稀土荧光纳米粒子的合成及在生物分析中的应用

    稀土荧光纳米粒子的合成 及在生物分析中的应用 姓 名：赵振洋（20090845） 同作者：李振宇（20090833） 专业班级: 应用化学 0902 指导教师：于永丽 二零一二年六月         化学综合实验                                                                                                                                         赵振洋  2    摘要  21世纪是生物工程和生物医学研究备受关注并得到迅速发展的新时代。生物 医学的发展离不开对生物分子的分析检测，其中，荧光分析是生物分析中十分重 要的一个研究手段。稀土荧光粒子具有合成方法简单、荧光发射强度大、发射谱 峰窄等优点，因此，随着分析科学的迅速发展，此研究具有很大的研究价值和很 好的应用前景。  本实验完成了 YVO4：Eu、LaPO4:Ce,Tb荧光纳米粒子的合成，并采用荧光分 光光度法测定了其最大荧光激发和发射波长，对合成粒子的水溶性进行了评价； 基于 YVO4：Eu荧光纳米粒子的荧光猝灭测定了 Cr(VI)的浓度；分别采用 Cu2+修饰 的 POCA‐LaPO4:Ce,Tb荧光探针和分光光度法测定了组氨酸的含量并对两种方法 进行了比较；最后，对 YVO4：Eu荧光纳米粒子合成的最佳 pH进行了探测。  结果显示：两种样品的荧光性能较好，合成粒子的水溶性较好；基于 YVO4： Eu荧光纳米粒子的荧光猝灭测定 Cr(VI)的浓度，实验准确度较高，线性较好；两 种方法测定组氨酸的含量实验的实验中，分光光度法的结果比较好，但估计荧光 探针法灵敏度应高于分光光度法；实验 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 结果显示，对于 YVO4：Eu荧光纳米 粒子合成，激发谱线随着 pH的增大，发生蓝移，且谱峰强度降低，而在发射谱 线中，峰位并不发生明显的变化，但随着 pH的增大，峰强降低。                        关键词：稀土荧光粒子，YVO4：Eu，LaPO4:Ce,Tb，荧光分光光度法，组氨酸。  化学综合实验                                                                                                                                         赵振洋  3    Abstract  The 21 st century is the biological engineering and biomedical research and  concern about the rapid development of the new era. Biological medicine  development is inseparable from the biological molecules analysis and detection,  among them, fluorescence analysis is the biological analysis of a very important  research means. Rare earth fluorescence particle with a simple, fluorescence  emission synthesis strength, emission spectrum peak narrow advantages, therefore,  with the rapid development of science analysis, the research has great value and  good application prospects.  This experiment completed YVO4: Eu, LaPO4: Ce, Tb fluorescence nanoparticles  synthesis, and using fluorescence spectrophotometer its biggest fluorescence  excitation and emission wavelength, for the synthesis of particles on the evaluation  of water; Based on YVO4: Eu fluorescence nanoparticles fluorescence cu destroy  measured the Cr (VI) concentration; Using the modified respectively Cu2 +  POCA‐LaPO4: Ce, Tb fluorescence probe and spectrophotometer l‐histidine content  with the two methods are compared; Finally, the YVO4: Eu fluorescence nano particle  synthesis best pH detected.  