硝酸钇Y(NO₃)₃· 6H₂O、 硝酸镱Yb(NO₃)₃· 5H₂O和硝酸铒Er(NO₃)₃· 5H₂O, 天津市光复精细化工研究所; 柠檬酸钠、 氟化钠、 罗丹明6G、 N-异丙基丙烯酰胺(用正己烷重结晶)和偶氮二异丁腈, 阿拉丁试剂有限公司; 丙烯酰氯、 3-苄基三硫代碳酸酯基丙酸、 丁胺、 三(2-羧乙基)膦和2-羧基苯甲醛, 阿达马斯试剂公司; 水合肼、 醋酸、 无水乙醇、 甲醇、 二氯甲烷、 四氢呋喃和1, 4-二噁烷, 国药集团化学试剂有限公司. 所有试剂和溶剂均为分析纯.

JEM-100SX型透射电子显微镜, 日本电子公司; D/Max-rB型X射线衍射(XRD)分析仪, 日本 Rigaku公司; Spectrum 100型傅里叶变换红外光谱分析仪, 美国PE公司; 瑞士 Mettler-Toledo DSC-821E型差示扫描量热仪; F-4600 型荧光分光光度计, 日本日立高新技术公司; Zetasizer Nano ZS90型动态光散射仪, 英国Malvern公司.

分别称取3.409 g Y(NO₃)₃· 6H₂O, 0.449 g Yb(NO₃)₃· 5H₂O和0.044 g Er(NO₃)₃· 5H₂O(Y∶ Yb∶ Er摩尔比为78∶ 20∶ 2), 加入适量去离子水溶解, 转移至100 mL容量瓶中, 配制成Re(NO₃)₃溶液.

取10 mL Re(NO₃)₃于烧杯中, 加去离子水和乙醇, 再加入0.118 g(0.5 mmol)配体柠檬酸钠和0.136 g(0.5 mmol) 3-苄基硫基硫代羰基硫基丙酸(BSPA), 搅拌0.5 h. 称取0.504 g(12 mmol) NaF配制NaF水溶液, 再将其逐滴滴加至上述溶液中, 滴加完毕后继续搅拌1 h, 转移至高压釜中, 放入烘箱中加热至160 ℃反应3 h, 冷却后离心, 用乙醇和水的混合溶液洗涤3次, 干燥后得到产物NaYF₄∶ Yb³⁺, Er³⁺纳米晶.

称取2.4 g(5 mmol)罗丹明6G, 溶于60 mL乙醇中, 磁力搅拌下, 逐滴滴加8 mL质量分数为80%的水合肼水溶液, 加热回流3 h, 将反应物过滤, 收集沉淀, 用乙醇洗涤, 室温下真空干燥, 得粉红色粉末R6GH(罗丹明6G酰肼).

称取0.4 g(1 mmol)R6GH和0.15 g(1 mmol)2-羧基苯甲醛溶于30 mL甲醇中, 加热至回流, 加入0.15 mL(约3滴)醋酸, 搅拌2 h后, 将反应物过滤, 收集白色沉淀物, 用甲醇/乙醚(体积比1∶ 1)洗涤, 室温下真空干燥, 得淡黄色粉末R6GHA.

称取1.8 g(1.5 mmol) R6GHA溶于30 mL无水二氯甲烷中, 加入21 μ L(1.5 mmol)三乙胺, 在冰浴搅拌下, 逐滴加入溶有122 μ L(1.5 mmol)丙烯酰氯的二氯甲烷溶液, 1 h内滴加完成, 继续反应2 h后, 转移至30 ℃水浴中并在氮气保护下反应20 h. 旋转蒸发得到红色固体, 将其过硅胶柱分离[乙酸乙酯/石油醚体积比6∶ 1 作洗脱液, 添加0.5%(体积分数)三乙胺], 得到淡粉色粉末R6GHA单体. 反应过程如Scheme 2所示.

