超薄金壳包覆NaYF4∶Yb,Er@SiO2纳米结构的可控合成与表面增强上转换荧光

安西涛， 王 月， 牟佳佳， 李 静， 张立功， 骆永石， 陈 力*

(1．长春工业大学 化学与生命科学学院， 材料科学高等研究院， 基础科学学院， 吉林 长春 130012；2. 北华大学 物理学院， 吉林 吉林 132013； 3. 发光学及应用国家重点实验室 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所， 吉林 长春 130033)

1 引 言

稀土上转换材料是指吸收能量较低的光子产生高能量光子的材料。上转换材料在激光器、显示器，太阳能电池以及生物医学成像和生物诊疗等领域具有广泛的应用前景[1-2]。与传统荧光探针如有机染料和量子点等相比，稀土掺杂的上转换荧光纳米材料具有化学稳定性好、发光色纯度高、毒性低和 Stokes位移大等优点。同时，长波-近红外光(800～1 300 nm)激发条件下，穿透深度与紫外、可见光相比，具有较大优势，可以避免生物样品光散射以及自发荧光的干扰，从而使检测背景降低，信噪比提高。然而，由于上转换发光过程是多光子过程，发光中心稀土离子的吸收截面小，f-f电偶极跃迁禁戒以及纳米晶表面存在大量猝灭中心等内在因素使得荧光效率低，严重制约其实际应用。于是人们希望通过优选基质、离子共掺杂、表面修饰及构筑核壳结构等方法提高荧光强度和效率。近年来利用金和银等贵金属纳米结构的局域表面等离激元增强上转换荧光发射的报道越来越多[3-6]，其中大多涉及纳米颗粒和纳米棒与上转换材料的复合结构，关于超薄纳米金壳包覆的上转换材料的报道并不多见。

1998年，Halas研究组最早获得了纳米金壳结构，通过调节核壳直径比，实现了SPR峰自可见到近红外可调[7]。最近，Jin研究组报道了磁性材料Fe3O4@Au核壳结构，有少量的Au3+离子可能会穿透PEG层并直接作用于量子点表面，从而导致荧光猝灭[8]。Mengdai Luoshan 等报道了多层壳修饰的NaYF4∶Yb3+,Er3+@SiO2@Au@TiO2上转换纳米晶，观察到了由于表面等离激元引起的整体荧光增强现象。然而其纳米粒子尺寸约为几百纳米，而且表面等离激元是由于纳米金粒子，而不是金壳产生[9-12]。Zhang研究组发现通过改变Au壳厚度使得SPR峰可调，并获得增强的上转换荧光[13]。孔祥贵、涂浪平等报道了NS与Au纳米粒子荧光共振能量传递过程[14]。在众多研究中，纳米颗粒尺寸大、荧光猝灭、核壳结构不完整等问题依然存在，成为实现表面生物功能化进而在生物医用等更广泛领域得到实际应用的主要障碍[15-18]。

本文成功制备了尺寸均一的NaYF4∶Yb,Er@SiO2@Au(NSA)复合上转换纳米核壳结构，尺寸小于100纳米，表面包覆的纳米金壳超薄且连续。系统研究了在980 nm近红外连续激光激发下核壳结构的上转换荧光强度与氯金酸浓度的依赖关系，观察到该复合纳米结构因表面超薄金壳包覆所引起的荧光增强现象。通过稳态光谱和上转换衰减寿命数据分析及FDTD方法模拟对纳米金壳表面等离激元增强上转换荧光机制进行了详细讨论。

2 实 验

2.1 试剂与仪器

硝酸钇、硝酸镱、硝酸铒、油酸、氯金酸、聚组氨酸(PLH)(Mw≥5 000)、Ipepal CO-520均为分析纯，购于 Sigma-AIdrich公司；硝酸、环己烷、巯基乙酸、乙醇、氟化钠、羟胺、正硅酸乙酯(TEOS) 均为分析纯，购于国药集团化学试剂有限公司。

采用Rigaku D/Max ⅡA 型X射线衍射仪对样品的物相进行分析，辐射源为Cu靶Kα射线 (λ=0.154 056 nm)，扫描速度为6.0(°)·min-1。采用JEM-2000 EX透射电镜观测样品的表面形貌，加速电压为200 kV。采用日立 F-7000 荧光光谱仪在980 nm激光器的外部激发下测试样品的上转换荧光光谱。采用UV-3150型分光光度计测量样品的紫外-可见-近红外吸收光谱。采用高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)(FEI Talos F200s)对样品的结构和形貌进行分析和表征。

