具备近红外长余辉和下转换荧光双模式生物成像材料及制备方法

摘要

本发明公开了具备近红外长余辉和下转换荧光双模式生物成像材料，基体材料为La3Ga5GeO14，Zn3Ga2Ge2O10或Ca3Ga2Ge3O12，基体材料中掺杂0.1～5mol％Cr3+和0.1～10mol％Nd3+。本发明还公开了上述材料的制备方法。本发明的材料在紫外灯的照射后能发射700nm的近红外长余辉，当余辉强度变弱时，又可以用近红外的光源为激发光，可以探测其下转移荧光的近红外发射光，将注入体内的成像材料进一步激发，实现生物活体成像、细胞追踪的后期观测。

说明书

技术领域

本发明涉及生物成像材料，特别涉及一种具备近红外长余辉和下转换荧光 双模式生物成像材料及制备方法。

背景技术

随着生物医学研究的发展，人们对于各种生命现象和过程的本质的研究越 来越深入，与此相关的科学技术也随之发展起来。比较有代表性的生物成像技 术有：光学成像、核磁共振成像、超声成像、X射线计算机断层成像等。其中， 光学成像技术由于其成熟性强，使用方便等优点被广泛应用于此类研究。光学 成像以光子作为信息源，成像对象通常是细胞和组织，近些年来，随着科技的 发展，其研究对象已扩展到了活体动物，在于活体标记中发挥着重要的作用。 荧光探针是生物荧光成像的核心技术之一，荧光探针一般可分为以下几类：荧 光编码蛋白、有机染料、半导体量子点、上转换发光材料以及长余辉发光材料。 编码蛋白、有机染料、上转换发光材料、量子点等发射光都是集中于可见光范 围，在生物体内的透过率极低，背底高，信噪比高，成像效果差。而长余辉材 料，特别是近红外长余辉材料，作为荧光探针有着独特的优势。

首先，长余辉材料是一种特殊的光学现象，也就是一种材料在被高能激发 (可见光、紫外光、X射线、γ射线、电子束等)后导致的可见或者近红外区域 长时间的发光，这样的发光从激发停止后可以持续几秒钟、几小时甚至是几天。 而生物成像干扰信号主要来自于两方面，激发光和生物体在紫外光下的自发荧 光。所以，长余辉材料作为荧光探针可以实现延迟探测，在体外激发，完全避 免了激发光和生物组织的自发荧光对成像的影响，可以获得高信噪比的成像图 像。其次，近红外长余辉材料的余辉波长位于近红外波段，这一范围正好是生 物透过窗口(700-1100nm和1100-1350nm)，生物活体组织中的成份对近外光 吸收很少，近红外光在生物组织中穿透深度大，可以在深层组织产生光信号， 而对组织本身几乎没有影响，这有助于获得更多生物体的信息。

虽然长余辉材料作为荧光探针有着不可替代的优势，其应用于生物活体标 记也已经得到广泛的研究，但是这种材料也面临着一个不可避免的问题，就是 发光强度随着时间衰减。尤其考虑到具有靶向功能的荧光纳米标识物的应用， 在经过了前期对标识物的跟踪之后，大部分的标识物都已经靶向结合到癌细胞 上，此时的观测便可由分布式检测转变为特定器官检测，而此时长余辉材料的 发光强度已经很弱，成像效果差。一般而言，长余辉材料的余辉时间只有几天 或者几小时，特别是做成纳米标记物之后可供有效探测的时间更短，而对于活 体成像，特别是细胞追踪通常需要很多天甚至是几周的时间，所以一般的长余 辉材料根本没法满足这一需求。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种具备近 红外长余辉和下转换荧光双模式生物成像材料，此材料在紫外灯的照射后能发 射700nm的近红外长余辉，当余辉强度变弱时，由于在长余辉材料中添加了新 的发光中心，此时又可以用近红外的光源为激发光，可以探测其下转移荧光的 近红外发射光，将注入体内的成像材料进一步激发，实现生物活体成像、细胞 追踪的后期观测。

本发明的另一目的在于提供上述具备近红外长余辉和下转换荧光双模式生 物成像材料的制备方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

具备近红外长余辉和下转换荧光双模式生物成像材料，基体材料为 La₃Ga₅GeO₁₄，Zn₃Ga₂Ge₂O₁₀或Ca₃Ga₂Ge₃O₁₂，基体材料中掺杂0.1～5mol％Cr³⁺和0.1～10mol％Nd³⁺。

