Yb3+/Er3+双掺杂白磷钙石荧光骨修复材料的制备及其发光性能研究

高娟娟 赵海帆 覃瑞琪 苏家仪 朱敏

摘要：白磷钙石（whitlockite，WH）是人体骨组织中含量第二的骨矿物质，具有良好的生物活性和诱导成骨性能。WH结构的荧光粉由于其结构类型多样、较低的声子能量以及可调谐的光致发光，被广泛应用于LED灯等领域。采用化学沉淀法制备了含不同物质的量比的Yb3+和Er3+共掺杂白磷钙石的上转换发光纳米材料（Yb3+/Er3+-WH），在水溶液中有良好的分散性。在980 nm的激光器的激发下，不同比例掺杂的Yb3+/Er3+-WH纳米颗粒均可发射波长为530、550 nm的绿光和660 nm的红光。由测得的荧光光谱结果可知，当Yb3+和Er3+的物质的量比为10∶1时，上转换发光强度最高，有较高的能量传递效率。Yb3+/Er3+ -WH粉体作为具有成骨活性的荧光标记材料在骨修复领域具有一定的应用潜力。

关键词：稀土元素；白磷钙石；上转换发光；骨修复

中图分类号：TB 321 文献标志码：A

基金项目：国家自然科学基金资助项目（52072246）

Study on Preparation and Photoluminescence Properties of Yb3+/Er3+ Co-doped Whitlockite Bone Repair Material

GAO Juanjuan， ZHAO Haifan， QIN Ruiqi， SU Jiayi， ZHU Min

（School of Materials and Chemistry， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract： Whitlockite （WH） is the second bone mineral in human bone tissue， and shows remarkable biological activity and osteoinductivity. Phosphors with WH structure are widely used in LED lamps and other fields because of their various types of structure， low phonon energy and tunable photoluminescence. Yb3+ and Er3+ co-doped WH up-conversion luminescent nano materials （Yb3+/Er3+-WH） with different molar ratios of Yb and Er3+ were prepared by chemical precipitation method， and the materials showed good dispersion in aqueous solution. Under the excitation of 980 nm laser， Yb3+/Er3+-WH nanoparticles with different proportions could emit green light with the wavelengths of 530 and 550 nm and red light with the wavelengths of 660 nm. According to the results measured by fluorescence spectrum， when the molar ratio of Yb3+ to Er3+ is 10∶1， the up-conversion luminescence intensity is the highest and the energy transfer efficiency is relatively higher. The Yb3+/Er3+-WH powder shows certain application potential in the field of bone repair as a fluorescent marker material with osteogenic activity.

Keywords： rare earth element； whitlockite； up-conversion luminescence； bone repair

稀土元素是指元素周期表第三副族中從镧至镥以及钪和钇，共17个元素。因其特殊的电子层结构，具有催化、电学、磁性和光学等特性[1-2]。稀土元素的光学特性是基于稀土元素的外壳层电子间跃迁产生的，由于外壳层电子对f4电子的屏蔽作用，使得f4电子各态之间的跃迁不受基质的影响，从而能形成稳定的发光中心，这些都为研究稀土掺杂能量上转换材料奠定了基础[3]。传统荧光成像的方法如量子点、石墨烯、有机荧光团等，具有稳定的光致发光性能，但细胞毒性和易分解等缺点限制了其在体内外的应用[4]。而稀土元素具有较高的Stokes位移和热稳定性，在生物体中具有较大的组织穿透性、避免组织自身荧光和较低的细胞毒性等优点，因此稀土掺杂的上转换发光纳米颗粒有望取代有机荧光团和量子点，作为一种新型的荧光探针，应用于细胞成像[5]、信号追踪和临床诊断等领域[6-8]。

