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译文

超微六方相NaGdF4:

Yb3+,Er3+纳米晶的简易合

多影像形态的纳米材料的合成在临床分子影像学和诊断学上有着非常重大的意义。

本论文报告了制备超微六方相上转换纳米材料β-NaGdF4:

Yb3+,Er3+和β-NaGdF4:

Yb3+，Tm3+的新的合成方案及对它们固有磁性和高效上转换性质的研究。

用新组合氯化镧和三氟乙酸钠作为制备上转换纳米晶的前驱体得到了在尺寸（10-40nm），结晶度和形态上都很好的纳米晶，并被证明是一种低耗和省时的方法。

通过用两性的聚乙烯（丙烯酸）派生物进行均匀的高聚物涂层包覆来制备出水增溶性的β-NaGdF4:

Yb3+,Er3+和β-NaGdF4:

Yb3+，Tm3+上转换纳米晶已经实现。

在经过广泛的高分子涂层工艺后，它们仍具备高效的上转换和磁性性质。

我们看到上转换纳米晶在生物应用上的潜能，β-NaGdF4:

Yb3+,Er3+上转换纳米晶的表面通过NiNTA的修饰后可以实现功能化。

NiNTA-UCNPs在【***肽】上的卓越特异性已经通过核磁共振和光学影像清晰的显示出来。

最后,细胞吸收这些UCNPs后可以通过荧光显微镜利用频谱成像技术来研究。

1.引言

在过去的几年中，随着纳米材料在控制其大小，形状和构成的合成策略的高速发展，人们对纳米材料在生物学的应用产生了极大的兴趣。

特别是，现在人们对于制备用于非侵入性的生物体内成像的纳米探针越来越感兴趣，例如磁共振成像（MRI）或近红外（NIR）光学成像。

近红外光在生物体内成像的应用有几个优势，例如深层穿透，和最小限度的自体荧光、光致漂白和光毒性。

在近红外发射荧光团，新I-III-VI类型的近红外量子点之中,例如,最近被报道的CuInS2量子点。

这些量子点的发射范围可以达到1000nm.。

然而，当退出近红外光源后，它的发射功效会大大的减弱。

另外，现在人们已经认识到掺杂了镧系稀土元素的上转换纳米粒子能够通过上转换过程把近红外光转换为可见光。

最近，上转换纳米粒子在生物体内成像独特的光学特性已经被报道。

与有机荧光团和量子点相比，UCNPs表现出很高的化学稳定性,强烈的发射带宽、大的反斯托克斯效应。

此外，在近红外光源的激发下，UCNPs表现出高的穿透深度和很低的自体荧光，这也使UCNPs成为作为生物标记和体内成像的理想材料。

考虑到UCNPs的简便性和功效在临床诊断上的重要影响，潜在的双模式的造影剂的开发引起了人们特别关注。

在此背景下，制备出具有磁性的上转换纳米晶对于分子成像技术的应用是一条具有很高价值的方法。

然而，纳米粒子的合成过程是复杂而不简便的。

最近，穆罕默德等人报告了应用于生物体内成像的具有双功能核/壳的NaYF4:

Yb3+、Er3+/NaGdF4UCNPs。

Li等人也阐述了用水热合成法制备出了NaYF4:

Yb3+、Er3+，它的水溶【。

。

。

。

。

。

。

。

。

。

】。

他们的晶体结构是具有比较宽的粒径大小（25—50nm）六边相晶体。

NaGdF4:

Yb3+、Er3+UCNPs立方结构已经被知道展现出低的PL效率，需要额外的壳形成来增加其PL效率。

另外,六方相NaYF4UCNPs已经被知道展示出比立方相高出数量级的上转换效率。

因此，获得高质量的与生物相关的小尺寸的六方相UCNPs的合成方法的进展将会有重大的意义。

在这里，我们报道了一种新的简便方法来合成超微六方相NaGdF4:

Yb3+,Er3+和NaGdF4:

Yb3+,Tm3+上转换纳米晶，以镧系氯化物和三氟醋酸钠为前驱体而获得。

表面活性剂的浓度和反应时间对六方相NaGdF4:

Yb3+、Er3+的形成和对其双重光、磁性质的影响也进行了介绍。

此外，其作为生物标记药剂的可行性也已经在经过两性高聚物涂层而使其水增溶后在体外细胞的培养实验中得到证明。

2实验部分

2.1实验试剂

LnCl3（Ln=Gd,Yb,Er,和Tm，99.9%），三氟醋酸钠（98%），ODE（90%）,OA（（90%）,PAA（分子量：

1,800），辛胺（99%），TMAH,DAPEG（分子量：

987），1-（3-二甲基氨丙基）-3-乙基碳酰亚胺EDC和DMSO购买自Aldrich，所有的化学药品都是分析纯的，在使用时没有进一步的纯化。

NHS和NTA购买自Fluka，6His和5GH2G购买自PeptronInc.，乙二醛琼脂玻璃粉购买自ABT，噻唑蓝，FBS，青霉素-链霉素，BSA，PBS，TBE缓冲剂购买自Invitrogen

2.2六方相NaYF4:

Yb3+、Er3+纳米晶的合成

在100毫升的烧瓶中分别加入0.8mmol的GdCl3,0.18mmol的YbCl3和0.02mmol的ErCl3，然后加入6mlOA和15mlODE，把混合后的溶液在真空下加热到120℃，一个小时后将其冷却至室温，然后向其中加入2.5mmol的三氟醋酸钠。

再把溶液在氮气的氛围中加热到300℃维持2个小时。

冷却至室温后，用乙醇沉淀，离心分离后收集，然后将其分散在甲苯中。

为了探究OA/ODE的比率对晶形和尺寸的影响，合成了OA/ODE比率分别为6/15.8/12,10/10,14/6的几个样品。

收集等份的在不同的反应时间里反应的溶液，来研究其动力学影响。

六方相NaGdF4:

Yb3+,Tm3+纳米晶的合成方法与上面的方法相同，部分药品用ErCl3和TmCl3取代。

2.3聚合物涂层和PEG修饰

UCNPs的水增溶性可以通过给这些粒子的外层用两亲性的聚合物，辛胺改良的PAA进行包覆来实现。

简单的说，先称取20mg辛胺改良的PAA，将其用2ml的氯仿溶解。

然后向这个聚合物溶液中慢慢加入TMAH，调节其PH值到10。

继续搅拌，把NaGdF4:

Yb3+、Er3+和NaGdF4:

Yb3+、Tm3+（10毫克/毫升）溶液逐滴添加到溶解在氯仿中的聚合物溶液中。

反应过后，将溶液放在温度为80℃的真空烘箱中一段时间，氯仿在这个温度下会被蒸发掉，在瓶壁上会生成一层很薄的聚合物包覆的UCNPs.。

向其中加入5ml的蒸馏水，然后离心分离（14000×g,15min），去除聚合物？

？

。

残余的聚合物用超速离心分离（500000×g,60min）去除。

然后，将聚合物包覆的UCNPs通过EDC的耦合反应与二氨PEG分子反应。

简单的说，就是在NaGdF4:

Yb3+、Er3+和NaGdF4:

Yb3+、Tm3+（16毫克/毫升）溶液中，加入90µmol的EDC和45µmol的二氨基PEG，然后混合搅拌2个小时。

搅拌完后，用薄膜过滤器（MWCO100K）.提纯。

最后，把聚乙二醇化和聚合物包覆的NaGdF4:

Yb3+、Er3+和NaGdF4:

Yb3+、Tm3+UCNPs分散到去离子水中。

2.4NiNTA接合反应

NTA配体的合成已经在先前的文献中报道过了。

NTA与UCNP的接合，可以通过双官能团的交联剂硫磺-SMCC.来实现。

向含1.5nmol的DAPEG-PC-NaGdF4:

Yb3+,Er3+溶液中加入过量的硫磺-SMCC（200equiv），反应一个小时后，向其中加入用DMSO溶解的NTA.（200equiv）？

。

当去除没反应的NTA后，加入NiCl2·6H2O（200equiv.），在室温下搅拌一个小时后，用薄膜过滤器（MWCO100K）.提纯用NiNTA修饰后的UCNPs.

