佟嘉欣 鄒 鵬*
(長春理工大學 理學院,吉林 長春130022)
近幾年來,利用納米材料對癌細胞進行光熱治療備受關注。在適當的溫度下,殺滅癌細胞的同時保證健康組織不受損傷是目前的研究重點。因此,對病灶組織持續(xù)的提供溫度和局部位置的監(jiān)測是至關重要的。隨著納米科學和納米技術迅速發(fā)展,稀土發(fā)光納米溫度計被廣泛研究。
由于稀土離子Lu3+的4f 層為全充滿狀態(tài),化學穩(wěn)定性高。且以較低聲子能量的氟化物作為基質,能有效減少非輻射損失并增大輻射發(fā)射,促進連續(xù)光子的吸收和能量轉移。所以,NaLuF4作為基質進行稀土離子摻雜,形成的發(fā)光納米材料是稀土發(fā)光材料和納米溫度計的良好選擇[1-2]。通過監(jiān)測發(fā)光材料的熒光強度比(FIR)等與溫度的依賴關系,進行溫度測量,為了提高溫敏觀察效果,可以增強材料的發(fā)光。目前,有很多增強稀土發(fā)光納米材料熒光強度的方法。如表面等離子體耦合、染料敏化增強、核殼包覆、離子摻雜。其中,離子摻雜改變了基質晶體場的對稱性[3],4f 組態(tài)內能級間的躍遷禁戒狀態(tài)被解除,從本質上提高4f-4f 躍遷幾率,增強稀土摻雜納米材料的熒光強度。
所以,合成了NaLuF4:Yb3+,Ho3+上轉換納米發(fā)光材料。并對形貌、結構、發(fā)光性質、溫敏性質進行分析。通過堿金屬離子Ca2+摻雜,提高了材料的發(fā)光強度,然后進行了溫敏性質研究。這種具有良好的上轉換發(fā)光性能和溫敏性質的納米材料,有望在熒光成像和溫度測量中發(fā)揮更大的應用價值。
硝酸镥(Lu(NO3)3·6H2O,99.98%)、硝酸鐿(Yb(NO3)3·5H2O,99.99%)、硝酸鈥(Ho(NO3)3·5H2O,99.9%)、硝酸鈣(Ca(NO3)2·4H2O,99.9%)、氟化銨(NH4F)、氯化鈉(NaCl)均購自aladdin 公司,純度為分析純。使用的水試劑為超純水(Ultrapure water)、無水乙醇為北京化工廠生產,純度為分析純。
采用溶劑熱法制備NaLuF4:Yb3+,Ho3+。初始反應物為Lu(NO3)3·6H2O、Yb(NO3)3·5H2O、Ho(NO3)3·5H2O,Lu3+/Yb3+/Ho3+的 物質的量比為78/20/2,稀土物質的量總和為1 mmol。首先將初始反應物分散在5 ml 水和20 ml 乙醇溶液里,然后加入2 mmol NaCl 和6 mmol NH4F,攪拌形成均一溶液。最后放入101A-IE電熱鼓風干燥箱中,在180℃下加熱反應17 h。Ca2+離子摻雜NaLuF4:Yb3+,Ho3+納米材料的制備方法同上,Lu3+與Ca2+的物質的量總和保持為0.78 mmol,其他用量不變。
首先對NaLuF4:Yb3+,Ho3+的結構進行表征,如圖1 所示。從上到下依次為NaLuF4:Yb3+,Ho3+納米材料及其標準卡片衍射峰,整體上與六方晶相NaLuF4-JCPDS27-0726 標準卡片相同。在17.477°、30.378°、31.294°、44.073°、54.336°位置的衍射峰對應(100)、(110)、(101)、(201)、(211)晶面,合成的樣品是六方晶系,具有很好的結晶性。XRD 的衍射峰向小角度方向發(fā)生輕微偏移,因為Ho3+、Yb3+的半徑大于Lu3+,少量的Ho3+、Yb3+替代Lu3+,導致宿主晶格膨脹[4]。此外,存在39°的雜峰,可能在反應中生成負產物NaF。
圖1 NaLuF4: Yb3+, Ho3+ 納米粒子的衍射圖樣及NaLuF4:Yb3+, Ho3+ 標準圖卡(JCPDS 卡片號;27-0726)
利用透射電子顯微鏡(TEM)對NaLuF4:Yb3+,Ho3+納米材料形貌進行表征,如圖2 所示。可以看到,NaLuF4:Yb3+,Ho3+納米材料雖有部分團聚,但是基本呈球形。利用Image J 軟件對該區(qū)域進行統(tǒng)計粒徑,計算得到NaLuF4:Yb3+,Ho3+納米材料的平均尺寸約為49.806nm。
圖2 NaLuF4:Yb3+,Ho3+的透射電子顯微鏡照片
由于堿金屬離子Ca2+與Lu3+所帶電荷不同,摻雜使得NaLuF4晶格中產生氟離子空位。且Ca2+離子半徑與Lu3+不同,導致晶體場對稱性發(fā)生改變,電子在4f-4f 軌道躍遷禁阻被打破,進而增強熒光[5]。圖3a 為Ca2+摻雜NaLuF4發(fā)光光譜,可以看出Ca2+摻雜后的NaLuF4熒光有了明顯增強,與理論分析相符。
圖3 a) Ca2+摻雜NaLuF4:Yb3+, Ho3+ 發(fā)光光譜b) 303K-333K,Ca2+摻雜NaLuF4:Yb3+, Ho3+ 變溫光譜圖
然 后 對NaLuF4:Yb3+,Ho3+,Ca2+溫 敏 性 質 進 行 研 究。在303K-333K 溫度范圍進行了變溫熒光光譜測試(每5℃采集一次光譜),如圖3b 所示。圖4a 為NaLuF4:Yb3+,Ho3+,Ca2+溫度依賴性FIR 擬合曲線。FIR 為綠光(5F4/5S2→5I8)與紅光(5F5→5I8)的熒光強度比。隨著溫度的升高,熒光強度比逐漸降低,根據擬合結果呈指數相關,具有較好的溫敏性質。然后分析了Ca2+摻雜的aLuF4:Yb3+,Ho3+的溫度測量性能,擬合計算了靈敏度,如圖4b。隨著溫度的升高,Ca2+摻雜的樣品的相對靈敏度呈下降趨勢。在303K 時具有最大靈敏度,為0.080%K-1。
圖4 a) 303K-333K,Ca2+摻雜NaLuF4:Yb3+, Ho3+ 溫度依賴關系熒光強度比.I541/I646 擬合曲線b) 對應靈敏度擬合曲線
利用溶劑熱法成功制備了NaLuF4: Yb3+, Ho3+。結果表明,NaLuF4: Yb3+, Ho3+呈球狀并具有六方相結構,堿金屬離子Ca2+摻雜可以提高原來納米材料的發(fā)光強度,增強近6.3 倍。摻雜Ca2+后,在303K-333K 變溫下樣品熒光強度比FIR 測溫擬合呈現指數曲線,具有較好的溫敏性質。在303K 時具有最大的測溫靈敏度0.080%K-1。因此,NaLuF4: Yb3+, Ho3+, Ca2+納米材料具有良好的上轉換發(fā)光性能,有望應用于癌細胞成像和光熱納米溫度計。