The result shows: the two samples of fluorescence performance is better,  synthesis of particles water‐soluble better; Based on YVO4: Eu fluorescence  nanoparticles fluorescence cu destroy determination Cr (VI) concentrations, the high  accuracy, linear better; Two kinds of method for determining the content of  l‐histidine in the experiment of the experiment, the results of spectrophotometric  method is better, but estimates that fluorescent probe method shall be higher than  sensitivity spectrophotometry; The design of experiments results show that for YVO4:  Eu fluorescence nano particle synthesis, stimulate the spectral lines with the increase  of the pH, blue shift occurred, and spectral peak strength is reduced, and the launch  of the spectral lines, the peak place does not take place obvious change, but with the  increase of the pH, peak strong reduced.          Keywords: rare earth fluorescent particles, YVO4: Eu, LaPO4: Ce, Tb, fluorescence  spectrophotometry, l‐histidine.  化学综合实验                                                                                                                                         赵振洋  4    目录  摘要 ............................................................................................................................... 2  Abstract .......................................................................................................................... 3  目录 ............................................................................................................................... 4  第一章 前言 ................................................................................................................. 6  1.1纳米材料概述 ................................................................................................. 6  1.1.1纳米材料的定义 .................................................................................. 6  1.1.2纳米材料的分类 .................................................................................. 6  1.1.3纳米材料的特性 .................................................................................. 7  1.1.4纳米材料的制备 .................................................................................. 8  1.2纳米材料在生物分析中的应用 ..................................................................... 9  1.2.1量子点简介 .......................................................................................... 9  1.2.2组氨酸 ................................................................................................ 10  1.2.3荧光分析 ............................................................................................ 12  1.2.4荧光探针法简介 ................................................................................ 