī)學(xué)的研究提供了新的成像途徑。

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