適用于近紅外熒光/核磁雙模成像的GdF3∶Nd3+，Yb3+@NaGdF4 納米材料

何 旭 吳亞楠 蔣越寧 劉景濤 向先興 文成旭 李 旭 王鳳和

(河北大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071002)

1 引 言

熒光成像一般利用來(lái)自內(nèi)源性或外源性熒光團(tuán)的顏色編碼發(fā)射光譜，通過(guò)光譜來(lái)獲取器官和組織以及亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的詳細(xì)圖像，以揭示生物學(xué)的內(nèi)在特征[1-3]。該技術(shù)具有非侵入性和非電離性的優(yōu)點(diǎn)。目前熒光成像被應(yīng)用于許多領(lǐng)域，如臨床前測(cè)試和臨床診斷、精確成像引導(dǎo)下的腫瘤手術(shù)切除、以及疾病進(jìn)展的分子水平監(jiān)測(cè)[4-8]。但是，波長(zhǎng)400～650 nm 的熒光在生物體內(nèi)成像深度小于1 mm，并且在該波長(zhǎng)范圍內(nèi)，生物組織自身熒光的干擾作用使得信號(hào)空間分辨率和信噪比降低，所獲得的活體圖像質(zhì)量嚴(yán)重降低[9-10]。研究表明，在650～1 450 nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)生物組織吸收達(dá)到最低水平，且在該范圍內(nèi)成像波長(zhǎng)越長(zhǎng)，組織成分的光散射和自體熒光就會(huì)越少。并且根據(jù)公式h＝λα(h為穿透深度；λ是波長(zhǎng)；α的值在0.2～4 之間，取決于組織的組成成分)可知，熒光成像波長(zhǎng)越長(zhǎng)，有效的成像深度越大[11]。相較于傳統(tǒng)的可見(jiàn)光和近紅外第一窗口(NIR-Ⅰ，700～900 nm)熒光成像，第二近紅外窗口(NIR-Ⅱ，1 000～1 700 nm)的熒光成像因其前所未有的組織穿透性和空間分辨率而受到了極大關(guān)注，此外，它還具有最小的光子吸收和散射以及可以忽略的組織自熒光效應(yīng)[12-14]。所以開(kāi)發(fā)近紅外熒光納米級(jí)探針具有十分重要的意義。

作為NIR-Ⅱ熒光成像的優(yōu)秀候選材料，鑭系元素?fù)诫s的下轉(zhuǎn)移納米顆粒具有優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)，如尖銳的發(fā)射帶、大的斯托克斯位移、無(wú)光漂白性以及較長(zhǎng)的熒光壽命[15-16]。Yb3＋具有單一激發(fā)態(tài)(2F5/2)，它產(chǎn)生的發(fā)射中心在1 000 nm 附近，通常具有數(shù)百微秒的發(fā)射壽命，比自發(fā)熒光壽命高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)[17]。因此，含有Yb3＋的納米晶體在近紅外時(shí)間門控光學(xué)成像領(lǐng)域具有很大吸引力。然而，Yb3＋需要使用980 nm 的激光作為激發(fā)光源，生物物種過(guò)度暴露在980 nm 的光下會(huì)導(dǎo)致組織過(guò)熱問(wèn)題，從而導(dǎo)致顯著的細(xì)胞死亡和組織損傷。解決這一問(wèn)題可以通過(guò)共摻雜Nd3＋將激發(fā)波長(zhǎng)峰值從980 nm 調(diào)控至800 nm 附近。因?yàn)镹d3＋具有以800 nm 為中心的銳利吸收帶，而且生物組織中的水分子在800 nm 處的吸收系數(shù)比在980 nm 處的吸收系數(shù)要低10 倍左右，可以有效避免激發(fā)光源引起的生物組織過(guò)熱問(wèn)題[18]。Nd3＋的4F3/2能級(jí)與Yb3＋的2F5/2能級(jí)接近，Nd3＋和Yb3＋共摻雜體系在808 nm 激發(fā)下，Nd3＋既作為Yb3＋的敏化劑，同時(shí)又作為發(fā)光中心，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)具備Nd3＋和Yb3＋兩個(gè)發(fā)光中心的雙發(fā)光中心近紅外發(fā)光，既避免了980 nm 激發(fā)的組織過(guò)熱問(wèn)題，同時(shí)又提高了近紅外發(fā)光的性能。