2.2 样品制备

2.2.1 NYF纳米晶的合成

掺杂Yb和Er离子的NaYF4纳米晶的制备方法之前就有报道[19-22]，本文采用油相热裂解的方法制备NaYF4∶Yb,Er上转换纳米晶。首先称取YCl3(0.78 mmol)、YbCl3(0.2 mmol)和ErCl3(0.02 mmol)的粉末加入到50 mL三颈烧瓶中，接着吸取6 mL油酸和15 mL十八烯依次加入三颈烧瓶中，加热至160 ℃，冷却至室温。然后加入含有0.1 g NaOH 和0.148 g NH4F的10 mL甲醇溶液。加热溶液至70 ℃，除去多余的甲醇，继续升温至100 ℃，除去水蒸气，然后通入N2气，加热溶液至300 ℃，1.5 h，冷却至室温，离心洗涤多次，在真空干燥箱内60 ℃烘干，最后分散在30 mL环乙烷中作为原液。

2.2.2 NS核壳结构纳米材料的合成

从上述原液中吸取9 mL的溶液于烧杯中，加入15 mL环己烷，1 mL CO-520超声分散1 min。然后加入100 μL氨水与溶液混合，搅拌15 min。TEOS的量和时间可以调控SiO2的厚度，表面活性剂CO-520和硅原TEOS的比例会影响壳层包覆的厚度以及均匀性。TEOS/CO-520比例过高时，过量的硅源会超过其水解能力，产生过多的SiO2小球，反之，比例变小，表面活性剂量变大，上转换纳米晶就可以直接与水接触，避免形成多余的SiO2小球。我们选取60 μL TEOS加入到溶液中，以48 h作为实验条件，快速搅拌48 h。用乙醇洗涤多次，分散到去离子水中保存。

2.2.3 NSA核壳结构纳米材料的合成

由于Au与NYF上转换纳米粒子或者量子点直接接触，常常引起荧光猝灭[8]。综合这些因素，将NYF纳米晶外层包覆SiO2，以PLH作为模板，首先吸取5 mL的NS溶液于烧杯中，加入8 mg PLH，2 mL去离子水，匀速搅拌6 h，15 000 r/min离心分离，洗涤3次，将多余的PLH去除，然后分散到3 mL水中。吸取500 μL该溶液于烧杯中，加入适量质量分数为1% 的HAuCl4(100，200，300，400 μL)，加入去离子水定容至1 mL。滴加NaOH溶液调节上述溶液pH值到9～10，继续搅拌1 h。加入适量的羟胺，氯金酸根离子通过静电吸附到NS上，通过—NH2基团的作用，形成了致密均匀的Au壳层。最后加入5 μL巯基乙酸使溶液稳定。

3 结果与讨论

3.1 结构与形貌分析

图 1( a) 是高温热裂解合成的上转换纳米粒子NYF的透射电镜图片，从图中可以看出NYF纳米粒子分散均匀，没有出现明显的团聚现象。相比于水热法合成的纳米粒子粒径更小，晶相更纯，分散性更好。图1(b)为NS上转换纳米核壳结构透射电镜照片，SiO2壳层均匀，厚度约5 nm，由于SiO2具有良好的亲水性，通过包覆SiO2壳不仅提高了上转换纳米粒子的生物兼容性，还为进一步包覆均匀的金壳打下了良好的基础。图1(c)、(d)、(e)、(f)分别为不同氯金酸摩尔分数(x=10%,20%,30%,40%)合成的NSA透射电镜图片,NSA上转换纳米粒子依然保持着单分散性，尺寸均一，表面无颗粒状分布且未观察到SiO2包裹的核壳结构，我们认为在NS表面包覆了一层连续金壳。图1(g)、(h)为NSA上转换纳米晶的高分辨透射电镜图片，可以看出包覆的金壳很薄，大约2 nm。合成出的NSA上转换复合纳米材料，不仅颗粒尺寸小(<100 nm)，且超薄纳米金壳形貌完整。制备出高质量的NSA上转换纳米颗粒有益于进一步的表面功能化和生物医用。

图1 (a)高温裂解法合成NYF(NaYF4∶Yb，Er)上转换纳米粒子透射电镜图;(b)NS(NaYF4∶Yb,Er@SiO2 )纳米粒子透射电镜图；不同氯金酸摩尔分数(x=10%(c),20%(d),30%(e),40%(f))合成的NSA(NaYF4∶Yb,Er@SiO2@Au)纳米粒子的透射电镜图；(g)、(h)为NSA上转换纳米粒子的高分辨透射电镜图片。