12  1.3稀土荧光纳米粒子简介 ............................................................................... 13  1.3.1稀土发光材料 .................................................................................... 13  1.3.2稀土元素的发光机理 ........................................................................ 14  1.3.3 稀土荧光纳米材料的性质 ............................................................... 15  1.3.4稀土纳米粒子的制备 ........................................................................ 15  1.3.5稀土荧光纳米粒子荧光淬灭 ............................................................ 17  1.3.6稀土纳米粒子的表面修饰 ................................................................ 17  1.3.7稀土纳米荧光材料的应用 ................................................................ 20  第二章 实验部分 ....................................................................................................... 24  2.1  仪器设备与化学试剂 ................................................................................ 24  2.2  YVO4：Eu荧光纳米粒子的合成及应用 ................................................... 25  2.2.1  合成并扫描合成粒子的荧光谱图.................................................. 25  化学综合实验                                                                                                                                         赵振洋  5    2.2.2基于 YVO4：Eu纳米粒子的荧光猝灭测定 Cr(VI) ............................. 25  2.3  LaPO4:Ce,Tb荧光纳米粒子的合成 ........................................................... 26  2.3.1  合成并扫描 LaPO4:Ce,Tb荧光纳米粒子的荧光谱图 .................... 26  2.3.2  合成粒子的纯化.............................................................................. 26  2.3.3 Cu2+修饰的 POCA‐LaPO4:Ce,Tb荧光探针测定组氨酸 ...................... 27  2.4分光光度法测定组氨酸 ............................................................................... 27  2.4.1吸收曲线的制作 ................................................................................ 27  2.4.2 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 曲线的制作 ................................................................................ 27  2.5自主设计实验 ............................................................................................... 28  2.5.1实验 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载  ............................................................................................ 28  2.5.2合成粒子荧光谱图的扫描 ................................................................ 28  第三章 实验结果与讨论 ........................................................................................... 29  3.1  YVO4：Eu荧光纳米粒子的合成及应用 ................................................... 29  3.1.1  扫描合成粒子的荧光谱图.............................................................. 