本发明涉及上转换发光纳米材料领域，具体涉及一种近红外花菁染料敏化上转换发光纳米探针。
背景技术：
在过去的20年间，上转换发光纳米材料由于其独特的优势而备受人们关注，越来越多的研究小组投入到上转换发光纳米材料的研究中来。虽然上转换发光纳米材料已经在生物医学和太阳能电池等领域的研究取得了令人振奋的发展，但是受限于依然偏低的上转换发光效率和单一的激发波长，上转换发光纳米材料始终无法在生物医学研究等研究中得到大规模应用。
山于稀土离子yb3 在近红外区同其他稀土离于比较，具有相对较大的吸收截面，因此人们常常采用yb3 作为敏化剂用于吸收激发光的能量。然而由于yb3 在近红外区的吸收峰位于980nm，恰好与水在近红外的区的强吸收峰重叠。当处于980nm激发光照射下，所产生的热效应不可避免的会对生物组织造成热损伤。若降低激发光功率，又会直接减弱上转换发光强度而影响成像效果。2014年以来，已经有多个课题组报道了利用稀土nd3 离子替代传统的敏化剂yb3 以解决发热问题，并且取得了较好的效果。一方面，nd3 离子的最大吸收波长位于800nm，避开了980nm水的吸收峰；另一方面，同yb3 离子对980nm近红外光的吸收能力相比，nd3 离子对800nm近红外光的吸收能力要强2-3个数量级多。当nd3 离子受到800nm的近红外激光激发后，将能量传递给yb3 离子，yb3 离子作为一个中间桥梁，将得到的能量最终转移给激活剂er3 离子发光。在这个过程中，虽然还是有yb3 离子参与，但是yb3 离子仅仅起到了能量传递的作用，已经不再作为敏化剂直接负责吸收激发光的能量。
早在2012年，荷兰格罗宁根大学的janc.hummelen教授课题组就在naturephotonics上发表论文，报道了一种近红外花菁染料敏化的上转换发光纳米材料，该方法不仅将上转换纳米粒子的上转换发光整体增强了3300倍，还使得上转换过程的激发光波长蓝移至800nm附近，有效避开了水在980nm附近的吸收。不过遗憾的是，这种花菁染料敏化的上转换纳米材料是完全疏水的，这大大限制了它在生物医学成像和检测传感领域的应用。
技术实现要素：
虽然可以想到在花菁染料上接上亲水基团以提高亲水性，但是本领域技术人员尝试不同花菁染料和不同亲水基团结合仍未能获得能在极性溶剂中与上转换纳米颗粒ucnp@sio2结合后具有高上转换发光效率的材料。为获得高达40倍的上转换荧光增强的亲水性近红外花菁染料敏化上转换发光纳米探针，本发明首先合成了具有不同共轭结构的花菁染料(cyanine)，对染料的激发和发射波长进行了调控，并通过磺酸基修饰对其进行了水溶性改性。随后，构建超薄sio2包裹的上转换纳米颗粒ucnp@sio2(2nm)，通过在超薄ucnp@sio2纳米颗粒表面进行花菁染料修饰，成功实现了cyanine和ucnps之间的荧光共振能量转移，并在800nm激发光激发下，实现了对上转换发光高达40倍的荧光增强。
为了实现本发明目的，本发明采用如下技术方案：
一方面，本发明提供式(ir-795)和式(ir-835)所示近红外花菁染料化合物
第二方面，本发明提供一种近红外花菁染料敏化上转换发光纳米探针，其为式(ir-795)与ucnps或式(ir-835)与ucnps复合的复合纳米粒子，表示为ir-795-ucnps或ir-835-ucnps，ucnps为nayf4：yb，er@nayf4：yb(x％)@sio2，其中yb3 浓度(x％)为20％-40％，sio2包裹ucnp的厚度为2nm。
在一些实施例中，所述ir-795-ucnps和ir-835-ucnps中，ir-795或ir-835与ucnps的质量比约为1∶723。
在一些实施例中，(ir-795)与ucnps或式(ir-835)与ucnps可以在醇类溶剂中快速构建。
第三方面，本发明提供所述近红外花菁染料敏化上转换发光纳米探针快速构建方法，