所述的具备近红外长余辉和下转换荧光双模式生物成像材料的制备方法， 包括以下步骤：

(1)选取含镧化合物、含锌化合物、含钙化合物、含镓化合物、含锗化合 物、含铬化合物、含钕化合物为原料；

(2)按照化学计量比称量，并在研钵中充分研磨均匀；

(3)将研磨均匀后的原料在600～1000℃预烧2～6h后取出，再次研磨后， 于1250～1550℃烧制2～6h。

所述含镧化合物为氧化镧或氟化镧。

所述含锌化合物为氧化锌，醋酸锌或硫酸锌。

所述含钙化合物为碳酸钙或醋酸钙。

所述含镓化合物为氧化镓，硝酸镓或氟化镓。

所述含锗化合物为氧化锗或四氯化锗。

所述含铬化合物为氧化铬、碳酸铬或氟化铬。

所述含钕化合物为氧化钕或氟化钕。

本发明的原理为：首先，+3价的铬离子在La₃Ga₅GeO₁₄，Zn₃Ga₂Ge₂O₁₀或 Ca₃Ga₂Ge₃O₁₂为基体的材料中能够稳定的发射近红外长余辉，这种近红外的长 余辉材料可用于生物医学成像。其次，+3价的钕离子有800nm激发，发射1064 nm荧光的特性，又因为+3价的镧系离子的4f轨道处于内层，受到外层满壳层 (5s²5p⁶)的屏蔽，4f-4f内层电子跃迁几乎不受外部场的影响，其发射波长与周围 环境无关，不随基质的不同而改变，是稀土离子本身的特有行为。因此，将适 量的+3价钕离子和铬离子掺杂到La₃Ga₅GeO₁₄，Zn₃Ga₂Ge₂O₁₀或Ca₃Ga₂Ge₃O₁₂为基体的材料中，就可以实现既有长余辉，又有近红外到近红外的下转移荧光 的双模式生物成像材料。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

本发明的具备近红外长余辉和下转换荧光双模式生物成像材料的长余辉发 射波长位于生物透过窗口，初期成像效果较好，当余辉强度变弱时，由于在长 余辉材料中添加了新的发光中心，此时又可以用近红外的光源为激发光，可以 探测其下转移荧光的近红外发射光，将注入体内的成像材料进一步激发，实现 生物活体成像、细胞追踪的后期观测。这就是说，本发明克服了长余辉材料发 光强度随着时间衰减在成像中受到限制的世界性、普遍性问题。

附图说明

图1为本发明的实施例1制备的样品的长余辉发射光谱

图2为本发明的实施例1制备的样品的长余辉衰减光谱。

图3为本发明的实施例1制备的样品的荧光光谱。

图4为本发明的实施例1制备的样品的荧光发射稳定性测试图谱(检测波 长1064nm，激发波长808nm)。

图5为本发明的实施例2制备的样品的长余辉发射光谱。

图6为本发明的实施例2制备的样品的荧光光谱。

图7为本发明的实施例3制备的样品的长余辉发射光谱。

图8为本发明的实施例3制备的样品的荧光光谱。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不 限于此。

实施例1

按照以下成分：基体La₃Ga₅GeO₁₄，Cr³⁺的掺杂量为基体的0.5mol％，Nd³⁺的掺杂量为基体的0.5mol％。分别选取含氧化镧、氧化镓、氧化锗、氧化铬、 氧化钕的化合物，按照化学计量比称量，并在研钵中充分研磨均匀；研磨均匀 后的原料在1000℃预烧4h后取出，再次研磨后，于1350℃烧制4h。为了证明 方案的可行性，我们合成了不同组分的三个对比样品：(1).La₃Ga₅GeO₁₄:0.005 Nd³⁺(1号样),(2).La₃Ga₅GeO₁₄:0.005Cr³⁺(2号样),(3).La₃Ga₅GeO₁₄:0.005Cr³⁺, 0.005Nd³⁺(3号样)。

从本实施例制备的样品在紫外灯照射10分钟后的长余辉发射光谱(图1) 和衰减光谱(图2)，证明了Nd³⁺的加入不仅没有削弱原来的长余辉材料 La₃Ga₅GeO₁₄:0.005Cr³⁺的性能，反而有了一定的提高。图3是本实施例制备的 样品的荧光光谱，表明了Nd³⁺在这个基质中能被808nm的光源激发，发射1064 nm的荧光，满足我们的要求。图4是本实施例制备的3号样的荧光发射稳定性 测试图谱，用波长为808nm的激光光源去激发样品，连续照射30秒，检测波 长1064nm，间隔30秒过后又重复这个过程。实验表明，在实验的时间内，样 品有着很好的稳定性，发射强度保持不变，满足设计要求。

实施例2

按照以下成分：Ca₃Ga₂Ge₃O₁₂，Cr³⁺的掺杂量为基体的5mol％，Nd³⁺的掺杂 量为基体的10mol％，分别选取含碳酸钙、硝酸镓、氧化锗、氟化铬、氟化钕的 化合物，按照化学计量比称量，并在研钵中充分研磨均匀；研磨均匀后的原料 在1000℃预烧6h后取出，再次研磨后，于1550℃烧制2h。经测试其余辉光 谱，发射峰位于700nm(图5)，荧光光谱激发波长为808nm，发射波长为1064 nm(图6)。

实施例3

按照以下成分：Zn₃Ga₂Ge₂O₁₀，Cr³⁺的掺杂量为0.1mol％，Nd³⁺的掺杂量为 0.1mol％。分别选取含氧化锌、氟化镓、氧化锗、碳酸铬、氧化钕的化合物，按 照化学计量比称量，并在研钵中充分研磨均匀；研磨均匀后的原料在600℃预 烧2h后取出，再次研磨后，于1250℃烧制6h。经测试其余辉光谱，发射峰位 于702nm(图7)，荧光光谱激发波长为810nm，发射波长为1065nm(图8)。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实 施例的限制，如含镧化合物还可为氟化镧或其他常用的含镧化合物；含锌化合 物还可为醋酸锌或硫酸锌或其他常用的含锌化合物；含镓化合物还可为其他常 用的含镓化合物；含锗化合物为其他常用的含锗化合物；含铬化合物还可为其 他常用的含铬化合物；含钕化合物还可为其他常用的含钕化合物。其他的任何 未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均 应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。