29  3.1.2基于 YVO4：Eu纳米粒子的荧光猝灭测定 Cr(VI) ............................ 32  3.2  LaPO4:Ce,Tb荧光纳米粒子的合成及应用 ............................................... 33  3.2.1扫描合成粒子的荧光谱图 ................................................................ 33  3.2.2 Cu2+修饰的 POCA‐LaPO4:Ce,Tb荧光探针测定组氨酸 ...................... 37  3.3 分光光度法测定组氨酸 .............................................................................. 39  3.3.1吸收曲线的制作 ................................................................................ 39  3.3.2标准曲线的制作 ................................................................................ 39  3.3.3两种组氨酸测定方法比较 ................................................................ 40  3.4自主设计实验 ............................................................................................... 40  第四章 实验结论 ....................................................................................................... 43  实验心得 ..................................................................................................................... 44  参考文献 ..................................................................................................................... 45    化学综合实验                                                                                                                                         赵振洋  6    第一章 前言  1.1纳米材料概述 21世纪，纳米材料已经成为炙手可热的“宠儿”，能源、环境、国防技术、 信息、生物技术等领域都有它的身影，这些领域的高速发展对材料性能的要求也 越来越高，纳米材料也将是起重要作用的关键材料之一，纳米技术也将成为最有 前途的研究领域。    1.1.1纳米材料的定义  纳米是英文 nanometer的译音，是一个物理学上的度量单位，纳米是米的十 亿分之一。当粒子达到纳米尺度以后，例如在 1~100 nm这个范围之间，物质的 性能就会发生突变，出现特殊性能。这种具有既不同于原来组成的原子、分子， 也不同于宏观物质的特殊性能的材料，即为纳米材料。  当材料的结构进入纳米尺度调制范围时，会出现表面和界面效应、小尺寸效 应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等纳米效应。纳米材料的表面效应，指纳 米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大所引起的性质上 的变化。当粒径降到 1nm时，表面原子数比例达到约 90％以上，原子几乎全部 集中到纳米粒子的表面。由于纳米粒子表面原子数增多，表面原子配位数不足和 高的表面能使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很高的化学活  性。[1]  1.1.2纳米材料的分类  纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围(1~100 nm)或由 他们作为基本单元构成的材料。纳米材料按空间范围可分为零维、一维、二维、 三维纳米材料，一般的超细粒子属于零维材料，纳米线、棒或管为一维材料，纳 化学综合实验                                                                                                                                         赵振洋  7    米厚度的薄膜为二维材料，三维纳米材料是指尺寸为 1~100 nm的粒子为主体形 成的块体材料。[2]  1.1.3纳米材料的特性  1..1.3.1量子尺寸效应 当超细微粒尺寸小到某一定程度时，金属费米能级附近的电子能级由准连续 变为离散能级的现象和纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和低  未被占据的分子轨道能级，能隙变宽现象称为量子尺寸效应。从而导致引起纳米 材料物理、化学性质与宏观材料有着显著的不同。比如 10 nm的 Au纳米颗粒会 呈现紫红色。