氨基酸包覆的YVO4∶Eu纳米粒子的合成、发光及细胞成像性能

梁龙琪,陈彩玲,于 影,李雨昕,李春光,施 展

(吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室,长春 130012)

稀土掺杂的荧光纳米材料[1,2]因其荧光寿命长、Stökes位移大、光化学稳定性强及发射峰窄等优良的光学性质而被广泛用于照明显示[3]、生物成像[4,5]等多个领域. 稀土钒酸盐[6,7]具有良好的光学[8]、磁学[9]和催化[10]性质,是稀土化合物家族中的重要一员,其中钒酸钇(YVO4)是一种良好的基质材料,其作为发光、显示和激光材料受到广泛关注[11]. 合成YVO4纳米材料的方法较多[12～14],其中使用最广泛的是水热(溶剂热)法[15,16]. 与热辐射相比,微波辐射辅助加热具有加热时间短、无加热梯度且受热均匀等优势[17～19],该方法显著缩短了反应时间,加快了反应进程. 本课题组[20,21]利用微波水热法合成了多种具有上、下转换发光性能的稀土纳米粒子. 除合成方法外,模板剂的选择对于纳米材料尺寸和形貌的控制也至关重要. 通常的模板剂是选择长链有机分子或者高分子聚合物. 如,Li等[22]以油酸为模板剂,采用溶剂热法合成了油溶性的LaVO4纳米粒子; Liu等[23]以聚吡咯烷酮为模板剂合成了纳米级YVO4粒子. 迄今,以小分子作为模板剂的合成方法鲜见报道. 最常用的小分子是柠檬酸[24～27],如Yang等[27]用柠檬酸合成了GdVO4∶Eu纳米粒子. 氨基酸作为人体的必需营养物质[25],在其参与下合成的纳米粒子生物兼容性强,有利于在生物医学领域的应用; 而且氨基酸成本低、原料易得,适合作为小分子模板剂. 本文以β-丙氨酸为模板剂,水为溶剂,合成了具有水溶性的YVO4∶Eu纳米粒子. 探究了氨基酸加入量对纳米粒子结构及形貌等的影响,并将该方法拓展到其它稀土钒酸盐纳米粒子的合成中. 同时研究了该纳米粒子的荧光性质,并将其制作成3D复合物模型. 此外,所合成的YVO4∶Eu纳米粒子还可作为低生物毒性的荧光探针用于标记小鼠结肠癌CT26细胞.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

YCl3·6H2O,EuCl3·6H2O和LaCl3·xH2O购于Sigma-Aldrich公司; GdCl3和LuCl3·6H2O购于Alfa Aesar公司; 乙二醇(EG)、交联剂与固化剂、Na3VO4·12H2O、β-丙氨酸和NaOH购于国药集团化学试剂有限公司; 所有试剂均为分析纯.

Rigaku D/Max 2500型X射线衍射仪(XRD,日本理学公司),扫描范围6°～60°,扫描速度6°/min; IFS-66V/S型傅里叶变换红外光谱仪(FTIR,德国布鲁克公司); Tecnai G2 S-Twin F20型场发射透射电子显微镜(TEM,荷兰FEI公司),加速电压200 kV; FL920S型荧光光谱仪(FL,英国爱丁堡公司); A1型共聚焦激光显微镜(日本尼康公司).

1.2 YVO4∶Eu纳米粒子的合成

称取0.475 mmol YCl3·6H2O,0.025 mmol EuCl3·6H2O和1.0 mmolβ-丙氨酸溶于10 mL去离子水中,经剧烈搅拌制成溶液A; 将0.6 mmol Na3VO4·12H2O溶于6 mL去离子水中,经搅拌澄清后,将其注入溶液A中,形成浑浊的反应液,用1 mol/L NaOH溶液调节反应液pH=12,搅拌10 min后,移入带有聚四氟乙烯内衬的微波反应釜中; 于5 min内微波加热升温至180 ℃,反应20 min后,自然冷却至室温. 高速离心收集产物,用水洗涤、离心多次,将得到的纳米粒子或溶于水或真空干燥,备用. 合成其它钒酸盐纳米粒子时只需将YCl3·6H2O换成其它稀土氯化物即可.