稀土掺杂的基质材料的结构会显著影响激活剂的发光性能。白磷钙石（whitlockite，WH）是人体骨组织中含量第二的组分，化学式为Ca18Mg2（HPO4）2（PO4）12，属于斜方六面体（R3c）的结构，其晶格常数为a=1.035 nm和c=3.709 nm[9]。图1为WH的晶胞单元的离子排列结构图，在WH结构中有Ca（1），Ca（2）和Ca（3）等3种不同的钙离子位点[10]。由于稀土离子（Ln3+）和Ca2+具有相近的离子半径、供体原子偏好和几乎相同的蛋白结合位点，且Ln3+电荷较高，对Ca2+位点具有更大的吸引力。Ln3+可以取代Ca2+在WH中的位点，改善晶体的理化性质和生物学特性，因此Ln3+也被称为“Ca功能模拟物”[11-14]。WH结构的荧光粉因其结构类型多样、显著的组成灵活性、较低的声子能量以及可调谐的光致发光，受到广泛的研究关注[15]。

传统WH结构的荧光材料采用高温固相法合成[16-17]。Jang等[18]以Ca（OH）2-Mg（OH）2-H3PO4三元体系为原材料，采用化学沉淀法在100 ℃以下合成了纯度较高的WH。Hu等[19]在此基礎上制备了Ce掺杂的WH纳米颗粒，并证明其对骨组织的生长有积极作用，同时也为较低温度下的合成掺有稀土的WH提供了一种新方法。本研究采用化学沉淀法合成的Yb3+/Er3+共掺杂WH的上转换发光纳米颗粒（Yb3+/Er3+-WH），以980 nm激发器为激发光源，WH作为基质材料，Yb3+作为敏化剂离子吸收能量，Er3+作激活离子，构成发光中心。主要研究了不同比例Yb3+/Er3+掺杂对WH的物相结构以及发光性能的影响。稀土掺杂的上转换发光WH不仅可作为一种骨修复材料，其上转换发光性还能作为一种荧光标记探针，作为骨植入材料对骨缺损的修复情况进行监控[20]。

1 实 验

1.1 实验原料

Ca（OH）2（AR，95.0%），购于国药集团化学试剂有限公司；Mg（OH）2（AR，98.0%），购于国药集团化学试剂有限公司；H3PO4（AR，质量分数为85.0%），购于国药集团化学试剂有限公司；Yb（NO3）3·5H2O（GR，99.9%），购于麦克林生化科技有限公司；Er（NO3）3·6H2O（GR，99.9%），购于麦克林生化科技有限公司。

1.2 材料制备

本研究采用化学沉淀法制备了含Yb3+/Er3+不同物质的量比掺杂的WH，即Yb3+和Er3+物质的量比为x∶1 （x=3、5、10、20），其中Ca2+和 （Yb3++Er3+）的总物质的量比为10∶1。具体步骤为：将6 g的Ca（OH）2和1.368 g的Mg（OH）2加入到100 mL 80 ℃的去离子水中，加热搅拌1 h，分别加入不同质量的Yb（NO3）3·5H2O和Er（NO3）3·6H2O，具体比例和质量见表1。继续80 ℃搅拌1 h后，用恒流注射泵以12.5 mL/min的速度加入0.95 mol/L的H3PO4，调节溶液的pH为4.2，继续在80 ℃条件下搅拌24 h，冷却至室温。离心收集沉淀并用去离子水洗涤至中性。冷冻干燥24 h后充分研磨，将充分研磨后的粉末放置在管式炉中，以2 ℃/min的升温速度，加热至1 150 ℃，保温3 h，烧结得到4组Yb3+/Er3+-WH粉体。

1.3 测试与表征

对制备的4组不同比例掺杂的Yb3+/Er3+-WH粉体进行表征分析。各组分的Ca，Mg，Yb和Er元素的实际含量用电感耦合等离子体发射光谱仪（inductively coupled plasma optical emission spectrometry，ICP-OES）测得；采用BRUKER公司的X射线衍射仪（X-Ray diffractomer，XRD），获得粉体的广角XRD衍射谱图，扫描速度为5 （°）/min；通过Micromeritics Tristar 320型比表面仪在 196 ℃下获得N2吸附-脱附等温曲线；采用Perkin Elmer有限责任公司傅里叶变换红外光谱仪（Fourier transform infrared spectrometer，FTIR）获得各掺杂比例的红外谱图；粉体的扫描电镜（scanning electron microscope，SEM）图在FEI Quanta 450型场发射扫描电镜上获得；使用动态光散射粒径分析仪（dynamic light scattering， DLS）测试粉体在水溶液中的平均颗粒尺寸和分散度；粉体在980 nm激光下的荧光发射光谱在FLS 980稳态/瞬态荧光光谱仪获得。