Gd3＋具有7 個(gè)未成對(duì)電子，可以有效地誘導(dǎo)水質(zhì)子的縱向弛豫。含有Gd3＋的化合物一般具有順磁性，可以作為磁共振成像(MRI) 造影劑[19]。GdF3和NaGdF4材料具有光學(xué)惰性，是很好的稀土摻雜基質(zhì)材料。因此，稀土摻雜使得Gd3＋的氟化物同時(shí)具備了熒光成像和MRI 成像的雙模成像性能。雙模成像模型可以有效增加病灶診斷的準(zhǔn)確性，為診斷和治療提供有力依據(jù)。

本文采用GdF3為基質(zhì)，利用Nd3＋和Yb3＋共摻雜體系，實(shí)現(xiàn)了808 nm 激發(fā)下的雙發(fā)光中心近紅外發(fā)光。采用熱分解方法合成GdF3納米材料，并討論了合成參數(shù)對(duì)產(chǎn)物形貌的影響，研究了離子摻雜濃度對(duì)納米GdF3∶Nd3＋，Yb3＋發(fā)光性能的影響。通過(guò)異質(zhì)殼層NaGdF4的包覆形成具有核殼結(jié)構(gòu)的GdF3∶Nd3＋，Yb3＋＠NaGdF4，研究了惰性層對(duì)納米材料GdF3∶Nd3＋，Yb3＋發(fā)光性能的影響，研究了GdF3∶Nd3＋，Yb3＋＠NaGdF4材料的近紅外發(fā)光性能和磁性能。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)藥品

實(shí)驗(yàn)原料包括:稀土氧化物(Gd2O3、Nd2O3、Yb2O3)、三氟乙酸鋰(CF3COOLi)、三氟乙酸(CF3COOH)、氯化釓(GdCl3·6H2O)、十八烯(ODE)、油酸(OA)、氫氧化鈉(NaOH)、氟化銨(NH4F)、環(huán)己烷、無(wú)水乙醇、甲醇、丙酮均為分析純(AR)，阿拉丁化學(xué)試劑有限公司；高純氬氣(99.999%)，保定京聯(lián)氣體有限公司。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 GdF3和GdF3∶Nd3＋，Yb3＋合成

以相應(yīng)的鑭系氧化物和三氟乙酸為原料，合成相應(yīng)的稀土三氟乙酸化合物RE(CF3COO)3(RE＝Gd，Nd，Yb)[20-21]。所有納米顆粒都在高沸點(diǎn)極性溶液中以熱分解的方法合成[22]。分別將1 mmol 的RE-(CF3COO)3和1.5 mmol 的CF3COOLi 加入12 mL OA 和12 mL ODE 的混合物中，在室溫下將其置于四頸燒瓶中，攪拌并通氬氣持續(xù)30 min。在氬氣保護(hù)氛圍中將以上溶液加熱到120 ℃，并攪拌去除水蒸氣。以30 ℃/min 的升溫速率，將溶液快速加熱至280 ℃，并在氬氣氣氛中保持特定的反應(yīng)時(shí)間。溶液冷卻至室溫后，加入過(guò)量的丙酮沉淀納米顆粒，用乙醇和環(huán)己烷洗滌三次，離心收集。最終產(chǎn)物分散在環(huán)己烷中。