1.3 荧光器件的制备

将0.1 mL氨基酸包覆的YVO4∶Eu纳米粒子超声分散于 0.2 mL的EG中制成溶液B. 取6 mL交联剂与2 mL固化剂(树脂)混合,制成溶液C. 将溶液B与溶液C在剧烈搅拌下混合,于80 ℃下交联反应1 h,得到白色硅胶复合材料.

1.4 细胞成像实验

将小鼠结肠癌CT26细胞置于RPMI-1640培养基中培养,加入体积分数为10%的优质胎牛血清和体积分数为1%的双抗(青霉素,链霉素),再分别取0.1 mL 10和20 μg/mL氨基酸包覆的YVO4∶Eu纳米粒子放入上述培养皿中培养 24 h,然后用PBS缓冲液(20 mmol,pH=7.4)清洗样品3次以除去剩余的纳米粒子. 用激光共聚焦显微镜拍摄标记细胞的荧光照片.

2 结果与讨论

2.1 YVO4∶Eu纳米粒子的结构、形貌和表面状态

图1(A)为采用1.0 mmolβ-无氨酸制备的氨基酸包覆的YVO4∶Eu纳米粒子的XRD谱图,可见其衍射峰强度和位置与YVO4标准卡片(PDF No.17-0341)中的谱峰完全吻合,其中3个最强特征衍射峰与四方相YVO4的(200),(112)和(312)晶面对应,说明纳米粒子结晶化程度高,无多余杂质,Eu3+离子的掺入并未影响纳米粒子的相纯度. 利用红外光谱表征了纳米粒子的表面状态,将以β-丙氨酸作为模板剂合成的YVO4∶Eu纳米粒子与纯β-丙氨酸的IR光谱进行了对比,由图1(B)可见,氨基酸包覆的纳米粒子在1620 cm-1处有明显的吸收峰,这是由非质子化的羧酸根中羰基的反对称振动引起的,说明纳米粒子表面有羧基存在. 由于羧基覆盖于纳米粒子的表面,从而赋予了纳米粒子良好的水溶性. 由纳米粒子的低倍TEM照片[图1(C)]可见,纳米粒子的尺寸小于50 nm,如此小的尺寸也使纳米粒子具有更好的水分散性,可长时间不团聚. 图1(C)插图为纳米粒子的高分辨TEM照片,可见清晰的晶格条纹,这进一步说明纳米粒子具有良好的结晶性.

Fig.1 XRD pattern(A) of YVO4(a) and alanine capped YVO4∶Eu nanoparticles(b),IR spectra(B) of alanine(a) and alanine capped YVO4∶Eu nanoparticles(b) and TEM and high-resolution TEM images(insert)(C) of alanine capped YVO4∶Eu nanoparticles

2.2 氨基酸的影响

氨基酸作为模板剂在纳米粒子合成过程中起到了重要作用. 通过对比无氨基酸与加入不同量氨基酸条件下产物的组成和形貌分析了氨基酸对YVO4∶Eu纳米粒子合成的影响. 图2(A)～(C)分别为无氨基酸、加入0.5和1.5 mmolβ-丙氨酸后的TEM照片. 可见,在不加入氨基酸条件下合成的YVO4∶Eu纳米粒子尺寸分布不均一,因表面无羧基而更易发生团聚. 加入氨基酸得到的纳米粒子与未加入氨基酸相比,粒子尺寸明显变小且更均一. 随着氨基酸的加入量从0.5 mmol逐渐增加到1.5 mmol,纳米粒子的尺寸逐渐变小. 值得注意的是,当氨基酸的加入量为1.0 mmol[图1(C)]时其分散性最佳. 故所有实验均选择氨基酸加入量为1.0 mmol. 图2(D)示出了对应于图2(A)～(C)样品的XRD谱图,可见随着β-丙氨酸加入量的逐渐增大,其XRD衍射峰的半峰宽越来越宽,说明合成的纳米粒子尺寸逐渐减小,该结果与TEM结果一致.

Fig.2 TEM images of YVO4∶Eu nanoparticles without alanine(A),adding 0.5 mmol(B) or 1.5 mmol(C) alanine in the reaction solution and the corresponding XRD patterns a—c(D)

所建立的以氨基酸为模板剂,水为溶剂,微波辅助的水热合成方法也可用于合成其它稀土钒酸盐. 图3(A)～(D)分别为氨基酸包覆的LaVO4∶Eu,LuVO4∶Eu,GdVO4∶Eu和EuVO4纳米粒子的TEM照片,所有纳米粒子均具有较小的尺寸和良好的水分散性. 因此,该方法不仅适用于YVO4∶Eu纳米粒子的合成,还适用于其它稀土钒酸盐纳米粒子的合成,具有广泛的适用性.