[3]  1.1.3.2小尺寸效应 当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射 深度等物理特性尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳 米颗粒的表面层附近原子密度减小，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现 新的小尺寸效应。例如，2 nm的金胶颗粒熔点为 600 K，随着粒径的增加熔点迅 速上升，块状金为 1337 K。[4]  1.1.3.3表面效应 纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子比例高，原子配位不足及高的 表面能，使这些表面原子具有高的活性，很容易与其他原子结合。例如无机纳米 粒子在空气中会吸附气体等。[5]  1.1.3.4宏观量子隧道效应 微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。如纳米金属微粒在低温时由于  量子尺寸效应会呈现电绝缘性。[6]  化学综合实验                                                                                                                                         赵振洋  8    1.1.4纳米材料的制备  目前制备纳米材料常用的方法主要有固相法、液相法、气相法。固相法主要 有低温粉碎法、超声波粉碎法、热分解法、爆炸法。气相法主要有真空蒸发法、 相化学反应法、高温等离子体法、油面蒸发法。液相法应用较多，这一方法又可 分为液相物理法和液相化学法。这里介绍几种常用的化学方法。  1.1.4.1沉淀法 这是液相化学合成高纯度纳米微粒采用最广泛的方法之一，它是将沉淀物加 入到金属盐溶液中进行沉淀处理，再将沉淀物加热分解。包括：共沉淀法，水解 法，均匀沉淀法，氧化水解法，还原法等。  1.1.4.2水热合成法 通过高温高压在水溶液或蒸汽等流体中合成物质，再经分离和热处理得到纳 米微粒。在水热条件下离子反应和水热反应可以得到加速和促进，使一些在常温 常压下反应速度很慢的热力学反应，在水热条件下可以实现快速反应。依据反应 类型不同可分为：水热氧化、还原、沉淀、合成、水解、结晶等。特点：粒子纯 度高、分散性好、晶形好且大小可控。  1.1.4.3溶液‐凝胶法 该法的基本原理是：易于水解的金属化合物在某种溶剂中与水发生反应，经 过水解与缩聚过程逐渐凝胶化，再经干燥、烧结等后处理得到所需的材料。其基 本反应有水解反应和聚合反应。它可在低温下制备纯度高、粒径分布均匀、化学 活性高的单、多组分混合物，并可制备传统方法不能或难以制备的产物，特别适 合于制备非晶态材料。  化学综合实验                                                                                                                                         赵振洋  9    1.1.4.4微乳液法 金属盐和一定的沉淀剂形成微乳状液，在较小的微乳区内控制胶粒成核和生 长，热处理后得到纳米微粒。微乳液通常是由表面活性剂、助表面活性剂、油和 水组成的透明的、各向同性的热力学稳定体系，微反应器是由表面活性剂和助表 面活性剂组成的单分子层界面所包围而形成的微乳液颗粒。特点是微粒的单分散 性好但粒径较大，粒径的控制也较困难。[7]  1.2纳米材料在生物分析中的应用 由于纳米材料独特的性质，纳米材料的应用领域不断扩大，将纳米材料用于 生物分析是近十几年的事情。目前，主要有以下 4种类型的纳米粒子用作生物分 子探针：(1)金纳米粒子；(2)半导体量子点；(3)高分子纳米微球；(4)稀土螯合物 纳米球。由于纳米标记材料的制备技术、标记方法和应用领域的不断发展以及相 关检测技术的发展成熟，纳米生物分子探针在人类重大疾病诊断、生物芯片技术、 细胞和生物成像技术、强致病性病原菌的快速检测与预警、生物领域反恐等诸多 领域已显示出很好的应用前景。[1]  1.2.1量子点简介    对于任何材料而言，当其从体相逐渐减小至某一临界尺寸(如电子的德布罗 意波长、激子的玻尔半径等)以下时，其载流子(如电子、空穴或激子等)的运动会 受到强烈的限制作用，电子能级由准连续态分裂为分立能级，这种现象称为量子 尺寸效应。如图所示，一般体相材料尺寸较大，此时，如果将某一个维度的尺寸 缩小到临界尺寸以下，电子只在另两个维度构成的二维空间运动，能量只在二维 空间连续，这样的系统称为量子阱；如果将两个维度的尺寸缩小到临界尺寸以下， 能量只在一维空间连续，称为量子线；当三个维度的尺寸都缩小到临界尺寸以下 时，其能量将完全量子化，称为量子点。  化学综合实验                                                                                                                                         赵振洋  10      图 1 半导体材料受限维度(a)及其对能带电子态密度影响(b)示意图  E：电子能量；N(E)：电子态密度；(1)体相半导体；(2)量子阱；(3)量子线；(4)量子点  量子点又称半导体纳米晶体(semiconductor nanocrystal)，主要是由Ⅱ―Ⅵ族 元素(如 CdS，CdSe，CdTe，ZnSe等)和Ⅲ．Ⅴ族元素(如 InP,InAs等)组成的纳米晶 体，目前研究较多的主要是 CdX(X=S，Se，Te)。对于体相半导体材料，其电子能 带是由存在能级差的价带和导带组成，价带和导带是准连续能级。