近红外花菁染料敏化上转换发光纳米探针快速构建方法，将超薄ucnp@sio2分散于极性溶剂中，加入式(ir-795)或式(ir-835)极性溶剂溶液，搅拌反应，即得。
在一些实施例中，所述极性溶剂为醇类溶剂，选自甲醇、乙醇或丙醇等。
在一些实施例中，所述极性溶剂为水、氯仿、乙腈等。
在一些实施例中，所述超薄ucnp@sio2为nayf4：yb，er复合纳米粒子包裹sio2的厚度为2nm。
在一些实施例中，所述超薄ucnp@sio2的制备方法包括将450μl表面活性剂co-520分散在2ml的环己烷中，缓慢加入2.5ml的nayf4：yb，er环己烷储备液，搅拌15min后，加入50μl浓氨水；将混合溶液持续超声1h，至溶液澄清透亮后，用蠕动泵向反应体系内缓慢加入10μlteos，继续反应48h，搅拌速度控制在600～700r/min，反应结束后加入2～3ml乙醇震荡或超声破乳，12000r/min离心分离得到nayf4：yb，er@sio2复合纳米粒子，复合纳米粒子用1∶1乙醇/水的混合溶液洗涤数次。
本发明合成了不同波长的亲水性近红外花菁染料，并且以超薄sio2包裹的上转换纳米颗粒ucnp@sio2(2nm)为基础，(1)首次成功设计并合成了能在极性溶剂，优选醇类溶剂，更优选甲醇中分散的ir-795-ucnps和ir-835-ucnps复合纳米粒子。该复合纳米粒子以花菁染料为“天线分子”能量吸收800nm的激发光能量，通过花菁染料和ucnps之间的能量转移过程，在避开水在980nm吸收峰的同时，还实现了740nm-900nm宽波段上转换激发。不仅如此，同以nd3 离子为敏化剂的上转换发光体系相比，本发明所设计复合纳米粒子还实现了高达40倍的上转换荧光增强。在此基础上，本发明还详细研究了花菁染料与ucnps之间的能量转移过程，不仅对ucnps表面花菁染料的修饰数量进行了优化和调控，还构建了nayf4：yb，er@nayf4：yb(x％)核壳结构并对nayf4：yb壳层中yb3 的最优浓度进行了探索，主要结论如下：
(2)以表面包裹超薄sio2的ucnps@sio2为基础构建花菁染料敏化的上转换发光纳米探针时，其表面花菁染料的修饰数量对800nm激光激发下的上转换发光的过程影响很大。对于ir-795和ir-835而言，每个纳米粒子表面修饰约40个染料分子之后，ir-795-ucnps和ir-835-ucnps复合纳米粒子均能取得较好的能量转移效率并在800nm激发下产生较强的上转换发光。
(3)对于核壳结构nayf4：yb，er@nayf4：yb(x％)上转换纳米粒子而言，nayf4：yb(x％)壳层中过高的yb3 浓度会导致er3 -yb3 反向能量传递的发生。这不仅不能增强980nm激发下的上转换发光，反而会导致较大幅度的荧光猝火。
(4)对于核壳结构nayf4：yb，er@nayf4：yb(x％)上转换纳米粒子而言，nayf4：yb(x％)壳层中yb3 离子的浓度与染料敏化上转换发光的强度密切相关，过低的yb3 离子浓度不利于染料和yb3 之间的能量传递，过高的yb3 离子浓度又会导致er3 离子和yb3 离子之间的反向能量传递。只有当nayf4：yb(x％)壳层中yb3 浓度为20％-40％时，本发明才能获得较强的染料敏化上转换发光。
本文使用的术语“约”代表接近所述量的量，其仍然表现山需要的性能或获得需要的结果。例如，可以是指在低于所述量的10％以内、5％以内、1以内、0％以内或0.01％以内的量。
附图说明
图1示ir-795的1h-nmr谱图(500mhz，cd3od)；
图2示ir-835的1h-nmr谱图(500mhz，cd3od)；
图3示ir-795和ir-835在氯仿中的荧光光谱(3.18×10-6m)和ucnps@sio2在氯仿中的吸收光谱；
图4示随着ucnps粒子表面的ir-795染料数目增加，(●)不同激发光波长下(800nm/980nm)ucnps上转换发光增强倍数(红线)，(■)ir-795的荧光量子产率(黑线)，(▲)ir-795与ucnps之间的能量转移效率；