Scheme 2

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	Scheme 2 Synthetic routes of R6GHA monomer

分别称取0.03 g经BSPA功能化纳米晶、 0.566 g N-异丙基丙烯酰胺(NIPAm)和4 mL 1, 4-二噁烷, 加入封管中, 加入1.6 mg(0.01 mmol)偶氮二异丁腈, 升温至 70 ℃, 在氮气氛下恒温反应6 h后, 迅速冷却封管, 反应物用1, 4-二噁烷稀释, 再用乙醚沉淀, 离心. 重复溶解稀释-沉淀循环3次, 得NaYF₄∶ Yb³⁺, Er³⁺/PNIPAm纳米凝胶.

称取1.2 g NaYF₄∶ Yb³⁺, Er³⁺/PNIPAm纳米凝胶, 溶于10 mL 四氢呋喃中, 加入36 mg(0.5 mmol)丁胺和少量三(2-羧乙基)膦, 在氮气氛下搅拌反应1 h后, 加入1.18 g(2 mmol)R6GHA单体, 于室温下搅拌反应10 h后, 用四氢呋喃稀释, 再用乙醚沉淀, 离心, 重复溶解稀释-沉淀循环3次, 得NaYF₄∶ Yb³⁺, Er³⁺/PNIPAm-co-R6GHA复合纳米凝胶.

样品颗粒形态的TEM照片如图1所示. 粒径分布的DLS(见本文支持信息图S1). 由图1可见, 合成的纳米晶粒径为25 nm左右, 总体呈单分散. 经BSPA功能化后的纳米晶粒径未见明显变化, 仍为25 nm左右. BSPA表面功能化的NaYF₄∶ Yb³⁺, Er³⁺纳米晶引发NIPAm的RAFT聚合制备的复合纳米凝胶粒径为60~150 nm, 粒径分布变宽.

Fig.1

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	Fig.1 TEM images of NaYF4∶ Yb3+, Er3+ nanocrystals(A), BSPA functionalized nanocrystals(B) and complex nanogels(C)

图2给出了样品的FTIR图谱. 其中, NaYF₄∶ Yb³⁺, Er³⁺纳米晶的红外谱图中, 3425 cm^-1是H₂O的伸缩振动吸收峰, 1635 cm^-1是COO^-的伸缩振动吸收峰, 1405 cm^-1为CH₂— 的伸缩振动吸收峰, 应为纳米晶表面配体柠檬酸钠所致. BSPA功能化NaYF₄∶ Yb³⁺, Er³⁺纳米晶谱图中, 1660, 1618和1550 cm^-1为BSPA中苯环的C ＝C的伸缩振动吸收峰, 1249 cm^-1为C— S振动吸收峰, 1160 cm^-1是C— N伸缩振动吸收峰, 985 cm^-1是C ＝S伸缩振动吸收峰, 745 cm^-1为苯环C— H振动吸收峰. 与BSPA功能化纳米晶相比, 复合纳米凝胶谱图中, 3285 cm^-1为— NH— 的吸收峰, 2978 cm^-1处为CH₂— 伸缩振动吸收峰, 1729 cm^-1处为酰胺基中羰基的伸缩振动吸收峰, 1317和1022 cm^-1为— CH(CH₃)₂的吸收峰^[22].

Fig.2

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	Fig.2 FTIR spectra of NaYF4∶ Yb3+, Er3+ nanocrystals(a), BSPA functionalized nanocrystals(b) and complex nanogels(c)

FTIR分析表明, BSPA实现了对NaYF₄∶ Yb³⁺, Er³⁺纳米晶的功能化. 纳米晶在其表面BSPA的作用下, 得到了复合纳米凝胶.