量子点由于受 量子尺寸效应的影响，电子和空穴被量子限域，连续能带变成具有分子特性的分 立能级结构，因此光学行为与一些有机分子(例如：多环芳烃)很相似，可以发射 荧光。量子点的发光原理：光激发后，量子点价带上的电子跃迁到导带，留下空 穴，当电子与空穴复合时发射光子。发光效率强烈依赖于半导体表面或粒子内部 陷阱的数量，陷阱较深时，绝大多数电子以非辐射的形式去活化，发光效率明显 降低。[8]  1.2.2组氨酸  组氨酸是最富有生物功能多样性的蛋白质之一。组氨酸是碱性 α‐氨基酸之 一。各种蛋白质中都含有 L型组氨酸，也是存在肌肉中的一种肌肽成分。L‐组氨  酸是一种必须氨基酸，对于婴幼儿及动物的成长尤其重要。可作为生化试剂和  药剂，还可用于治疗心脏病，贫血，风湿性关节炎等的药物。在分子层次上，组 氨酸特有的咪唑侧链有着接近中性的酸碱度，在催化及必要金属结合物中常作为 化学综合实验                                                                                                                                         赵振洋  11    酸基或碱基。组氨酸是最为频繁形成蛋白质酶的活跃基。所以对组氨酸性质的研 究非常有趣。                          图 2：中性规范组氨酸结构及分子标号(左)；组氨酸单键转动自由度示意说明图，  “R”表示 咪唑环(右)。  对于中性规范组氨酸结构，其分子空间构型是由分子内的以下单键转动所决 定：(a)羧基具有顺式和反式的平面结构，对应于绕 O—H键分别转动 0o和 180o； (b)由于 α‐碳原子上连接四个不同的原子或基团，并且羧基的不对称性，导致了 连接羧基基团和 α‐碳原子的化学单键有六个转动自由度：(c)在氨基中，氮原子 上的两个氢原子具有相同的特征，因此 Cα—N键只有三个转动自由度；(d)由于 芳香环的电子密度分布不对称，故连接芳香环和 α‐碳原子的化学键 Cβ—Cγ具有 6 个转动自由度；(e)最后，对于 Cα—Cβ转子，由于 β‐碳上的两个氢原子不可分辨， 两个氢原子和另一个连接 β‐碳原子的基态的位置固定的，将其整体转到芳香环平 面上面或是下面导致相同的构型，因此连接 β‐碳和芳香环的单键转动具有三个自 由度。所有这些单键转动自由度组合将产生 648个初始的氨基酸分子结构。在寻 找构型的计算过程中，广泛的初始结构的寻找是必须的。[9]    (a)2‐fold：0，1 80；(b)6‐fold：30，90，150， 210，270，330；  (c)3‐fold：‐120，0，120；  (d)6‐fold：‐120，‐60，0，60，120，180；(e)3‐fold： 60，120，180  化学综合实验                                                                                                                                         赵振洋  12    1.2.3荧光分析  荧光分析是指利用某些物质在紫外光照射下产生荧光的特性及其强度进行 物质的定性和定量的分析的方法。1852年 G.G.斯托克斯(G.G.Strokes)发现荧光， 真正的荧光光谱测量则始于本世纪 60年代。荧光定量分析常采用直接比较法， 将试样与已知物质同时放在紫外光源下，根据它们所发荧光的性质、颜色和强度， 鉴定它们是否含有同一荧光物质。某些物质在加入某种试剂后，其产物会产生荧 光，也可采用同样方法鉴定。最常用的方法是用荧光分光光度计绘制试样的荧光 激发光谱和荧光发射光谱，并与已知物质的这两种光谱进行比较，从而鉴定所含 成分。荧光定量分析是先将已知的荧光物质配成不同浓度的标准溶液，用荧光分 光光度计测量其在某一波长处的荧光强度并绘制标准曲线，而后再完全相同的条 件下测量试样的荧光强度，由标准曲线查出待测物质的含量。70年代以来，荧 光分析在仪器、方法和试剂等方面发展非常迅速，在环境监测中有着广泛的应用： 借助于有机试剂进行荧光分析的无机元素已达 60余种，分析灵敏度可达微克/ 升级，与原子吸收谱法相近，但光谱干扰少；荧光检测器与液相色谱仪联用，可 对有机污染物进行定量分析，如水和废水统一监测方法中多环芳烃的测定及纸层 荧光分析法测 BaP等。  1.2.4荧光探针法简介  荧光探针法是利用荧光传感技术，通过测量待检测分子的出现或浓度的改变 所引起荧光强度、寿命、光谱等参数的变化量实现测量。性能优良的光学探针， 应同时考虑其选择性、灵敏度和实用性。理想的光学探针是其本身无光学信号， 与待测分子作用后光学信号增强。近几十年来，荧光分析法广泛应用于工业、农 业、生命科学、环境科学、材料科学、食品科学和公安情报等诸多领域。这些领 域为新型荧光探针的开发提供了大量课题。目前荧光分析法主要集中在蛋白质、 多肽和核酸等生物大分子分析，生物药物分析，超痕量和超微量生物活性物质分 析等。  化学综合实验                                                                                                                                         赵振洋  13    由于大多数生物分子本身无荧光或荧光较弱，检测灵敏度低，人们用强荧光 的标记试剂或荧光生成试剂对待测物进行标记或衍生，生成具有高荧光强度的共 价或非共价结合的物质，使检出限大大降低，从而达到对生物活性氧和某些具有 重要功能的生物分子的原位、适时和动态的表征。随着生物技术的不断发展，对 蛋白质、核酸及细胞标记的要求越来越高，传统的放射性标记方法已不能适应当 今的发展需求。