一种有机小分子修饰的超小稀土上转换复合纳米颗粒及其制备方法与应用与流程

本发明属于上转换发光纳米材料，具体涉及一种有机小分子修饰的超小稀土上转换复合纳米颗粒及其制备方法与应用。

背景技术：

1、近年来，稀土掺杂上转换纳米颗粒（ucnps）因其独特的光子上转换特性、优异的光稳定性以及窄带发射等优势，在生物医学领域展现出广阔的应用前景。

2、相比于常规尺寸的ucnps，超小尺寸ucnps（通常粒径≤10 nm）具有更好的生物相容性、更高的组织渗透能力以及更高效的肾脏清除能力，可有效降低长期生物蓄积带来的潜在毒性，因此在生物成像、疾病诊断、药物递送和光学治疗等方面具有更大的应用潜力。然而，超小尺寸的纳米颗粒具有极大的比表面积，形成巨大的表面缺陷，极易与含有高能-oh振动的水分子产生强烈的声子-声子耦合，增加稀土离子的激发态能量损耗，导致发光效率急剧下降。纳米颗粒尺寸越小，这种表面猝灭作用越显著。

3、现有研究中，染料敏化和外延生长表面保护层（mof、sio2、惰性壳等）常被用来克服这一问题，然而均无法从根本上解决超小纳米颗粒无机晶格表面电子结构缺陷的问题。根据专利 cn121674050a公开的在ucnps 表面外延生长zr-mof(ui0-66-nh2)外壳的方法，虽然可以利用外延生长的mof层有效负载药物，但激发光和发射光均需经过mof层，存在一定散射和吸收，同时会使得ucnps粒径显著增加且mof壳层难以控制均匀生长。又根据专利cn117946661a公开的在β-nayf4:20%yb,2%er表面修饰染料bbxfj的方法，虽然染料的使用可以解决ucnps发光效率低，激发波长受限的问题，达到优化ucnps发光性能的目的，但是染料的光稳定性较低，且相对稳定的染料合成步骤复杂。

4、因此，需要一种简单高效的方法克服ucnps表面缺陷，提高上转换发光效率。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明提供一种增强水相超小上转换纳米颗粒发光的有机小分子修饰的超小稀土上转换复合纳米颗粒及其制备方法与应用；本发明的制备方法操作简单，小分子修饰前后，上转换纳米颗粒物相和物理尺寸不发生改变，但上转换发光显著增强，在本发明中，小分子被选作惰性保护层，同时通过和ln3+之间的配位，激活表面暗场，重构表面离子配位场，减少表面ln3+和内层ln3+之间的能级差，提高能量传递效率，从而提高超小纳米颗粒在水相中的上转换发光特性。制备的ucnps@有机配体（ucnps@ligand）稀土上转换复合纳米颗粒具有规则均一的形貌和优异的发光性能，通过有机小分子的配位，在近红外激光激发下，实现上转换发射的荧光增强。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、本发明提供一种有机小分子修饰的超小稀土上转换复合纳米颗粒，包括超小稀土掺杂上转换纳米颗粒和刚性有机小分子；

4、超小稀土掺杂上转换纳米颗粒为表面裸露无封端的亲水性纳米颗粒，粒径≤12nm（如2nm、4nm、6nm、8nm、10nm、12 nm）；

5、刚性有机小分子在超小稀土掺杂上转换纳米颗粒表面与稀土离子配位结合；

6、刚性有机小分子为苯环衍生物、吡啶和吡啶衍生物中的至少一种，苯环衍生物和吡啶衍生物包括至少一个羧基（-cooh）。

7、优选的，苯环衍生物包括一个羧基；或苯环衍生物包括两个羧基，其中一个羧基为另一个羧基的邻位、间位或对位；或苯环衍生物包括三个羧基，其中两个羧基分别为另一个羧基的邻位或间位。苯环衍生物包括苯环和苯环上的羧基。

8、优选的，吡啶衍生物包括一个羧基，羧基为氮原子的邻位、间位或对位；或吡啶衍生物包括两个羧基，两个羧基分别为氮原子的邻位或间位。吡啶衍生物包括吡啶环和吡啶环上的羧基。

9、优选的，刚性有机小分子为苯甲酸、吡啶-2-二羧酸、邻苯二甲酸、对苯二甲酸、连苯三甲酸、吡啶-2,6-二羧酸、吡啶-2,5-二羧酸和偏苯三甲酸中的一种或多种。

10、进一步优选的，刚性有机小分子为连苯三甲酸。

11、优选的，超小稀土掺杂上转换纳米颗粒为alnf4，其中a为li+、na+、k+中的一种或多种，ln为稀土离子（yb3+、tm3+、lu3+、tb3+）中的一种或多种。