2.5结合NiNTA修饰的的UCNP和6His修饰的珠子【？

】的具体研究

制备用两种不同的AB而使其功能化的不同的多肽的方法，在我们先前的工作中已经报道了。

这个实验可以使我们检验NiNTA-UCNPs作为用6His标记的蛋白质的位点专一的荧光探针的可能性。

这些玻璃粉通过乙二醛基团的还原胺化作用用2G6H或者5GH2G来修饰。

功能化的珠子，AB-2G6H，被用来作为细胞的模型来表达细胞膜上的6His。

AB-5GH2G,代表了一个随机的氨基酸序列,在生化中被用作一个负控制。

两种ABs都要先和NiNTA-UCNPs混合，然后在室温下培养15分钟。

没有反应完的UCNPs用10mM的PBS洗去。

这种接合的特异性，已经通过MR和荧光光谱进行了研究。

2.6表征

对于NaGdF4:

Yb3+、Er3+的形态和粒子大小分布，通过动态光散射（DLS）和扫描透射电子显微镜法（STEM、飞利浦CM-30）进行了分析。

NaGdF4:

Yb3+、Er3+和NaGdF4:

Yb3+、Tm3+的吸收和发射光谱分别通过紫外-可见光谱仪（卡里5000年,美国瓦里安公司）和荧光分光光度计用近红外激光在50–100mW（980nm，,Daeduk光学仪器、韩国）的操作条件下获得。

它们的XRD分析是通过使用装配有PW3020测角仪（θ/2θ），3Kw的发电器，和镍滤光器的飞利浦XPERT-XRD在K-α1（=1.54Å）的操作条件下获得。

Ni2+的元素分析通过使用配备了四极质量分析仪的ICP-MS（KIST,Korea）来分析。

所有的核磁共振成像实验通过使用4.7T动物磁共振成像仪（Bruker、德国）和一个72毫米体积的线圈（KBSI，Osan，韩国人）来完成。

质子的驰豫时间用CPMG序列在室温下测得：

TR7s，【。

。

。

。

。

？

。

。

。

。

。

】。

把用去离子水连续稀释的PEG-PC-UCNPs（10毫克/毫升）放入离心管中用于T1-加重的磁共振成像。

T1（自旋点阵弛豫时间）的测量结果是平均的，以1/T1为纵坐标，Gd3+的摩尔浓度为横坐标绘图。

图标的斜率表示摩尔的【？

】r1。

对于荧光成像，在实验室需要配备有配有近红外电荷耦合摄像机（KP-F2A、日立）和在50-100千瓦下操作的近红外（980nm）激光（Daeduk光学仪器、韩国）的荧光显微镜。

2.7细胞实验

HeLa细胞在温度为37℃，含5%CO2的保持比较潮湿环境的培养基中培养，培养基中补充有10%的胎牛血清,100IU/mL的青霉素和100IU/mL的链霉素（（Invitrogen）。

媒介物质每周更换2~3次。

细胞的生存活力用MTT化验来测定。

光谱光度测量的数据通过用Victor3分析仪（（Perkin-Elmer）测量吸光度而获得。

HeLa细胞与UCNPs（0.5毫克/毫升）一起培养1小时后，可用于细胞成像。

3结果与讨论

3.1合成和表征

最近各种对NaGdF4:

Yb3+、Er3+合成策略的报道，反映出科研人员对非侵入双成像极大的兴趣。

在热解反应中用到的前体是三氟乙酸钠以及用镧系氧化物和三氟乙酸反应而制得的镧系三氟乙酸盐。

这些反应经常导致多分散的结晶良好的立方相UCNPs。

另外的合成方法是使用稀土氯化物和NaOH、NH4F的甲醇溶液。

这种反应被证明能产生相对较小的六方相UCNPs（∼20nm）。

在目前的工作中，以新组合稀土氯化物和三氟乙酸钠作为合成UCNPs的前驱物制备出了在大小和形态上都很好的纳米晶，而且被证明是一种低成本和省时的合成方案。

这种合成方案展示了一些优点，例如反应时间短，单分散性高，六方相的结晶度好，超微的尺寸（~10nm）以及低成本的前体。

温度为300℃，OA/ODE比率为1:

1条件下制备出的NaGdF4：

Er3+,Yb3+的晶体结构通过使用TEM，SAD和XRD进行了分析。

图1展示了标准的NaGdF4：

Er3+,Yb3+UCNPs的明亮的TEM图像，从图中可知它呈均匀的球形，直径为15±2nm。

高分辨率透射电镜图像（HRTEM）呈现在图1（b）中，图中显示晶格距离为0.532nm，与图d中显示的间距为{100}六方相结构的NaGdF4的晶格平面相一致。

此外，从HRTEM所得图像（图1（b）中的插图）来看，它很清晰的显示出这些纳米粒子在六方相的单晶合成阶段。

NaGdF4UCNPs的结晶是立方相（α-相）还是六方相（β-相）取决于前体物的性质和反应的条件。

最近的报道显示，六方相结构的UCNPs比立方相结构的UCNPs有更高的荧光效率。

此外，图1（c）的SAD图案显示了清晰的衍射环，与（100），（110），（111）和（201）的六方晶格相一致，表明了这个UCNPs的高结晶度。

NCs的晶体结构用XRD作了进一步的鉴定如图1（d）。

UCNPs的明确的衍射峰位置与参考的六方相结构的NaGdF4晶体的相一致（JCPDS27-0699）。

图2（a）和2（b）分别显示NaGdF4:

Yb3+、Er3+和NaGdF4:

Yb3+、Tm3+,的发射和激发光谱。

两种UCNPs都显示了先前报道的发射剖面图特征。

特别是,NaGdF4:

Yb3+、Tm3+在800nm处表现出强烈的近红外发射峰。

合成的UCNPs的耐光性质在功率密度为500mW/cm3,波长为980nm的连续激发光的照射下进行了测定（图2（c））。

UCNPs溶液的光致发光强度在2个小时的持续不断的照射下，并没有改变。

这种显著的光化学稳定性，对于持续时间较长的生物成像的应用可能会成为一个非常有利的性质。

为了是UCNPs更进一步的适应生物学的应用，合成的纳米粒子的水溶性，通过在有机溶剂中用聚合物对其进行包覆的方法来实现。

这些UCNPs是使用两亲性的聚合物（丙烯酸）派生物来进行表层包覆的，而且DLS分析显示出很高的单分散性。

正如图2（d）中所见到的,UCNPs显然被磁铁吸引,同时显示出了较高的发冷光性质。

各种各样的近红外发光的有机染料或量子点最近被开发出来，用以克服在体内成像技术的应用中生物标本的光毒性、低渗透、高背景。

用近红外发光有机染料或量子点的小动物体内成像的缺点是激发光源的可见光范围的光被体内的组织吸收了。

然而,我们的NaGdF4:

Yb3+、Tm3+UCNPs,在980nm到800nm的波长范围内，可以被近红外激发光源选择性地被激发。

这样的光谱特性在近红外范围内的激发和发射特别适用于厚的组织和小动物体内成像。

3.2OA/ODE比率对UCNPs的大小和形态的影响

据报道，OA在调节UCNPs的尺寸和形态上扮演者重要的角色。

为了弄清反应过程以及在我们的合成条件中OA/ODE比率的影响，我们研究了不同OA/ODE比率合成条件下不同时间段里NaGdF4:

Yb3+,Er3+晶体的形态变化过程。

图3展示的是OA/ODE比率分别为6/15,8/12,10/10,14/6的NaGdF4:

Yb3+,Er3+在不同时间段低的TEM图像。

在300℃下合成的NaGdF4:

Yb3+,Er3+UCNPs的XRD分析显示其为六方相结构。

结果表明,反应时间和溶剂的组成对晶体结构的形成只有很小的影响。

另一方面,UCNPs最终的大小和形状在很大的程度上是受到溶液成分影响（图3）。

UCNPs在OA/ODE比率分别为6/15,8/12,10/10,14/6时最终的尺寸大小分别为32±8nm,22±2nm,15±2nm,和22±3nm。

粒子的尺寸随着OA比率的增加而减小，直到OA与ODE的量相同。

当比率为14/6时，UCNPs变得多分散性，而且尺寸也大幅度上升到平均大小为20nm。

这些结果表明，最适宜的OA的量是合成出超微和单分散性的NaGdF4:

Yb3+、Er3+；NaGdF4:

Yb3+、Tm3+的决定性因素。

此外，OA被发现是一种不仅能调节粒径分布还对粒子形态有很好影响的盖表面活性剂。

当合成时只用到纯的ODE时，纳米粒子形成的是比较大的聚合物，而且，其尺寸的分布规律远不符合单分散性。

根据上述结果的表征,OA/ODE比率被证明在实验条件中其在形成高质量的NaGdF4:

Yb3+、Er3+、NaGdF4:

Yb3+、Tm3+纳米颗粒中扮演着重要的角色。

与UCNPs混合的不同的OA量使其具有不同的大小和形态。

我们还对300℃时，反应时间分别为10,30,60,90和120分钟时纳米粒的形态和大小的变化情况进行了研究。

UCNPs最初的成核发生在反应开始的10分钟内。

当反应时间延长至2小时，生成的是单分散性，高度发冷光的UCNPs.

3.3UCNPs的磁性和光学成像特性

为了进一步评估NaGdF4:

Yb3+、Er3+的磁性，我们测定了不同浓度的UCNPs水溶液的T1弛豫时间。

图4的磁共振图像显示了Gd3+的浓度与UCNPs的对比效应的关系。

10nm的较小尺寸的UCNPs展现出更高的对比度增强效果。

浓度与对比效应的线性关系通过绘制1/T1与[Gd3+]的函数图来获得。

10nm和40nm的UCNPs的弛豫效能（r1）分别为0.99和0.47mM-1s-1。

上述结果表明的粒子大小与弛豫效能的关系在文献中也有所报道。

Park等人报道称较大粒子的弛豫效能的减弱是由于粒子表面积的减少。

用生物相关分子功能化后的UCNPs的标记特异性用琼脂珠子【？

】模型系统进行了进一步的研究。

UCNPs用NiNTA进行修饰，是因为NiNTA是众所周知的一种用于【？

】的接合分子。

NiNTA-UCNPs的的特异性通过在它们的表面用6His缩氨酸修饰的Abs进行了测试。

用5GH2G修饰的ABs被用作负控制。

图4（b）展示了用6His和5GH2G修饰的ABs在与NiNTA-UCNPs反应后有代表性的荧光和磁共振图像。

NiNTA-UCNPs与6His修饰的ABs特异性接合后在近红外激光的激发下有明显的可见光，而与5GH2G修饰的ABs接合后观察不到可见的荧光。

磁共振对比图像也证实了NiNTA-UCNPs与6His-ABs的特异性接合，在T1加重图像中展示出明显的对比效果。

这些结果为超微六方相能被作为高效和特异性的生物学探针，同时显示光学和磁共振对比效应，提供了引人注目的证明。

此外，NaGdF4:

Yb3+、Er3+UCNPs在试管内进行了评估，去检查它们的生物标记能力。

首先，MTT细胞增殖实验分别展示了在1天和3天的培育里402和225µg/ml的EC50的值。

为了确定UCNPs能否用于细胞显微镜检查，我们接下来观察了UCNPs在人类稳定细胞系中的被动染色。

UCNPs在体外用显微镜可见的荧光图像通过使用荧光显微镜和Ti-Sapphire获得。

激发波长设置在980nm处。

图5表明，增加细胞的细胞表面标记取决于UCNPs的浓度。

我们发现，当UCNPs的浓度超过1mg/ml时，HeLa细胞呈球形，也暗示了细胞杂性在这个浓度范围内可以作为MTT化验的研究。

4结论

稀土离子掺杂的NaGdF4:

Yb3+、Er3+和NaGdF4:

Yb3+、Tm3+UCNPs的新的合成方法，通过使用镧系氯化物和三氟乙酸钠作为前体的新组合而得到发展。

这种合成方法已经被证明能够产生出结晶度高的超微六方相UCNPs晶体。

疏水的和亲水的UCNPs都展示出高效的上转换和磁性共振性质。

这些UCNPs都成功的用NiNTA进行了修饰，而且表现出作为位点专一的纳米探针的很高的潜能性。

此外，这些UCNPs的标记能力和内在化性能，通过频谱成像显微镜在HeLa细胞中直观的表现出来。

这些UCNPs在活的细胞当中的进一步的标记能力正在研究当中。