而发展起来的荧光探针技术已经在蛋白质、核酸、免疫分析及细 胞检测等方面显现出巨大的潜能。  1.3稀土荧光纳米粒子简介 由于荧光分析法的灵敏度高、选择性好，因此在荧光纳米探针方面的研究更 是十分活跃。稀土元素本身具有特殊的电子结构，表现出许多光、电、磁的特性， 使稀土纳米颗粒具有很好的光谱特性，例如较大的斯托克斯位移、窄的发射峰宽、 长发光寿命、光稳定性等。与量子点相比，它的发射波长不依赖于纳米尺寸的大 小，因此可以降低对单分散性的要求，而且，表面修饰不会对它的光学性质有很 大的影响，因为它的发光是镧离子的电子跃迁引起的。由于在一个纳米颗粒里有 很多发光离子，所以稀土荧光纳米粒子没有光漂白，因此稀土荧光纳米粒子是一 类很有应用价值的生物探针材料。[1]  1.3.1稀土发光材料  我国是世界稀土资源最丰富的国家。元素周期表中，从原子序数 51~71的 15个镧系元素加上钪和钇共 17个稀土元素，无论它们被用作发光(荧光)材料的 基质成分，还是被用作激活剂、共激活剂、敏化剂或掺杂剂，一般统称为稀土发 光材料或稀土荧光材料。稀土发光材料的优越性在于它特殊的光学性质，这主要 归因于稀土离子有不完全充满的 4f电子层。对于稀土离子而言，其光谱特征表 现为稀土族中间元素的发射与吸收光谱形状主要是线状的，而两端元素(Ce、Yb) 则是连续的。在光谱的远紫外区所有的稀土元素都有连续的吸收带，这对应于外 层电子的跃迁。线状光谱是 4f层中各能级之间电子跃迁的结果，而连续谱则是 化学综合实验                                                                                                                                         赵振洋  14    4f层中各能级与外层各能级之间电子跃迁产生的。以稀土元素为激活剂、共激活 剂、敏化剂或掺杂剂的稀土发光材料表现出如下的优点：  (1)被激发的稀土离子中处于激发态的电子寿命比普通原子激发态寿命长得 多；  (2)稀土离子在固体中，特别是在晶体中会形成发光中心，荧光体被激发时， 晶体中会出现电子和空穴，激发停止后发光体仍然可以发光，即存在长余辉过程；  (3)稀土离子激活的发光体容易实现掺杂和敏化；  (4)可以制备出各种不同特征的发光体，如不同余辉、不同颜色等；  (5)亮度高、耐焙烧、化学稳定性好，而且制备工艺简单。  研究表明，具有未充满的 4f电子层的 13个三价稀土离子(从 Ce3+到 Yb3+)的 4fn组态中，一共有 1639个能级，不同能级之间可能发生的跃迁数目高达 192个， 使稀土发光材料的吸收、激发和发射光谱展现出范围宽且丰富的光学光谱和发光 特性，从真空紫外延伸到近红外光谱区，构成取之不尽的光学宝库，但目前只有 48个跃迁用于激光，为数很少的跃迁适用于发光材料。[10]  1.3.2稀土元素的发光机理  在紫外线等高能射线的激发下，处在溶液或化合物中的稀土离子被激发，从 基态跃迁到激发态，然后再从激发态返回到能量较低的能态时，会辐射产生不同 颜色的荧光。  稀土离子的荧光光谱主要来自三个方面的跃迁：(1)来自 fn组态内能级间的 跃迁即 f→f跃迁，这主要是基态．激发态跃迁；(2)组态间能级的跃迁即 f→d跃 迁；(3)电荷跃迁，这主要是配体向稀土离子的跃迁。  根据光谱选择定则，f→f跃迁应是禁阻的，但在基质晶格内由于晶体场环境 的影响，这种禁阻会被部分解除或完全解除，使电子跃迁有可能实现。稀土离子 的多种性质特别是光学性质主要是来自 4f轨道上电子的运动状态。根据光谱选 择定则，f→d电子跃迁是允许跃迁，吸收强度比 f→f跃迁大四个数量级。由于 d 电子裸露在离子表面，因此其能级分裂受到外在晶体场的强烈影响，因而其电子 跃迁往往表现为一定的宽带吸收峰。电荷跃迁是指晶格周围配位阴离子中的某个 化学综合实验                                                                                                                                         赵振洋  15    电子跃迁到中心稀土离子的 4f轨道上，它是一个电子交换过程，其能态是由晶 格周围的离子性质决定的。[11]  1.3.3 稀土荧光纳米材料的性质  对于稀土发光材料而言，重要的是稀土离子，由于稀土离子含有特殊的 4f 电子组态能级，当其受到激发时，4f电子可以在不同能级间产生激发跃迁，当其 退激时，跃迁至不同能级的激发态电子返回到能量较低的能态，从而产生发光光 谱，即 4f‐4f和 4f‐5d之间的相互跃迁。  在过去的 40多年中，人们对稀土发光材料己经进行了大量的研究工作，其 中大部分工作是围绕寻找新材料展开的，而关于材料的微观结构对它们发光性质 影响方面的研究却相对较少，特别是材料的颗粒尺寸在纳米尺寸范围内。最近十 年开始出现了有关掺杂特别是稀土离子掺杂纳米发光材料的研究报导。  稀土荧光纳米材料比一般的发光材料具有更优越的发光特性，主要表现在以 下几个方面：(1)荧光光谱为线谱，发光颜色很少随基质的不同而改变；(2)分辨 率高，发光颗粒的粒径达到纳米尺寸后，可提高发光器件的分辨率；(3)处于激 发态的稀土离子的寿命比普通离子长；(4)猝灭浓度增大；(5)宽频带强吸收，发 光材料的尺寸减小到纳米级时，对红外有一个宽频带强吸收谱。[11]  1.3.4稀土纳米粒子的制备  稀土纳米材料的制备方法与其它化合物纳米材料的制备方法相近。目前常用 的方法主要有固相法、液相法、气相法。固相法主要有低温粉碎法、超声波粉碎 法、热分解法、爆炸法。气相法主要有真空蒸发法、高温等离子体法等。液相法 应用较多，这一方法又可分为液相物理法和液相化学法。