为了进一步确认纳米凝胶的组成, 对样品进行了XRD分析, 结果见图3. 其中, NaYF₄∶ Yb³⁺, Er³⁺纳米晶的特征衍射峰位于2θ =28.06° , 32.38° , 46.45° , 55.08° , 57.85° , 67.90° , 74.96° , 77.30° 处, 分别对应(111), (200), (220), (311), (222), (400), (331), (420)晶面, 与JCPDS标准卡片(JCPDS No.060342)对比基本一致, 说明制备的纳米晶为立方晶型. BSPA功能化纳米晶的XRD图谱显示, 与修饰前相比, 其特征峰的位置没有明显变化, 说明经BSPA修饰过程对纳米晶的晶型无明显影响.

Fig.3

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	Fig.3 XRD patterns of NaYF4∶ Yb3+, Er3+ nanocrystals(a), BSPA functionalized nanocrystals(b) and complex nanogels(c)

NaYF₄∶ Yb³⁺, Er³⁺/PNIPAm-co-R6GHA复合纳米凝胶的XRD图谱中, NaYF₄∶ Yb³⁺, Er³⁺纳米晶的各特征衍射峰仍然存在, 说明复合纳米凝胶中NaYF₄∶ Yb³⁺, Er³⁺纳米晶仍为立方晶型, 即RAFT聚合过程对纳米晶的晶型未产生明显影响.

图4给出了BSPA修饰纳米晶前后的荧光发射(PL)光谱. 以往的研究^[23]表明, NaYF₄∶ Yb³⁺, Er³⁺纳米晶的上转换发光主要通过能量转移, Yb³⁺吸收1个光子后, 从²F_7/2基态跃迁到 ²F_5/2激发态, 处于激发态的电子能量高而不稳定, 会释放能量返回基态, 电子返回基态时将能量传递给Er³⁺, 使之从⁴I_15/2基态跃迁到 ⁴I_11/2激发态, 同时Yb³⁺返回到基态; 在此基础上, 处于 ⁴I_11/2能级的Er³⁺继续吸收Yb^{3 +}传递的能量, 由 ⁴I_11/2跃迁至 ⁴F_7/2, 发出524 nm的荧光. 然后经过电子无辐射弛豫过程衰减至⁴H_11/2和 ⁴S_3/2, 辐射跃迁返回至基态能级时, 发出542 nm的荧光. BSPA功能化后纳米晶的荧光发射峰仍然位于524和542 nm, 但发光强度略有下降, 说明BSPA功能化对纳米晶的荧光发射影响较小.

Fig.4

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	Fig.4 PL spectra of NaYF4∶ Yb3+, Er3+nanocrystals(a) and BSPA functionalized nanocrystals(b) V(EtOH)/V(water)=1∶ 4; pH=7; temperature: 25 ℃; λ ex=980 nm.

图5(A)为复合纳米凝胶的上转换变温PL光谱. 为了清晰地观察纳米凝胶荧光发射与环境的关联性, 将PL光谱中不同温度下542 nm发射峰强度绘于图5(B). 结果表明, 纳米凝胶的荧光发射峰主要为位于542 nm处的高能态发光带和523 nm发光带; 随着温度的升高, 纳米凝胶的荧光发射强度逐渐增强, 且在 32~34 ℃间荧光强度变化幅度相对较大. 说明复合纳米凝胶的荧光强度与环境温度之间存在明显的关联特性.

Fig.5

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	Fig.5 PL spectra of complex nanogels(A) and PL intensity of complex nanogels at 542 nm as a function of temperature(B) V(EtOH)∶ V(water)=1∶ 4; pH=7; λ ex=980 nm.

Scheme 3

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	Scheme 3 Schematic illustration of pH induced R6GHA ring-opening reaction

众所周知, 温敏性凝胶会随环境温度的变化而发生体积相转变, 此过程中通常伴随相变热的发生. 根据相关研究^{[10, 24]}, 可将示差扫描量热(DSC)测得的吸热峰温作为复合凝胶的临界相转变温度(LCST). 复合纳米凝胶的DSC结果见图6. 由DSC 曲线可知, 该复合纳米凝胶在31~36 ℃之间发生了体积相转变, 其LCST约为33.8 ℃. 结合DSC曲线与PL图谱分析可以发现, 复合纳米凝胶荧光强度的变化与其相变过程基本一致.