2 结果与讨论

2.1 Yb3+/Er3+-WH的粉体各元素含量

取4组Yb3+/Er3+-WH的粉体各20 mg，使用浓硝酸完全溶解，去离子水稀释并使用100 mL容量瓶定容。表2为各组分中实际测得不同元素的含量。由表2结果可知，实际掺杂Yb3+/Er3+的含量与理论值有一定的偏差，原因是由于Yb和Er的相对分子质量不同，由于掺杂比例不同，同等质量的Yb3+/Er3+-WH的粉体，物质的量不同，但Yb3+/Er3+实际比例与理论掺杂的比例接近。

2.2 Yb3+/Er3+-WH的粉体表征

图2为4组Yb3+/Er3+-WH的XRD谱图，与WH的标准卡片（JCPDS：70-2064）对比，所有衍射峰均与WH的相一致，且未发现其他磷酸钙以及Yb2O3或Er2O3的衍射峰存在，证明合成了纯的Yb3+/Er3+-WH纳米颗粒。不同比例掺杂的Yb3+/Er3+并未改变WH的晶体结构，但相对于未掺杂WH，其特征峰随着Yb3+掺量的增加逐渐向高角度偏移，是由于Yb3+和Er3+半径与Ca2+的半径不同，离子半径越小，WH的晶格畸变越明显，晶胞参数和晶面间距变小，造成衍射峰的偏移。另外，与标准的WH的衍射峰强度对比，Yb3+/Er3+-WH的强度相对降低，是由于Yb3+和Er3+的掺杂，使得WH晶体内部的无序化程度增高，结晶度降低。

将Yb3+/Er3+-WH粉体相关的官能团采用FTIR进行表征。从图3中可知，PO43 的弯曲振动峰位于991～1 057 cm 1的范围内，P-O键的拉伸振动以及PO43 的弯曲振动分别在961 cm 1和602 cm 1处，PO43 的不对称拉伸峰位于1 120 cm 1。HPO42 峰在FTIR谱图中也有显示。综上，从XRD和FTIR谱图结果可知，通过化学沉淀法，成功地制备出单相的Yb3+/Er3+-WH。

图4为不同比例掺杂的Yb3+/Er3+-WH的SEM图。由图4可知，化学沉淀法制备的Yb3+/Er3+-WH纳米颗粒形貌不均匀。三价稀土离子在取代Ca2+的过程中，由于价态的变化，WH晶格內部产生空位，使得WH的晶粒尺寸增大；另外，对于不同比例掺杂的WH，由于Ca2+、Er3+、Yb3+的半径依次减小，半径较小的Yb3+和Er3+掺杂会使得WH晶格发生畸变，而随着Yb3+掺量的增加，Yb3+/Er3+-WH的颗粒越大。

图5为Yb3+/Er3+-WH的粒径分布图。以水为分散介质，超声处理的Yb3+/Er3+-WH粉体，使用DLS测得各组分试样在水溶液中的粒径分布和分散性。随着Yb3+和Er3+物质的量比的增加，测得的平均晶粒尺寸逐渐增大，分别为491.0、596.8、672.3 nm和836.1 nm。测得粉体的分布系数（pdi）分别为0.371、0.357、0.374和0.457，根据其数值分析可知，Yb3+/ Er3+-WH纳米颗粒在水溶液中的分散性较好。

2.3 不同比例掺杂Yb3+/Er3+-WH的荧光性能

当掺杂稀土元素一定时，上转换发光的波长位置是一定的，在不同的基质中，不同浓度的发光离子上转换发光位置的峰的相对强弱和发光的整体强度会有变化。在980 nm激光器的激发下，Yb3+对泵浦光的吸收截面远大于Er3+，并且在Yb3+的浓度高于Er3+情况下，忽略了Er3+对泵浦光的吸收和Er3+之间的能量传递上转换过程[21]。