2.2.2 GdF3∶Nd3＋，Yb3＋＠NaGdF4合成

采用熱注入法包裹惰性殼NaGdF4[23]。將6 mL OA、15 mL ODE 和一定量的GdCl3·6H2O 室溫下置于四頸燒瓶中，攪拌并通氬氣持續(xù)30 min。然后在氬氣保護(hù)氛圍中將溶液加熱到120 ℃，保持30 min 至溶液澄清透明，除去水蒸氣后降溫。緩慢滴入NaOH 和NH4F 的甲醇溶液，升溫到70℃，攪拌30 min 去除甲醇。再把GdF3∶Nd3＋，Yb3＋納米顆粒加入到上述溶液中，加熱到80 ℃，攪拌半小時(shí)去除環(huán)己烷。通60 min 氬氣后將上述溶液加熱到300 ℃保持1 h，然后降溫冷卻。用乙醇和環(huán)己烷溶液對(duì)合成產(chǎn)物進(jìn)行洗滌，最終產(chǎn)物分散于環(huán)己烷中。根據(jù)制備核與殼的反應(yīng)物中Gd3＋的量比值，將合成的不同惰性殼厚度的GdF3∶Nd3＋，Yb3＋＠ NaGdF4材料分別標(biāo)記為核殼比1∶0.5，1∶1和1∶2。通過(guò)雙親性聚合物PBMA-g-C12對(duì)GdF3∶Nd3＋，Yb3＋＠ NaGdF4進(jìn)行表面改性[24]，制備的親水性材料標(biāo)記為GdF3∶Nd3＋，Yb3＋＠NaGdF4＠PBMA-g-C12。

2.3 樣品表征

樣品衍射數(shù)據(jù)表征使用X 射線衍射儀(XRD 6000 Shimadzu)，掃描速度為8(°)/min。樣品的形貌由透射電子顯微鏡(TEM，JEOL 2100 plus)進(jìn)行表征。光致發(fā)光的發(fā)射光譜采用Acton-2750光譜儀和液氮冷卻普林斯頓PyLon 100BR-eXcelon 陣列CCD 探測(cè)器測(cè)定，激發(fā)光源為808 nm 激光器。樣品近紅外照片中的“HBU”圖案采用激光打標(biāo)機(jī)(亞聚激光，YJ-001)在黑色PE 板刻蝕得到。MRI 弛豫時(shí)間和T1加權(quán)成像照片通過(guò)核磁共振掃描儀(BioSpec 94/20 US)在9.4 T 磁場(chǎng)下進(jìn)行測(cè)試。所有測(cè)試均在室溫下完成。

3 結(jié)果與討論

3.1 合成參數(shù)對(duì)形貌的影響

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，材料合成參數(shù)會(huì)對(duì)合成產(chǎn)物的形貌產(chǎn)生明顯的影響，在本實(shí)驗(yàn)中我們討論了反應(yīng)時(shí)間和前軀體濃度對(duì)GdF3∶Nd3＋，Yb3＋納米顆粒形貌的影響。材料合成時(shí)的反應(yīng)時(shí)間是影響材料形貌的一個(gè)主要因素。一般來(lái)說(shuō)，較長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間往往會(huì)產(chǎn)生較大的納米顆粒。為了研究反應(yīng)時(shí)間對(duì)GdF3∶Nd3＋，Yb3＋形貌的影響，我們固定前驅(qū)物中的藥品濃度，調(diào)節(jié)反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)短。圖1為不同反應(yīng)時(shí)間下合成的GdF3∶Nd3＋，Yb3＋納米顆粒的TEM 形貌。從圖中可以看出，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為15 min 時(shí)，得到的納米顆粒為細(xì)長(zhǎng)棒狀結(jié)構(gòu)，粒徑約為45 nm。隨著反應(yīng)時(shí)間逐漸增加至60 min，納米顆粒的長(zhǎng)度未發(fā)生明顯變化，寬度逐漸增加，逐漸開(kāi)始顯示出六邊形的形貌。繼續(xù)增加反應(yīng)時(shí)間，GdF3∶Nd3＋，Yb3＋的粒子形狀沒(méi)有明顯變化，尺寸開(kāi)始明顯增大，由45 nm 增加至100 nm。當(dāng)我們固定反應(yīng)時(shí)間為60 min，調(diào)節(jié)前驅(qū)物的濃度也可以有效地調(diào)控納米顆粒形貌。將RE-(CF3COO)3和前驅(qū)體CF3COOLi 的比例分別調(diào)節(jié)為1∶1.5 和1∶0.5，前驅(qū)物濃度降低時(shí)，制備的GdF3∶Nd3＋，Yb3＋納米顆粒明顯變小。如圖2(a)所示，當(dāng)前驅(qū)物濃度降低到1∶0.5 時(shí)，合成的納米顆粒尺寸為(6.6 ±1.2) nm。

圖1 不同反應(yīng)時(shí)間合成的GdF3 的TEM 形貌。(a)15 min；(b)30 min；(c)60 min；(d)90 min。Fig.1 TEM morphology of GdF3 synthesized at different reaction time.(a)15 min.(b)30 min.(c)60 min.(d)90 min.