Fig.6

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	Fig.6 DSC curve of complex nanogels

在中性条件下, R6GHA结构中的内酰胺键处于无荧光发射的闭环状态; 而在酸性溶液中, R6GHA的内酰胺键中的羰基可被H⁺活化, 并导致内酰胺键开环, 产生荧光发射^[25], 如Scheme 3所示. 因此利用R6GHA的这种pH敏感特性及其与NaYF₄∶ Yb³⁺, Er³⁺纳米晶之间的能量传递, 设定不同的环境pH值, 则通过PL光谱测定, 即可观察不同pH值时NaYF₄∶ Yb³⁺, Er³⁺纳米晶与R6GHA之间的FRET现象.

图7(A)给出了不同pH值下复合纳米凝胶的荧光光谱. 结果表明, 在pH=7的水溶液中, 未检出R6GHA在579 nm处的荧光发射峰, 表明在中性条件下NaYF₄∶ Yb³⁺, Er³⁺纳米晶与R6GHA之间未产生荧光能量传递. 而随着体系酸性逐步增强(pH值从6降低到1), PL光谱中出现了R6GHA的荧光特征发射峰, 且发射峰强度逐渐增强, 相应的NaYF₄∶ Yb³⁺, Er³⁺纳米晶的位于541 nm处的发射峰强度则相应减弱. 如图7(B)所示, 2个发射峰的荧光强度比(I₅₇₉/I₅₄₁)也越来越高. 说明在酸性条件下, NaYF₄∶ Yb³⁺, Er³⁺纳米晶与R6GHA之间发生了荧光能量转移, 且随着体系酸性的提高, 荧光强度比(I₅₇₉/I₅₄₁)相应提高, 荧光能量转移逐渐增强.

Fig.7

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	Fig.7 PL spectra of composite nanogels(A) and fluorescence intensity ratio of complex nanogels(B) at various pH values V(EtOH)∶ V(water)=1∶ 4; temperature: 25 ℃; λ ex=980 nm.

为探讨不同金属离子对复合纳米凝胶荧光性能的影响, 分别选择Hg²⁺, Cu²⁺, Pb²⁺, Ca²⁺, Zn²⁺, Ag⁺, Na⁺和K⁺等金属离子为研究对象, 测定了不同金属离子对复合纳米凝胶荧光发射的影响(图8). 从图8(A)可以看出, 在980 nm近红外光激发下Hg²⁺对R6GHA单体的发射峰有显著影响, Cu²⁺有较小影响, 这是由于Cu²⁺的d⁹电子层对R6GHA产生一定的荧光猝灭所致^[26], 而其它金属离子对其荧光发射几乎无影响. 图8(B)是复合纳米凝胶在不同金属离子存在下I₅₇₉/I₅₄₁的变化情况. 可以看出, Hg²⁺对复合纳米凝胶的荧光发射影响最大. 这表明复合纳米凝胶的荧光发射对Hg²⁺有选择性响应.

Fig.8

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	Fig.8 PL spectra of complex nanogels at solutions containing various metal ions(A) and fluorescence intensity ratio of complex nanogels in the presence of various metal ions(B) (A) Solvent: V(EtOH)/V(water)=1∶ 4; pH=7; temperatue: 25 ℃; λ ex=980 nm; concentration of metal ions: 80 μ mol/L. (B) Hg2+ was prepared by reaction of HgO and HNO3, other metal ions were their nitrate.