如图6所示，Yb3+吸收泵浦光的能量，然后传递给不同能级的Er3+，是一个连续敏化的过程。绿光的发射是Yb3+对Er3+的二步能量传递。首先，Yb3+吸收泵浦光的能量，跃迁到激发态，由于Yb3+的 2F7/2-2F5/2之间的能量间隔和Er3+的4I15/2-4I11/2 能量间隔相匹配，所以2F5/2激发态的Yb3+可以与处于4I15/2基态的Er3+离子发生能量转移[22]。

Yb3+将能量传递给Er3+后跃迁回基态，Er3+吸收能量由基态4I15/2跃迁到4I11/2激发态，4I11/2态的Er3+可再与一个处于激发态的Yb3+发生能量转移，从4I11/2态跃迁到4F7/2。由于4F7/2的寿命较短，Er3+可以无辐射跃迁到4S3/2态，再跃迁到基态4I15/2，产生530 nm的绿光[23]；另外，4F7/2态的粒子还可以无辐射跃迁到2H11/2态，再跃迁到4I15/2，产生550 nm的绿光；绿光的产生是双光子过程，而红光既有单光子又有双光子过程[24]。

在Yb3+掺量较低情况下，处于激发态的Yb3+与处于基态的Er3+发生能量转移，Er3+跃迁到4I11/2激发态。其中少部分4I11/2激发态的Er3+无辐射跃迁到4I13/2态，这些4I13/2态的Er3+再吸收一个Yb3+的能量，跃迁到4F9/2态，再跃迁到基态，产生中心波长约为660 nm的红光。随着Yb3+掺量增加，处于绿光能级4S3/2态的Er3+会将能量传递给基态的Yb3+发生能量回传过程，Er3+回落至4I13/2，即4S3/2（Er3+）+2F7/2（Yb3+）→4I13/2（Er3+）+2F5/2（Yb3+）。处于4I13/2 （Er3+）能级的粒子可以吸收一个激发光的光子或与Yb3+进行能量传递，跃迁至红光能级 4F9/2态，产生660 nm红光[25]。

图7为使用稳态/瞬态荧光光谱仪测试得到的不同比例掺杂的Yb3+/Er3+-WH荧光光谱图。在980 nm激光器的激发下，制备的不同比例掺杂的Yb3+/Er3+-WH均可发射530 nm和550 nm绿光和660 nm的红光。随着Yb3+掺量的增加，Yb3+离子能吸收泵浦光的能量增加，发光强度增加。因此提高了上转换的发光效率；当Yb3+/Er3+掺杂比例为10∶1时，Yb3+和Er3+的耦合作用比较强，存在着比较强的能量传递过程[26]。但是比例继续增大时，由于Yb3+浓度过高，使得Yb3+与Er3+之间的平均距离缩短，因此，能量容易在相同状态下的供体和基质的内部缺陷或者表面配体之间迁移，导致4S3/2和4F9/2能级下降，从而导致的浓度淬灭，发光强度降低。

3 结 论

通过采用化学沉淀法制备了4组Yb3+和Er3+物质的量比依次为3∶1、5∶1、10∶1和20∶1的WH发光纳米颗粒（Yb3+/Er3+-WH）。通过XRD、FTIR、SEM等表征方法分析可知，用化学沉淀法成功制备了单相的Yb3+/Er3+掺杂的WH纳米颗粒，在水溶液中具有较好的分散性。在980 nm激光器的激发下，4组Yb3+/Er3+-WH颗粒均可以发射530 nm（4S3/2→4I15/2）、550 nm（4I11/2→4I15/2）的绿光和660 nm（4F9/2→4I15/2）的红光，当Yb∶Er的比例为10∶1时，具有较好的发光效果和能量传递效率。因此，掺杂Yb3+和Er3+的WH的发光材料可作为荧光探针在体内成像和骨修复领域有一定的应用潜力。

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