[发明专利]具有上转换发光性质的pH纳米传感材料及其制备方法

说明书

技术领域：

本发明属于发光纳米材料技术领域。具体涉及一类有机荧光染料偶联的无机稀土上转换发光纳米粒子的制备及其在生物检测和生物成像中的应用。

背景技术：

化学反应的进行或完成，细胞和细胞器的许多重要的生理过程等都与pH值密切相关，在正常的生理条件下，细胞外液需要一个恒定的氢离子浓度，酸性和碱性过强会导致心、肺病或神经类疾病，严重时甚至会有生命危险。因此，pH值的精确测量对化学生物学研究十分重要。

众所周知，一些有机化合物的荧光或吸收性质会随着pH的变化，基于有机染料的pH荧光探针也得到了长足发展，但利用荧光探针分析生物样品存在的一个重要问题是如何消除生物基体背景荧光的干扰，因此随着纳米技术的飞速发展，设计合成新型的pH纳米探针可解决在生物化学研究中所遇到的难题。

目前的研究中，有报道采用荧光素及其衍生物、金属配合物等做为pH探针材料的，但是荧光素及其衍生物易于从细胞内流失的缺陷，使其不适用于一些细胞参数与组分的表征。而许多过渡金属离子如钌、稀土离子（Eu³⁺,Tb³⁺等）具有较长的荧光寿命，但其荧光量子产率过低。目前已报道一些纳米材料结合荧光染料分子制备得到pH探针，大部分报道采用量子点结合荧光染料分子，但是量子点有很大的生物毒性，无法应用到生物体系中，也有报道利用稀土离子功能化后的金纳米颗粒与荧光染料分子结合构造pH 探针（Angew. Chem. Int. Ed. 2012，51，9624-9627）。但是如何降低金纳米粒子的尺寸，改善其形貌，制备出尺寸均一，形貌可控的金纳米粒子仍是今后的研究热点，而对金纳米粒子性能和应用的研究仍处于初步阶段。也有报道采用稀土上转换发光纳米棒与荧光染料分子结合构造pH探针（Chem. Commun. 2009, 5000-5002）。但是纳米棒的尺寸过大，并且表面结合的荧光染料分子的量也很有限，很大程度的影响其响应灵敏度，也很难应用到生物体系中。因此如何制备更先进更有效利用于生物体系并且检测准确度高的pH探针仍是一个很有挑战力的工作。

在一系列新型的纳米发光探针中，相对于有机染料和量子点而言，稀土元素原子结构特殊，内层4f轨道未成对电子多、原子磁矩高、电子能级特别丰富，几乎可以与所有元素发生反应，形成多价态、多配位数的化合物，具有许多优异的光、电、磁、核等特性，被称为“现代工业的维生素”。稀土上转换发光材料作为新一代生物发光标记拥有许多优点，例如发光谱带窄、色纯度高、色彩鲜艳、转换效率高，发射光谱分布范围广，覆盖紫外到红外的光谱范围，荧光寿命能从纳秒跨越到毫秒级，磷光最长达十多个小时；而且稀土上转换发光材料的物理化学性能稳定，另外，以近红外激光作为其激发源具有光穿透深度大、对生物组织无损伤、无生物背景荧光干扰、激光器造价低、易于普及等优点；这些优势使稀土上转换发光材料拥有巨大的生物应用前景。

基于稀土上转换发光材料的优势，本发明所提供的是一种具有上转换发光性质的pH纳米传感材料，它把有机荧光染料与稀土上转换发光材料的优势结合起来，拓宽了pH探针在生物医学领域的应用前景。

但是，尽管稀土上转换发光纳米材料的研究取得了很多的成果，但是他们在生命科学研究中的应用却很少，主要原因是很难制备出粒径小且上转换发光效率高、具有较好水溶性和生物兼容性的纳米材料。

发明内容

技术问题： 本发明的目的是针对以上技术缺陷，提供一种具有好的生物相容性、高上转换发光效率的具有上转换发光性质的pH纳米传感材料及其制备方法。

技术方案：本发明所述的具有上转换发光性质的pH纳米传感材料，包括稀土上转换发光纳米晶层和包覆在稀土上转换发光纳米晶层表面并含有二甲酚橙的二氧化硅层。

所述稀土上转换发光纳米晶包括镱、钇、铥、铒、钬、钕、镥中的任意两种或多种的的组合。

所述稀土上转换发光纳米晶粒径为30-70 nm。

所述具有上转换发光性质的pH纳米传感材料表面通过二氧化硅包覆和氨基修饰以后整个包覆层厚度为5-10 nm。

所述具有上转换发光性质的pH纳米传感材料中含有的二甲酚橙通过共价键连接于二氧化硅层表面。

所述具有上转换发光性质的pH纳米传感材料在化学、生物检测和成像中的应用。

本发明具有上转换发光性质的pH纳米传感材料的制备方法包括如下步骤：

S1.制备稀土上转换发光纳米晶，并在所述稀土上转换发光纳米晶包覆一层油酸配体；