在乙醇/水溶液中, R6GHA分子的内酰胺键以无荧光发射的闭环结构存在, 因此采用PL光谱检测不出R6GHA的特征荧光发射^[27]; 当体系中存在Hg²⁺时, 其内酰胺键因与Hg²⁺形成配合物而开环, 并出现荧光发射, 而其它金属离子几乎无影响, 从而可以作为Hg²⁺的选择性荧光探针. 其机理如Scheme 4所示. 本文对R6GHA进行乙烯基功能化, 为验证功能化后的R6GHA单体是否仍具有该特性, 对其在有、 无Hg²⁺存在下的荧光光谱进行了测定. 结果见图9. 在乙醇/水溶液中, R6GHA单体在595 nm处有极弱的发射峰, 这是由于痕量功能单体存在开环形式所发出的荧光发射所致. 在该溶液中加入Hg²⁺后, R6GHA单体在595 nm处产生明显增强的荧光发射, 说明该单体对Hg²⁺仍然具有PL响应.

Scheme 4

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	Scheme 4 Schematic illustration of Hg2+ induced ring-opening reaction of R6GHA monomer

Fig.9

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	Fig.9 Effect of Hg2+ on the fluorescence emission of R6GHA monomer c(Hg2+)/(μ mol· L-1): a. 0; b. 80.Solvent: V(EtOH)/V(water)=1∶ 4.

图10(A)是不同Hg²⁺浓度下, 复合纳米凝胶的荧光光谱. 在Hg²⁺浓度为0时, NaYF₄∶ Yb³⁺, Er³⁺纳米晶在541 nm处的荧光发射峰强度最高, 而未观察到R6GHA单体在579 nm处的荧光发射. 这表明在没有Hg²⁺存在的条件下, 在NaYF₄∶ Yb³⁺, Er³⁺纳米晶与R6GHA单体之间不能发生荧光能量共振转移. 然而, 随着Hg²⁺浓度逐渐提高, NaYF₄∶ Yb³⁺, Er³⁺纳米晶在541 nm处的荧光发射峰逐渐减弱, 而579 nm处的荧光发射峰逐渐增强. 这是由于随着Hg²⁺浓度提高, 越来越多的R6GHA单体中内酰胺键开环与之形成配合物. 由图10(B)可以看出, 随着Hg²⁺浓度的提高, 复合纳米凝胶的I₅₇₉/I₅₄₁逐渐提高, 当Hg²⁺浓度增至100 μ mol/L以上时, I₅₇₉/I₅₄₁趋于平缓.

Fig.10

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	Fig.10 PL spectra of complex nanogels(A) and fluorescence intensity ratio of complex nanogels(B) at various concentrations of Hg2+ ions V(EtOH)/V(water)=1∶ 4; pH=7; temperature: 25 ℃; λ ex=980 nm.

Hg²⁺存在下复合纳米凝胶对环境温度的荧光响应性能的影响见图11. 可以看出, 在Hg²⁺存在下, 随着温度的升高, NaYF₄∶ Yb³⁺, Er³⁺纳米晶在541 nm处的发射峰强度下降, 而R6GHA在579 nm处发射峰强度提高, 并且在33 ℃左右上升幅度达到最大, 随后上升幅度趋于平缓. 从图11(B)中可看出, 复合纳米凝胶的I₅₇₉/I₅₄₁随着温度的升高而增大, 超过36 ℃之后, 上升幅度趋于平缓. 这是由于, 在Hg²⁺存在下, R6GHA中的内酰胺键与之形成配合物. 随着环境温度的升高, 复合纳米凝胶中PNIPAm大分子发生相转变, 导致PNIPAm大分子链收缩, NaYF₄∶ Yb³⁺, Er³⁺纳米晶与R6GHA发色团之间的距离相应缩短, 两者之间的荧光能量传递相应增强.

Fig.11

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	Fig.11 PL spectra of complex nanogels(A) and fluorescence intensity ratio of complex nanogels(B) at various temperatures V(EtOH)/V(water)=1∶ 4; pH=7; λ ex=980 nm; c(Hg2+)=80 μ mol/L.