Fig.3 TEM images of alanine capped LaVO4∶Eu(A),LuVO4∶Eu(B),GdVO4∶Eu(C) and EuVO4 nanoparticles(D)

2.3 YVO4∶Eu纳米粒子的荧光性能

Fig.4 Excitation(A),emission(B) spectra,CIE coordinate diagram(C) and decay curve(D) of YVO4∶Eu nanoparticles

2.4 YVO4∶Eu纳米粒子用于3D复合物发光模型

氨基酸包覆的YVO4∶Eu纳米粒子具有良好的荧光特性,且在水溶液中具有良好的分散性,可以将其植入到聚合物中制成图案化的复合物模型用于3D图像显示. 图5(A)和(C)分别为复合材料制成的花朵形状以及“纳米蛋糕”在日光灯下的照片. 由于合成的氨基酸包裹的YVO4∶Eu纳米粒子为白色固体,分散在EG中并经过交联-固化后得到了白色复合物模型,这些模型具有一定的韧性,能长时间保持特有的形状. 图5(B)和(D)为上述图案化的3D复合物模型在紫外灯(激发波长为305 nm)照射下的荧光照片. 可以看出,复合物发出明亮的红光且材料发光均匀,说明纳米粒子较好地分散其中,该模型在紫外灯持续照射24 h后依旧保持着良好的荧光性能,说明该复合材料具有良好的稳定性.

Fig.5 Digital photos of polymer composites with different shapes under sunlight(A,C)and UV light(B,D)

2.5 YVO4∶Eu纳米粒子用于细胞成像

氨基酸包覆的YVO4∶Eu纳米粒子具有几乎无毒性、生物兼容性好且发光能力强等优点,在生物标记领域有着极其重要的潜在应用价值. 本文将其作为荧光探针用于标记小鼠结肠癌CT26细胞. 图8(A)～(D)分别示出了在加入10 μg/mL的氨基酸包覆的YVO4∶Eu纳米粒子的条件下,CT26细胞经孵育后的细胞成像结果. 可见,在405,488和561 nm波长光的激发下,CT26细胞发出较强的蓝色、绿色和红色荧光,说明制备的纳米粒子具有宽激发的优良性质,与材料的激发光谱一致. 图8(E)～(H)分别示出了在加入20 μg/mL的氨基酸包覆的YVO4∶Eu纳米粒子条件下,CT26细胞经孵育后的细胞成像结果. 可见,在纳米粒子浓度增大后,细胞仍保持良好的形态,这说明材料具有良好的生物相容性. 此外,CT26细胞的荧光强度随着孵育的纳米粒子浓度的增大而增强,这可能是由于氨基酸包覆的YVO4∶Eu纳米粒子逐渐积累到细胞质,显示出良好的膜通透性. 上述结果表明,氨基酸包覆的YVO4∶Eu纳米粒子作为荧光探针在细胞检测及传感等领域具有潜在的应用价值.

Fig.6 Confocal laser scanning microscope images of CT26 cells incubated with YVO4∶Eu nanoparticles with different contents under 405 nm(A,E),488 nm(B,F),561 nm(C,G) and bright field(D,H)Nanoparticles content/(μg·mL-1): (A)—(D) 10; (E)—(H) 20.

3 结 论

利用微波辅助加热的水热法合成了β-丙氨酸包覆的YVO4∶Eu纳米粒子,其具有良好的水分散性,尺寸小于50 nm. 在紫外光激发下,YVO4∶Eu纳米粒子发出明亮的红光(荧光寿命为0.928 ms). 氨基酸的加入量会影响所合成YVO4∶Eu纳米粒子的尺寸,随着氨基酸加入量的增大,纳米粒子的尺寸变小. 这种以氨基酸为模板剂的微波辅助水热法也同样适用于其它稀土钒酸盐的合成. 将合成的纳米粒子与硅胶树脂复合后可获得图案化的荧光模型,且复合物模型的稳定性较好. 进一步将YVO4∶Eu纳米粒子作为荧光探针用于标记小鼠结肠癌CT26细胞.