由于GdF3∶Nd3＋，Yb3＋顆粒的尺寸非常小，所以摻雜的稀土元素很多都位于納米顆粒的表面。納米顆粒表面存在大量的缺陷，容易引起發(fā)光猝滅現(xiàn)象。為了有效地避免這一現(xiàn)象發(fā)生，我們引入具有光學(xué)惰性的NaGdF4作為保護(hù)層生長(zhǎng)在GdF3∶Nd3＋，Yb3＋納米顆粒上，形成核殼結(jié)構(gòu)。圖2(b)～(d)分別展示了核殼比為1∶0.5，1∶1和1∶2的不同惰性殼厚度的GdF3∶Nd3＋，Yb3＋＠ NaGdF4核殼納米顆粒的形貌，NaGdF4包覆后能明顯地觀察到納米顆粒尺寸增加，尺寸分別為(8.9 ±1.8)，(10.2±1.1)，(13.6 ±1.9) nm，殼層厚度分別為(2.3 ±0.6)，(3.6 ±0.1)，(7.0 ±0.7) nm。

圖2 不同核殼比GdF3∶3%Nd3＋，5%Yb3＋＠ NaGdF4 的TEM 形貌圖。(a)1∶0；(b)1∶0.5；(c)1∶1；(d)1∶2。Fig.2 TEM morphology of GdF3∶3% Nd3＋，5% Yb3＋＠NaGdF4 with different core∶shell ratio.(a)1∶0.(b)1∶0.5.(c)1∶1.(d)1∶2.

3.2 GdF3∶Nd3+，Yb3+@NaGdF4 的X 射線衍射(XRD)圖譜和發(fā)光機(jī)理

本實(shí)驗(yàn)后續(xù)表征均選用(6.6 ±1.2) nm 的GdF3∶Nd3＋，Yb3＋納米顆粒為研究對(duì)象。實(shí)驗(yàn)制備的GdF3∶Nd3＋，Yb3＋納米顆粒的衍射峰與標(biāo)準(zhǔn)六方相GdF3的衍射數(shù)據(jù)相比，基本吻合(圖3)。這表明合成的GdF3納米顆粒為六方相，稀土元素的摻雜并未改變GdF3的晶體結(jié)構(gòu)。包覆NaGdF4惰性殼后的納米顆粒的XRD 與NaGdF4六方相的標(biāo)準(zhǔn)卡片(JCPDS No.27-0699)吻合，證明NaGdF4殼層成功外延生長(zhǎng)在GdF3∶Nd3＋，Yb3＋納米顆粒的表面。

圖3 GdF3∶3%Nd3＋，x%Yb3＋(x ＝0，5)和GdF3∶3%Nd3＋，5%Yb3＋＠NaGdF4(核殼比1∶0.5，1∶1，1∶2)的X 射線衍射譜Fig.3 XRD patterns of GdF3∶3%Nd3＋，x%Yb3＋(x ＝0，5) and GdF3∶3%Nd3＋，5%Yb3＋＠ NaGdF4(core∶shell ratio 1∶0.5，1∶1，1∶2)

圖4 為Nd3＋和Yb3＋的能級(jí)圖。在808 nm激光激發(fā)下，Nd3＋捕獲激發(fā)光的能量后，其處于4I9/2基態(tài)的電子被激發(fā)到4F5/2能級(jí)，而后處于4F5/2激發(fā)態(tài)的電子非輻射弛豫至4F3/2能級(jí)，最后處于4F3/2激發(fā)態(tài)的電子分別輻射躍遷至4I11/2和4I13/2能級(jí)而發(fā)射出1 064 nm 和1 340 nm 的近紅外二區(qū)熒光。Nd3＋的4F3/2能級(jí)的能量可通過(guò)4F3/2(Nd3＋) ＋2F7/2(Yb3＋)→4I9/2(Nd3＋) ＋2F5/2(Yb3＋)的能量傳遞過(guò)程將其傳遞給Yb3＋，從而實(shí)現(xiàn)Yb3＋的2F5/2能級(jí)的980 nm 發(fā)光(2F7/2→2F5/2)[25-27]。因此，本文選用Nd3＋和Yb3＋共摻雜體系實(shí)現(xiàn)了808 nm 激發(fā)下的近紅外發(fā)光。晶體材料中Yb3＋的摻入通常允許有數(shù)百微秒的發(fā)射壽命，比自發(fā)熒光壽命高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)[17]，所以用Nd3＋和Yb3＋共摻的雙發(fā)光中心納米顆粒更適合做近紅外生物成像探針。