图5示随着ucnps粒子表面的ir-835染料数目增加，(●)不同激发光波长下(800nm/980nm)ucnps上转换发光增强倍数(红线)，(■)ir-835的荧光量子产率(黑线)，(▲)ir-835与ucnps之间的能量转移效率。
图6示10层核壳结构ir-795-nayf4：yb，er@nayf4：yb(x％)在800nm和980nm激发下其上转换发光强度随壳中yb3 含量的变化图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面进一步披露一些非限制实施例对本发明作进一步的详细说明。
一、实验试剂和仪器
1.1实验试剂
表1.1实验试剂
1.2实验仪器
表2主要制备和表征仪器的名称、生产厂家及型号
实施例1ir-795的合成
称取ir-783(50mg，0.0596mmol)，4-巯基苯甲酸(60mg，0.389mmol)溶解于5mldmf中，氮气保护下反应24h。反应结束后，40℃旋蒸除去dmf，剩余固体重新溶解于二氯甲烷，加入细硅胶，旋干二氯甲烷后干法上样，以甲醇/二氯甲烷(1∶2)和甲醇为洗脱剂，通过硅胶柱分离得到ir-795(产率90％)，1h-nmr谱图(500mhz，cd3od)如图1所示。
实施例2ir-835的合成
称取ir-820(342mg，0.402mmol)，4-巯基苯甲酸(186.2mg，1.2mmol)溶解于5mldmf中，氮气保护下反应24h。反应结束后，40℃旋蒸除去dmf，剩余固体重新溶解于二氯甲烷，加入细硅胶，旋干二氯甲烷后干法上样，以甲醇/二氯甲烷(1∶4)和甲醇为洗脱剂，通过硅胶柱分离得到ir-835(产率80％)，1h-nmr谱图(500mhz，cd3od)如图2所示。
实施例3一锅法溶剂热法合成nayf4：yb，er@nayf4：yb(x％)核壳结构纳米粒子
1)配制核结构上转换纳米晶合成所需的naoh/nh4f/甲醇溶液(a液)：称0.05gnaoh，0.074gnh4f加入5ml甲醇中，超声溶解备用；
壳原料(稀土油酸物)制备(b液)：将总量为1.75mmol的稀土氯化物甲醇溶液加入5ml油酸和12.5ml十八烯的混合溶剂中，反应物开始加热，抽真空至稀土完全溶解，之后将反应温度降至100℃备用；
壳原料(氟油酸物)制备(c液)：将5ml油酸和12.5ml十八烯先后加入100ml三口瓶中，再加入naoh/nh4f/甲醇溶液(naoh0.175g、nh4f0.259g、甲醇17.5ml)，搅拌1h后加热至80℃待反应瓶内的甲醇全部除去，充入n2保护，备用；
重复操作步骤4.3.2，待上转换纳米晶核在300℃条件下反应1h后，通入n2保护，先加入0.5ml已制备的b液，再加入0.5ml已制备的c液，搅拌反应15min。通入n2保护，再加入0.5mlb液和c液，反应15min。重复加入b液和c液，每次反应15min。
总共循环加入30次b液和c液，每加入一次壳原料记为壳生长一层。
仅改变壳层中所掺杂的yb3 的摩尔百分比，就可以得到不同掺杂比例的核壳结构纳米粒子。
实施例4超薄sio2包裹的上转换纳米颗粒ucnp@sio2(2nm)的合成
将450μl表面活性剂co-520分散在2ml的环己烷中，缓慢加入2.5ml的nayf4：yb，er环己烷储备液(10mg/ml)，搅拌15min后，加入50μl浓氨水(总反应体积为5ml)；将混合溶液持续超声1h，至溶液澄清透亮后，用蠕动泵向反应体系内缓慢加入10μlteos(加入速度为1μlmin-1)，继续反应48h，搅拌速度控制在600～700r/min，反应结束后加入2～3ml乙醇震荡或超声破乳，12000r/min离心分离得到nayf4：yb，er@sio2复合纳米粒子(白色胶状沉淀)，粒子用乙醇/水(1∶1)的混合溶液洗涤数次。