图2(b)为掺杂Er3+的NYF、NS、NSA上转换纳米粒子的X射线衍射谱图，图2(b)(下)为高温热裂解合成的上转换纳米粒子NYF的衍射峰与六角相NYF的标准卡片(JCPDS No. 16-0334)非常吻合，说明所制备的NYF样品为纯的六角相。与立方相的NYF纳米颗粒比较，六角相具有更高的发光效率，并且纯的六角相NYF纳米粒子作为能量传递的给体，比混合相更具有优越性[23]。图2(b)(上)显示，NSA上转换纳米颗粒的XRD谱图与金的标准卡片(JCPDS No.04-0784)对比，有4个衍射峰与其相对应，可以证实Au的存在。根据NSA纳米颗粒的EDX谱图(2(d))我们看到了Au元素的对应峰，更进一步验证了金元素的存在。基于TEM技术，想要直观地观察到核(纳米粒子)-壳(金)结构是很难实现的，通过图2(a)NSA纳米颗粒的mapping数据可知，Au元素分布尺寸略大于Y元素的分布，说明Au分布在该纳米复合结构的外层。为了进一步确认金壳结构的厚度，测量了NSA纳米颗粒的紫外-可见-近红外吸收光谱如图2(c)，据相关研究报道，通过调节Au壳厚度可以实现SPR峰可调，而且Au壳越薄，SPR峰逐渐向长波移动[7]。张勇研究组也发现SPR峰值为900 nm时，金壳厚度为2.8 nm[13]。图2(c)中不同浓度氯金酸合成的NSA样品在1 100 nm附近出现吸收峰，说明通过原位合成法获得了更薄的连续的纳米Au壳，厚度约为2 nm。

图2 (a)NSA上转换纳米粒子Mapping图片；(b)NYF、NS、NSA上转换纳米粒子 X射线衍射谱图；(c)不同氯金酸摩尔分数下合成的NSA纳米粒子吸收光谱图，插图为不同氯金酸摩尔分数合成的NSA样品照片；(d)NSA上转换纳米粒子的EDX谱图。

3.2 发光特性和发光机理

上转换纳米材料的荧光效率低严重制约了其现实应用，目前通常采用内部调节和外部调节的方式来共同提高荧光效率。本文通过构筑纳米金壳结构，利用表面等离激元增强上转换荧光，图3(a)为980 nm连续激光激发下，NSA核壳结构的上转换荧光强度与氯金酸浓度的依赖关系。绿光和红光上转换发光峰分别位于520，545，660 nm处，分别对应Er3+：2H11/2→4I15/2,4S3/2→4I15/2和4F9/2→4I15/2的跃迁，包覆SiO2后的NS样品较纯核NYF样品的荧光强度略有下降，是因为SiO2壳的存在提高了对激发光的散射从而降低了激发光对核的激发效率。随着氯金酸浓度的增加，NSA样品的荧光强度呈现出先增强后减弱的趋势。图3(b)是NYF、NS和不同金壳厚度NSA样品的红光绿光以及整体上转换荧光积分强度变化规律，氯金酸摩尔分数为20%条件下合成的NSA2纳米颗粒荧光强度最大，与SiO2包覆后样品(NS)相比Er3+：(2H11/2,4S3/2)→4I15/2和4F9/2→4I15/2Er3+跃迁的荧光强度均增强了约2.8倍，由于金表面等离激元共振电磁波的能量与NYF纳米颗粒所需的激发能量相匹配，其吸收截面明显增加从而使荧光增强[13]。随着金壳厚度增加，造成激发光散射增加，红绿荧光强度以及整体荧光强度降低。

图3 (a)在980 nm光源的激发下，NYF、NS和不同氯金酸摩尔分数合成的NSA(10%,20%,30%,40%)上转换纳米粒子的荧光光谱图；(b)上转换纳米粒子的红光、绿光以及整体上转换荧光积分强度。

图4 NYF(a)、NS(b)和NSA(c)上转换纳米晶的红光、绿光能级对应的激发功率和荧光强度关系。

图5 (a)、(b)分别为NYF、NS和NSA上转换纳米晶的红光、绿光的寿命衰减曲线和衰减时间;(c)、(d)为单个Au纳米颗粒和单个NSA纳米颗粒的FDTD数据模拟图。

通过FDTD方法模拟出单个金粒子与单个金壳包覆的上转换纳米晶NSA样品的表面电磁场分布如图5(c)、(d)所示。模型参数设置依据所制备的纳米结构尺寸：单个Au球和单个NSA的总大小直径是49 nm，其中NaYF4直径为35 nm，SiO2膜厚为5 nm，Au膜厚为2 nm。从图中可以看出NSA纳米材料与单个金纳米粒子相比，表面的电场强度显著增加。模拟结果与实验中荧光增强的规律一致。该模拟方法直观精确，佐证了金纳米壳的作用，显示出金纳米核壳结构的优势。

4 结 论

利用原位还原法成功制备了尺寸小且均一、超薄完整金壳包覆的NaYF4∶Yb,Er@SiO2@Au(NSA)纳米结构并且金表面等离激元共振电磁波的能量与NYF纳米颗粒所需的激发能量相匹配，其吸收截面明显增加从而使得荧光增强。这种由激发增强机制所引起的表面等离激元增强荧光纳米材料，对未来生物医学成像诊断及光热、X射线辐射治疗具有潜在的应用价值。