圖4 在808 nm 激發(fā)下，摻雜Nd3＋和Yb3＋下轉(zhuǎn)移機(jī)制能級(jí)圖。Fig.4 Energy level diagram of Nd3＋and Yb3＋down-shifting mechanism under 808 nm excitation

3.3 近紅外發(fā)射光譜

實(shí)驗(yàn)首先探究了摻雜不同濃度Nd3＋的納米顆粒的近紅外發(fā)光性能(圖5)。在808 nm 激光激發(fā)下，單摻Nd3＋的GdF3發(fā)射光譜呈現(xiàn)出位于1 064 nm 和1 340 nm 的兩個(gè)發(fā)射峰，這兩個(gè)發(fā)射峰分別歸因于Nd3＋的4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2電子躍遷[28-29]。Nd3＋摻雜濃度從1%提升到3%的過(guò)程中發(fā)射峰強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，當(dāng)摻雜濃度超過(guò)3%時(shí)，發(fā)射峰強(qiáng)度減弱。這是由于濃度猝滅效應(yīng)引起的，4F3/2＋4I9/2→24I15/2的交叉弛豫可以通過(guò)非輻射躍遷使4F3/2的能級(jí)布居數(shù)減少[30]。隨著Nd3＋濃度的增加，由于Nd3＋-Nd3＋距離變近，這種非輻射交叉弛豫過(guò)程會(huì)增強(qiáng)，導(dǎo)致近紅外發(fā)光減弱[31]。

圖5 808 nm 激發(fā)下GdF3∶x%Nd3＋(x ＝1，2，3，5，7)的近紅外發(fā)射光譜Fig.5 NIR spectra of GdF3∶x%Nd3＋(x ＝1，2，3，5，7) nanoparticles under 808 nm excitation

為了研究GdF3∶Nd3＋，Yb3＋納米顆粒的近紅外光學(xué)性質(zhì)，在808 nm 激光的激發(fā)下，對(duì)制備的材料進(jìn)行了室溫下發(fā)射光譜測(cè)試，測(cè)試結(jié)果根據(jù)材料在808 nm 的吸光度做歸一化處理。如圖6 所示，Nd3＋摻雜濃度固定為3%，改變Yb3＋摻雜濃度可以顯著改變發(fā)射光譜。隨著Yb3＋濃度從1% 增加到5%，Yb3＋粒子的980 nm 發(fā)射強(qiáng)度顯著增加。這表明在GdF3∶Nd3＋，Yb3＋體系中，存在明顯的Nd3＋到Y(jié)b3＋能量傳遞現(xiàn)象。隨著Yb3＋含量的進(jìn)一步增加，Yb3＋的980 nm 發(fā)射強(qiáng)度逐漸降低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Yb3＋的摻雜濃度為5%時(shí)與Nd3＋之間具有較高的能量傳遞，高摻雜水平下發(fā)射強(qiáng)度的降低可能是由于濃度猝滅效應(yīng)[24，30]。

圖6 808 nm 激發(fā)下GdF3∶3%Nd3＋，x%Yb3＋(x ＝1，2，3，5，7)的近紅外發(fā)射光譜Fig.6 NIR spectra of GdF3∶3%Nd3＋，x%Yb3＋(x ＝1，2，3，5，7) nanoparticles under 808 nm excitation