主要的液相化学法有如 下几种：  化学综合实验                                                                                                                                         赵振洋  16    1.3.4.1沉淀法 沉淀法是将各种原料溶解于同一种溶液中，然后加入沉淀剂或在一定温度下 使溶液发生水解，形成不溶型的氢氧化物、水合氧化物或盐类从溶液中析出后， 经洗涤、热分解或脱水得到氧化物粉料，然后在还原气氛中，以一定的温度烧结， 冷却后即得产品。用沉淀法制备的组分在溶液状态就已达到混合均匀，前驱体颗 粒细、活性大、分布均匀，掺杂离子能够进入基质晶格，优化材料结构，降低烧 结温度。但对于复杂的多组分体系制备存在一些问题，如选择原料时，各组分应 具有相同或相近的水解或沉淀条件，这样就限制了其应用。1996年 Panchula等 [12]用均相沉淀法合成了 1微米左右的球形 La203颗粒，详细讨论了起始金属离子 浓度、沉淀剂浓度、溶液的 pH值和焙烧温度对颗粒形貌的影响。  1.3.4.2水热法 水热法指的是在一定温度下(100~1000℃)和一定压力下(10~100Mpa)利用溶 液中物质的化学反应所进行的合成。这种方法利用无机物在高温高压下几乎都具 备可溶性的特点，控制合适的条件，使得溶于水中的物质能够从液相中结晶出来。 水热法允许在低于传统固相反应所需温度下实现无机材料的合成。相对于其它的 合成方法，水热法所合成的产物结晶性好，还可直接生成氧化物，避免了一般液 相合成法需要的经过煅烧转化为氧化物这一步骤，从而极大地降低了硬团聚的形 成。  1.3.4.3微乳液法 微乳液法是近年来制备纳米颗粒所用的一种较为新颖的方法，在制备纳米材 料中表现出一定的优越性。该方法是利用两种互不相容的溶剂(有机溶剂和水溶 液)在表面活性剂作用下形成一个均匀的乳液，从乳液滴中析出固相纳米材料的 方法。此法可使成核、生长、聚结、团聚等过程局限在一个微小的球形液滴内形 成球形颗粒，避免了颗粒间进一步团聚。每个水相微区相当于一个微反应器，液 化学综合实验                                                                                                                                         赵振洋  17    滴越小，产物颗粒越小。如 Lee等[13]以 NP25PN29为乳化剂，采用微乳液法制得 的 Y203：Eu纳米颗粒尺寸分布窄。粒径小，并且具有较高的结晶度和发光效率。 Takayuki[14]采用微乳液法制备了 Y202S：Yb，Er(Tm，Ho)等球形的纳米颗粒，且发 光效率较高。  1.3.4.4溶胶‐凝胶法 溶胶―凝胶法是制备稀土纳米材料的重要方法。在低温下，有机金属化合物 和有机络合物通过聚合或水解反应，形成溶胶，在一定条件下形成凝胶，进一步 热处理，可得稀土纳米晶。该方法可在温和的实验条件下进行，得到的粉体比表 面积大，分散性好。但反应时间长，需数日才能完成。Kamata等[15]不用任何热 处理，用溶胶―凝胶法制备了掺 Eu3+的 SiO2‐‐Al203玻璃，对不同掺杂浓度的荧光 光谱研究表明，Eu3+适当掺杂量能够通过溶胶．凝胶过程将 Eu3+转变为 Eu2+，并 观察到中心在 410 nm处的强蓝光发射。  1.3.5稀土荧光纳米粒子荧光淬灭  激发态分子失活回到基态可以经过下述过程：辐射跃迁、无辐射跃迁、能量 传递、电子转移和化学反应。辐射跃迁的过程就会产生荧光或磷光。无辐射跃迁 即淬灭发生在同电子态的等能级的振动一转动能级之间，其发生的几率与两个能 级间的能隙成指数关系，还与周围介质的振动频率有关，能隙越大，多声子无辐 射跃迁的几率就越小。淬灭分为内部淬灭和外部淬灭。内部淬灭为低级电子态的 高级振动能级和高级电子态的低级振动能级间的祸合，跃迁过程中分子的电子激 发能变为较低级电子态的振动能，大多数物质的内部淬灭过程很快，无荧光发出。 外部淬灭为激发态分子通过碰撞将能量转移给其他分子，直接回到基态。  1.3.6稀土纳米粒子的表面修饰  对稀土纳米粒子进行表面修饰是其应用于生物标记中不可缺少的一个环节， 进行修饰主要有以下两个目的：  (a)表面效应是影响纳米粒子性质的一个不可忽 化学综合实验                                                                                                                                         赵振洋  18    视的因素，对于稀土纳米粒子来说，表面缺陷往往充当电子和空穴的无辐射复合 中心，导致荧光量子产率的降低，因此在合成和用于生物标记的过程中必须保证 纳米粒子的表面不受破坏，通过表面修饰，在纳米粒子表面形成保护层，可以增 强纳米粒子的光稳定性和化学稳定性。(b)水溶性是纳米粒子用于生物标记必备 条件，除水相合成的纳米粒子外，其余的常用稀土纳米粒子均只能在有机溶剂中 分散，因此必须选择适当的相转移剂将其转至水相中，同时还必须保证纳米粒子 的稳定性和荧光性质不变。纳米粒子的表面修饰可分为以下几类：  (1)采用高分子材料修饰纳米粒子。Nann利用分子量为 800D的超支化 PEI 与 TOPO配体交换，由于 PEI的两亲性，实现了在水以及短链醇中的静电排斥稳 定，而在氯仿等非极性溶剂中通过空间立构稳定。Balogh等人利用两代 PAMAM 作为表面修饰的多功能分子，通过 CdSe/吡啶中间物取代了原来表面的 TOPO/TOP 配体层。通过氨基与镉原子的静电吸附，虽然会使纳米晶物理交联，但是溶液保 持了透明和胶体的稳定分散，并且干燥后在空气中抗氧化性能变好。  (2)采用无机