[发明专利]一种超分辨成像用超强多光子上转换纳米晶及其制备和使用方法

说明书

技术领域

本发明属于材料科学技术领域，尤其涉及一种超分辨成像用超强多光子上转换纳米晶。

背景技术

光学显微成像的空间分辨率受到光衍射的限制，即阿贝极限，突破阿贝极限的新型光学显微技术是过去多年来的一个重要科学挑战。最近，在远场荧光成像中为了突破该衍射极限，出现了一系列超分辨新技术，包括高分辨率光敏定位显微技术、随机光学重建显微技术、受激发射减损显微技术。其中，受激发射减损显微技术的一大特点是横向分辨率可以比衍射极限提高10至15倍，被认为是一种可以实现亚衍射分辨率的强大光学成像技术。相比电子显微镜等其他高分辨的显微技术来说，受激发射减损显微技术具备原位和实时观察样品的优越性。然而至今，受激发射减损显微技术还处于一个发展的状态中，许多研究小组仍然在纵多方面对其进行积极改进。其中，光学探针的光稳定性和多路复用性是一个亟待解决的重要问题。

采用稀土离子掺杂的上转换纳米晶作为光学探针可以比较简洁地解决这一问题。上转换纳米晶已经在生物医学领域中被广泛应用，研究表明，相比有机染料这类光学探针，上转换纳米晶在纳米尺度强激发条件下仍然具有极强的光学稳定性。另一方面，上转换纳米晶的荧光发射是依赖于近红外光向可见光转换这一反斯托克斯跃迁的过程，因此可以有效抑制生物组织的自发荧光，从而大大提高信躁比。同时，红外光比可见光在生物体内具有更大的穿透能力。

利用多光子上转换纳米晶作为超分辨成像的光学探针时，系统的光学分辨率可以通过公式计算得到，其中λ为入射波长，NA为显微物镜的数值孔径，N为光子数。可见，在上转换荧光足够强的情况下，光子数越多，分辨率越高，成像效果越好。然而，通常情况下，多光子上转换跃迁的效率总是远远低于单光子或者双光子跃迁，在光谱学上往往呈现数量级的强度差距。例如，在常规光谱检测中，镱离子和铥离子共掺杂的上转换发光，其三光子蓝光强度往往为双光子近红外强度的1/1000数量级，而四光子蓝光更是几乎难以探测。因此，开发出超强多光子上转换发光的纳米晶在超分辨成像中具有十分重要的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种超分辨成像用超强多光子上转换纳米晶及其制备和使用方法，通过本发明方法制备和使用的纳米晶能产生超强多光子上转换发光，适用于超分辨成像。

本发明的技术方案是：

一种超分辨成像用超强多光子上转换纳米晶，平均粒径为20～50nm的六方晶相单分散四氟钇钠纳米晶，并在其中共掺杂了稀土镱离子和铥离子，镱离子的摩尔掺杂浓度为10％-49％，铥离子的摩尔掺杂浓度为0.1％-2％。

超强多光子上转换纳米晶的制备方法，其步骤如下：

(1)将稀土盐溶解于去离子水中，形成0.2mol/L的溶液，然后按稀土离子的摩尔量加入纯度为90％的油酸、1-十八烯，在150℃敞口混合搅拌，形成淡黄色透明溶液后冷却至室温；

(2)将氢氧化钠溶解于甲醇中，形成1mol/L的溶液；将氟化氨溶解于甲醇中，形成0.4mol/L的溶液；将两种溶液以1：4混合；

(3)按氟离子和稀土离子的摩尔总量为4：1，取上述步骤(2)所述的混合溶液加入上述步骤(1)所述的混合溶液中，在50℃搅拌混合30分钟；随后升温至100℃，将甲醇自然挥发或抽真空排尽后，在氩气或氮气保护下，以10℃/min的速度升温至290～300℃，混合搅拌1～3小时后，冷却至室温；

(4)将上述步骤(3)中的溶液用丙酮或乙醇沉淀、离心，用环己烷、乙醇清洗数次；将得到的沉淀物分散在环己烷中，形成透明溶液。

上述技术方案中，所述的稀土盐为醋酸钇、醋酸镱、醋酸铥或氯化钇、氯化镱、氯化铥。

超强多光子上转换纳米晶的使用方法，其步骤如下：

(1)将透明溶液用环己烷稀释至0.1～1mmol/L的溶液，旋涂在0.17mm厚的玻璃片上，形成单分散颗粒层；

(2)采用980nm激光聚焦激发单分散四氟钇钠纳米晶，产生多波段上转换发光；

(3)按上转换功率强度法则I∝Pⁿ，I为荧光强度，P为激发功率，n为光子数,调节激发功率至双光子、三光子辐射跃迁饱和阈值，产生超强的四光子上转换蓝色发光。