12、进一步优选的，ln中基质稀土离子的掺杂比例在97%～99%，激活稀土离子的掺杂比例在1%～3%。

13、优选的，超小稀土掺杂上转换纳米颗粒为liybf4:（2~3）%tm。

14、本发明提供一种上述的有机小分子修饰的超小稀土上转换复合纳米颗粒的制备方法，包括以下步骤：

15、将超小稀土掺杂上转换纳米颗粒水溶液和刚性有机小分子水溶液混合，加入二乙二醇后加热除水，然后反应，得到有机小分子修饰的超小稀土上转换复合纳米颗粒。

16、优选的，超小稀土掺杂上转换纳米颗粒与刚性有机小分子的物质的量之比为0.1：（0.01~0.2）。

17、进一步优选的，超小稀土掺杂上转换纳米颗粒与刚性有机小分子的物质的量之比为0.1：0.04。

18、优选的，超小稀土掺杂上转换纳米颗粒水溶液的浓度为0.05~0.5 mol/l。

19、进一步优选的，超小稀土掺杂上转换纳米颗粒水溶液的浓度为0.1 mol/l。

20、优选的，刚性有机小分子水溶液的浓度为0.01 mol/l～0.1 mol/l。

21、进一步优选的，刚性有机小分子水溶液的浓度为0.02 mol/l。

22、优选的，刚性有机小分子水溶液的ph为6～9。ph优选为8。

23、优选的，二乙二醇与超小稀土掺杂上转换纳米颗粒的体积摩尔比为3-5 ml：0.1mol。

24、进一步优选的，二乙二醇与超小稀土掺杂上转换纳米颗粒的体积质量比为3ml：0.1 mol。

25、优选的，超小稀土掺杂上转换纳米颗粒以油酸/十八烯（oa/ode）为溶剂通过共沉淀法制备，然后去除表面油酸得到。

26、进一步优选的，共沉淀法的反应温度为250℃～290℃。共沉淀法的反应温度优选为260℃。

27、进一步优选的，去除表面油酸以hcl或nobf4为除油剂通过配体交换剥离超小稀土掺杂上转换纳米颗粒表面的油酸配体。

28、更优选的，hcl的浓度为1.0~2.0 mol/l。hcl的浓度优选为1 mol/l。

29、优选的，混合的搅拌速度为300 r/min～500 r/min，时间为1.5 h～2.5 h。

30、进一步优选的，混合的搅拌速度为400 r/min，时间为2 h。

31、优选的，加热除水的温度为100℃～120℃，搅拌速度为300 r/min～500 r/min，时间为25 min～50 min。

32、进一步优选的，加热除水的温度为110℃，搅拌速度为400 r/min，时间为35 min。

33、优选的，反应的温度为160℃～200℃，时间为2 h～4 h。

34、进一步优选的，反应的温度为160℃，时间为2 h。

35、优选的，反应后加入无水乙醇离心，分散在n,n-二甲基甲酰胺中。

36、优选的，离心的转速为10000 r/min～15000 r/min，时间为20 min～40 min。

37、进一步优选的，离心的转速为15000 r/min，时间为30 min。

38、本发明提供一种上述的有机小分子修饰的超小稀土上转换复合纳米颗粒或上述的制备方法制备的有机小分子修饰的超小稀土上转换复合纳米颗粒在制备生物成像试剂、疾病诊断试剂、药物递送试剂或光学治疗试剂中的应用。

39、本发明提供的有机小分子修饰的超小稀土上转换复合纳米颗粒用alnf4作为ucnps，在近红外激光激发下，实现超小上转换纳米颗粒在水相中的高效发光。这主要是由于表面的ln3+提供了与小分子配位的有效配位点，从而减少表面ln3+和内部ln3+的能级差，减少能量损耗，实现能量的有效传递。

40、本发明提供的增强水相超小上转换纳米颗粒发光的稀土上转换复合纳米颗粒的制备方法，往无油酸封端的超小上转换纳米颗粒水溶液中加入调节ph后的刚性有机小分子水溶液，搅拌混合均匀加入二乙二醇，加热搅拌除水获得ucnps和刚性有机小分子混合的二乙二醇溶液，转入聚四氟乙烯内衬的水热釜高温高压反应，加入无水乙醇高速离心后获得小分子修饰的上转换纳米颗粒。本发明的上转换纳米颗粒表面修饰方法具有工艺简洁、质量稳定、高效等特点。

41、本发明提供的刚性有机小分子修饰ucnps的方法，制备的ucnps的上转换发光强度在水相中得到了大幅度提升。

42、本发明提供的增强水相超小上转换纳米颗粒发光的稀土上转换复合纳米颗粒的制备方法，以实施例1为例，优选的复合纳米颗粒liybf4:tm@dpa在uv(325 nm～375 nm)和蓝紫光(425 nm～500 nm)发射波段的积分强度分别显著提高了403倍和349倍，以实施例2为例，优选的复合纳米颗粒liybf4:tm@btc在uv(325 nm～375 nm)和蓝紫光(425 nm～500nm)发射波段的积分强度分别显著提高了556倍和501倍，这是由于负载小分子之后，ln3+-ln3+之间的能量传递更加高效。

43、本发明刚性小分子修饰超小稀土掺杂上转换纳米颗粒可以实现发光热增强（通常情况下，稀土上转换纳米颗粒都是发光热猝灭的），以实施例2连苯三甲酸修饰的稀土上转换复合纳米颗粒为例，在573k下的uv和蓝光部分相对室温（25℃）分别增强了17.4倍和15.5倍。可以理解为连苯三甲酸在根本上修复了表面缺陷、构建了高效的能量传递通道，而升温则进一步验证并放大了这种抗猝灭能力，最终呈现出反常的发光热增强现象。

44、本发明刚性小分子修饰超小稀土掺杂上转换纳米颗粒可以有效规避染料敏化发光增强过程中存在的严重的光漂白和易发生分子脱附的问题，刚性共轭配位，多位点配位，界面结合更牢固，同时起到抑制表面振动，降低非辐射弛豫的作用。

45、本发明的有益效果是：

46、本发明刚性有机小分子修饰超小稀土掺杂上转换纳米颗粒的方法简单，可以有效提高上转换发光效率，以连苯三甲酸修饰的稀土上转换复合纳米颗粒上转换发光效率最高；同时可以实现发光热增强；

47、本发明刚性有机小分子修饰超小稀土掺杂上转换纳米颗粒的方法可以提高激活离子最优掺杂浓度，提高上转换发光效率，有机小分子修饰的超小稀土上转换复合纳米颗粒的激活离子最优掺杂浓度为2%，显著高于未修饰稀土掺杂上转换纳米颗粒。