小尺寸納米顆粒常常由于其較大的比表面積存在較多的表面缺陷，從而引起明顯的光猝滅現(xiàn)象，通常采用包覆惰性殼的方式來(lái)鈍化這些缺陷，以減少因表面缺陷造成的能量損失。有報(bào)道表明，相比于同質(zhì)核殼結(jié)構(gòu)，異質(zhì)核殼結(jié)構(gòu)更有利于提高納米材料的發(fā)光強(qiáng)度[32]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，包覆NaGdF4殼層的厚度對(duì)GdF3∶Nd3＋，Yb3＋＠NaGdF4核/殼納米晶體的發(fā)光強(qiáng)度有明顯的影響(圖7)。在NaGdF4殼層的外延生長(zhǎng)過(guò)程中，GdF3∶Nd3＋，Yb3＋納米晶的表面缺陷逐漸鈍化，有利于改善因表面缺陷引起的光猝滅現(xiàn)象。

圖7 展示了具有不同厚度惰性殼的GdF3∶Nd3＋，Yb3＋＠NaGdF4納米顆粒發(fā)射光譜。通過(guò)改變制備階段核與殼的前驅(qū)物比例來(lái)調(diào)控NaGdF4殼層厚度。我們以合成核和殼的前驅(qū)物中Gd3＋的量比值為準(zhǔn)，分別合成了惰性殼厚度為(2.3±0.6)，(3.6 ±0.1)，(7.0 ±0.7) nm 的GdF3∶Nd3＋，Yb3＋＠ NaGdF4樣品。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，生長(zhǎng)惰性層后樣品的發(fā)光強(qiáng)度有顯著的提升。當(dāng)惰性殼厚度為(3.6 ±0.1) nm 時(shí)，樣品的發(fā)光強(qiáng)度是未生長(zhǎng)惰性層樣品發(fā)光強(qiáng)度的2.43 倍。繼續(xù)生長(zhǎng)惰性殼厚度，樣品發(fā)射強(qiáng)度開(kāi)始下降，是由于惰性殼厚度過(guò)厚導(dǎo)致激發(fā)光和發(fā)射光透過(guò)惰性層后強(qiáng)度發(fā)生衰減。

圖7 808 nm 激發(fā)下不同厚度NaGdF4 惰性殼GdF3∶3%Nd3＋，5%Yb3＋＠NaGdF4 的近紅外發(fā)射光譜Fig.7 NIR emission spectra of GdF3∶3%Nd3＋，5%Yb3＋＠NaGdF4 nanoparticles with different NaGdF4 shell thickness under 808 nm excitation

3.4 近紅外成像和磁性性能

熱分解法合成的GdF3∶Nd3＋，Yb3＋＠NaGdF4納米顆粒具有疏水性，為了適應(yīng)生物領(lǐng)域的應(yīng)用環(huán)境，我們選擇雙親性聚合物PBMA-g-C12對(duì)其進(jìn)行表面改性，成功地將GdF3∶Nd3＋，Yb3＋＠NaGdF4納米顆粒轉(zhuǎn)入水相。如圖8(a)所示，GdF3∶Nd3＋，Yb3＋＠NaGdF4納米顆粒被成功地包裹到聚合物PBMA-g-C12之中，形成大小約100 nm 的納米球，標(biāo)記為GdF3∶Nd3＋，Yb3＋＠ NaGdF4＠ PBMA-g-C12。MRI 成像性能使用核磁共振掃描儀在9.4 T 磁場(chǎng)下進(jìn)行測(cè)試。以純水為對(duì)照，我們測(cè)試了不同Gd3＋濃度的GdF3∶Nd3＋，Yb3＋＠ NaGdF4＠ PBMA-g-C12水溶液的T1弛豫時(shí)間。并且通過(guò)T1弛豫時(shí)間和Gd3＋的濃度計(jì)算得到GdF3∶Nd3＋，Yb3＋＠NaGdF4＠ PBMA-g-C12的磁共振縱向弛豫率r1為5.10 L·mmol－1·s－1。圖8(c)顯示了GdF3∶Nd3＋，Yb3＋＠NaGdF4＠PBMA-g-C12的MRI 的T1加權(quán)圖像。從圖中可以看出，與純水對(duì)比，GdF3∶Nd3＋，Yb3＋＠ NaGdF4＠ PBMA-g-C12溶液在較低的Gd3＋濃度下即可明顯提高M(jìn)RI 成像對(duì)比度。