实施例5cyanine-ucnp@sio2(2nm)复合纳米粒子的合成
9mgucnp@sio2(2nm)分散于6ml甲醇中，加入不同体积(39μl，78μl，155μl，315μl，625μl，1250μl的ir-795甲醇溶液(0.0395mg/ml)，搅拌反应1h后，稀释至紫外可见最大吸收峰值小于0.05后，进行荧光光谱和紫外吸收光谱扫描。
9mgucnp@sio2(2nm)分散于6ml甲醇中，加入不同体积(39μl，78μl，155μl，315μl，625μl，1250μl的ir-835甲醇溶液(0.0407mg/ml)，搅拌反应1h后，稀释至紫外可见最大吸收峰值小于0.05后，进行荧光光谱和紫外吸收光谱扫描。
仪器表征
透射电镜(transmissionelectronmicroscopy，tem)是在jeol-1400上进行，高分辨透射电镜(highresolutiontransmissionelectronmicroscopy，hrtem)和选定区域的电子衍射图(selectedareaelectrondiffraction，saed)是在tecnaif30(netherlands)上获得。上转换荧光光谱在岛津5301荧光光谱仪上进行测试，测试使用一台外接980nm光纤耦合半导体激光器代替内置氙灯作为激发光源，激光器的最大出光功率3107mw，工作电流3480ma，光纤头面积2mm2；紫外可见吸收光谱在日立u3900h紫外可见分光光度计上记录，所有测试样品的最大吸收值均小于0.05。800nm和980nm半导体激光器功率密度曲线使用thorlabs公司的pm200光功率密度计进行测绘。
实施例6亲水性花菁染料敏化上转换发光纳米探针的光谱性质：
如图3所示，本发明所合成的ir-795和ir-835的发射光谱与ucnps的吸收光谱都存在一定比例的光谱重叠。山于ir-795和ir-835分子结构中有带强负电的羧基，ucnps@sio2修饰有带正电的氨基，通过羧基和氨基间正负电荷的相互吸引，本发明将染料分子通过吸附作用修饰在了ucnps@sio2粒子的表面，在甲醇溶剂中成功构建了花菁染料敏化上转换发光纳米探针ir-795-ucnps和ir-835-ucnps。在此基础上，本发明还分别对ucnps表面修饰的花菁染料数目进行了优化调控。
如图4所示，随着ucnps粒子表面的ir-795染料数目增加，ir-795的荧光量子产率先是快速升高，当每个ucnps表面修饰约20个染料分子时达到峰值，随后逐步降低。ir-795荧光量子产率的峰值点，恰好也是能量转移效率最高的点。与此不同的是，ir-795-ucnps的荧光增强倍数直到每个ucnps表面修饰约40个染料分子时才达到峰值，这与ir-795量子产率的峰值点相比稍显滞后。本发明认为这样的滞后主要是因为ir-795-ucnps上转换发光所需的能量是由ucnps表面修饰的全部染料分子一起贡献的。尽管当每个ucnps表面修饰约40个染料分子时，染料的量子产率有所降低，但是当量子产率乘以表面修饰的染料个数之后，40个量子产率稍低的染料分子依然能够为ucnps传递比20个染料分子更多的能量。与此类似，ir-835-ucnps表现出了与ir-795-ucnps较为相似的光谱性质(图5)。这甲需要特别说明的是，ir-835与ucnps的吸收光谱重叠面积虽然较ir-795而言要来的大，但是在相同功率条件下，800nm激发后所得到的荧光强度相较于980nm增强倍数却只有5倍。这一方面是因为ir-835的量子产率较ir-795要低，另一方面是由于ir-835分子结构中两端的萘环位阻相对较大，阻碍了ir-835染料分于与ucnps间有效的能量传递过程。
实施例7壳中yb3 浓度对染料敏化nayf4：yb，er@nayf4：yb(x％)上转换发光的影响