圖8 GdF3∶3%Nd3＋，5%Yb3＋＠NaGdF4＠PBMA-g-C12的TEM 形貌(a)、T1 磁性弛豫率(b)、T1 加權(quán)成像照片(c)；GdF3∶3%Nd3＋，5%Yb3＋＠NaGdF4 納米顆粒的自然光照片(d)和808 nm 激光下的照片(e)；GdF3∶3%Nd3＋，5%Yb3＋＠NaGdF4＠PBMA-g-C12水溶液在自然光下的照片(f)和808 nm 激光下的照片(g)。Fig.8 TEM(a)，T1 magnetic relaxivity property(b) and T1-weighted image(c) of GdF3∶Nd3＋，Yb3＋＠NaGdF4＠PBMA-g-C12 nanoparticles.Pictures of GdF3∶Nd3＋，Yb3＋＠NaGdF4＠PBMA-g-C12 nanoparticles taken under sunlight(d) and 808 nm laser irradiation(e).Pictures of nanoparticles water solution taken under sunlight(f) and 808 nm laser irradiation(g).

如圖8(e)，在暗室中，通過(guò)擴(kuò)束鏡對(duì)808 nm激光擴(kuò)束后激發(fā)材料，采用近紅外相機(jī)拍攝得到近紅外照片，上下兩部分分別為空白“HBU”和填充樣品后的“HBU”(可參照?qǐng)D8(d)自然光下拍攝的照片)，可以看到GdF3∶Nd3＋，Yb3＋＠ NaGdF4樣品具有良好的近紅外發(fā)光性能。圖8(f)、(g)分別為GdF3∶Nd3＋，Yb3＋＠NaGdF4＠PBMAg-C12水溶液在自然光下的照片和808 nm 激光激發(fā)下的近紅外成像照片。由圖中可以看出，通過(guò)聚合物將納米顆粒轉(zhuǎn)移到水相后，納米顆粒仍具備較好的近紅外發(fā)光性能。

以上結(jié)果表明GdF3∶Nd3＋，Yb3＋＠ NaGdF4納米材料同時(shí)具備NIR 熒光成像性能和MRI 成像性能，可以作為雙模的熒光探針和MRI 造影劑使用，有利于避免單模成像自身局限性。

4 結(jié) 論

本文合成了Nd3＋和Yb3＋摻雜的GdF3納米顆粒，并通過(guò)合成參數(shù)調(diào)控納米材料的形貌。XRD 數(shù)據(jù)表明該納米材料為六方相，稀土離子的摻雜未使得晶相發(fā)生改變。在808 nm 激發(fā)下，GdF3∶Nd3＋，Yb3＋納米材料顯示出近紅外發(fā)射，發(fā)射峰分別位于980，1 064，1 340 nm。在GdF3∶Nd3＋，Yb3＋中存在明顯的Nd3＋到Y(jié)b3＋的能量傳遞。其中Nd3＋的最佳摻雜濃度為3%，Yb3＋的最佳摻雜濃度為5%。高濃度摻雜會(huì)造成發(fā)光強(qiáng)度降低，主要是因?yàn)闈舛肉缧?yīng)。在GdF3∶Nd3＋，Yb3＋表面外延生長(zhǎng)NaGdF4惰性殼能夠有效增強(qiáng)納米顆粒的發(fā)光強(qiáng)度，當(dāng)殼層厚度為(3.6 ±0.1) nm 時(shí)，納米顆粒的發(fā)光強(qiáng)度增強(qiáng)到原來(lái)的2.43 倍。GdF3∶Nd3＋，Yb3＋＠NaGdF4具有良好的順磁性，適合作為MRI 成像造影劑。本文通過(guò)Nd3＋對(duì)Yb3＋的能量傳遞，實(shí)現(xiàn)了808 nm激發(fā)下Nd3＋和Yb3＋的近紅外發(fā)光，避免了傳統(tǒng)980 nm 激發(fā)對(duì)生物體產(chǎn)生的過(guò)熱損傷。GdF3∶Nd3＋，Yb3＋＠NaGdF4納米材料顯示了出色的近紅外發(fā)光性能和順磁性能，通過(guò)雙親性聚合物PBMA-g-C12將其轉(zhuǎn)入水相，在生物熒光成像和MRI 成像中具有良好的應(yīng)用前景。

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