本发明在nayf4：yb，er@nayf4：yb(x％)上转换纳米颗粒的表面修饰上了相同数量的ir-795染料分子，以考察800nm激发下壳层中yb3 浓度对染料敏化上转换荧光强度的影响。如图6所示，在800nm的近红外光激发下，核粒于的上转换发光相较与980nm激发时增强了约20倍。当核粒子表面修饰上10层nayf4惰性壳层后，虽然其上转换发光在980nm激发下获得了较大增强，但是800nm激发时其荧光增强效果却不是明显。这主要是由于800nm激发下，nayf4：yb，er@nayf4：yb(x％)上转换发光的能量主要由花菁染料分于和纳米粒于间的能量转移过程所提供，10层nayf4惰性壳层虽然保护了核粒于的表面晶格缺陷，但是却增大了花菁染料分子与核粒子中yb3 离子间的距离，降低了能量转移的效率，最终导致了染料敏化上转换发光的减弱。当nayf4：yb(x％)壳层小，yb3 浓度为20％时，nayf4：yb，er@nayf4：yb(20％)在800nm激发下的染料敏化发光达到最大值。这主要是因为nayf4：yb壳层中的yb3 离子起到了能量传递桥梁的作用，这使得nayf4：yb(20％)壳层不仅保护了核粒子的表面晶格缺陷，又能将花菁染料所吸收的能量通过能量转移，经过nayf4：yb(20％)壳层传递给内层的核粒子。然而随着nayf4：yb(x％)壳层中yb3 浓度的不断增加，内核中的er3 离子与外壳中yb3 离子间的反向能量传递比重也开始增大。这不仅猝灭了nayf4：yb，er@nayf4：yb(x％)在980nm激发下的上转换发光，也使得在800nm激发下染料敏化上转换发光强度出现较大程度的减弱。综上所述，nayf4：yb(x％)壳层中yb3 离子的浓度与染料敏化上转换发光的强度密切相关，过低的yb3 离子浓度不利于染料和yb3 之间的能量传递，过高的yb3 离子浓度又会导致er3 离子和yb3 离子之间的反向能量传递，只有当nayf4：yb(x％)壳层中yb3 浓度为20％-40％时，本发明才能够获得较强的染料敏化上转换发光。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种式(ir-795)和式(ir-835)所示亲水性近红外花菁染料化合物
2.一种亲水性近红外花菁染料敏化上转换发光纳米探针，其特在在于：其为式(ir-795)与ucnps或式(ir-835)与ucnps复合的复合纳米粒子，表示为ir-795-ucnps或ir-835-ucnps，ucnps为nayf4：yb，er@nayf4：yb(x％)@sio2，其中yb3 浓度(x％)为20％-40％，sio2包裹ucnp的厚度为2nm。
3.如权利要求2所述亲水性近红外花菁染料敏化上转换发光纳米探针，其特征在于：ir-795-ucnps和ir-835-ucnps中，ir-795或ir-835与ucnps的质量比约为1∶723。
4.近红外花菁染料敏化上转换发光纳米探针快速构建方法，将超薄ucnp@sio2分散于极性溶剂中，加入式(ir-795)或式(ir-835)极性溶剂溶液，搅拌反应，即得。
5.如权利要求4所述超薄ucnp@sio2，其为nayf4：yb，er复合纳米粒子包裹sio2的厚度为2nm。
6.如权利要求4所述快速构建方法，所述极性溶剂为醇类溶剂，选自甲醇、乙醇或丙醇。
7.如权利要求4所述快速构建方法，所述极性溶剂为水、氯仿、乙腈。
8.权利要求4所述超薄ucnp@sio2的制备方法，其包括将450μl表面活性剂co-520分散在2ml的环己烷中，缓慢加入2.5ml的nayf4：yb，er环己烷储备液，搅拌15min后，加入50μl浓氨水；将混合溶液持续超声1h，至溶液澄清透亮后，用蠕动泵向反应体系内缓慢加入10μlteos，继续反应48h，搅拌速度控制在600～700r/min，反应结束后加入2～3ml乙醇震荡或超声破乳，12000r/min离心分离得到nayf4：yb，er@sio2复合纳米粒子，复合纳米粒子用1∶1乙醇/水的混合溶液洗涤数次。
技术总结