Cr3+摻雜近紅外長余輝發(fā)光材料的研究進(jìn)展

鄒少瑜 吳 昊

(國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心，廣東 廣州 510700)

長余輝發(fā)光，是指發(fā)光材料在吸收外界光輻射能量時能夠儲存能量，停止激發(fā)后，以光的形式將存儲能量釋放出來，且發(fā)光可持續(xù)很長時間(從幾秒到幾十個小時)的發(fā)光現(xiàn)象。近年來，發(fā)光波長位于生物窗口(650-1400nm)的近紅外長余輝發(fā)光材料在生物成像、疾病檢測和治療等方面引起了科研人員的廣泛關(guān)注，成為了發(fā)光材料中的研究熱點之一。特別是Cr3+摻雜近紅外長余輝發(fā)光材料，其發(fā)光波段位于第一生物透過窗口(650-950nm)的近紅外光區(qū)域，在生物成像應(yīng)用領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。本文將以Cr3+摻雜近紅外長余輝發(fā)光材料為主線，從制備方法和性能改善方法等方面的進(jìn)展進(jìn)行介紹。

1 制備方法

制備方法能直接影響Cr3+摻雜近紅外長余輝發(fā)光材料的余輝時間、發(fā)光強度和化學(xué)穩(wěn)定性等性質(zhì)，因此科研人員不斷探究各種不同Cr3+摻雜近紅外長余輝發(fā)光材料的制備方法。目前，Cr3+摻雜近紅外長余輝發(fā)光材料的主要制備方法有高溫固相法、溶膠-凝膠法、水熱法、沉淀法、燃燒法等。

1.1 高溫固相法

高溫固相法是制備發(fā)光材料最常用的方法。制備流程為：按化學(xué)計量比稱取原料，并通過研磨、球磨等手段混合均勻，然后在特定溫度下和一定時間內(nèi)進(jìn)行煅燒即可獲得產(chǎn)品。其具有工藝流程簡單、反應(yīng)條件易于控制、副產(chǎn)品少、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點，故在制備Cr3+摻雜近紅外長余輝發(fā)光材料時被廣泛采用。缺點是合成溫度過高，燒結(jié)的時間過長，得到的產(chǎn)物晶粒粗大，團(tuán)聚嚴(yán)重，不利于粉末納米化的制備。2010年，Pan等[1]采用高溫固相法制備了波長范圍在 660 到 1300 nm 之間的La3Ga5GeO14：Cr3+超寬帶近紅外長余輝發(fā)光材料。2012年，Pan等[2]又采用高溫固相法合成了Zn3Ga2Ge2O10：Cr3+超長近紅外余輝材料，其波長范圍在 650到1000 nm之間，余輝時間可持續(xù) 360 小時以上，在生物成像領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。

1.2 溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法是制備納米材料的常用方法。制備流程為：將原料在液相均勻混合，并進(jìn)行水解、縮合反應(yīng)，在溶液中形成穩(wěn)定的透明溶膠，經(jīng)陳化，形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠，經(jīng)過干燥、燒結(jié)制備出分子乃至納米結(jié)構(gòu)的材料。具有以下優(yōu)點：①所用原料分散在溶劑中形成溶液，形成凝膠時，反應(yīng)物在分子水平上被均勻混合；②由于在液相中進(jìn)行，很容易均勻定量地?fù)饺胍恍┪⒘拷M分；③化學(xué)反應(yīng)比較容易進(jìn)行，而且熱處理溫度較低。缺點是原料成本比較高，制備過程復(fù)雜并且要用到一些有毒的有機物。2014年，F(xiàn)u等[3]通過溶膠-凝膠法制備了LiGa5O8：Cr3+近紅外長余輝發(fā)光納米顆粒(LGNPs)，在使用254nm紫外燈照射3分鐘后，LGNPs顯示出強的近紅外發(fā)射，峰值大約在720nm處，位于生物組織透明度窗口內(nèi)，可持續(xù)發(fā)光1小時以上；通過用PEG-5000-OCH3進(jìn)行表面修飾，LGNPs-PEG-OCH3表現(xiàn)出良好的生物相容性和低毒性，在使用254nm紫外燈進(jìn)行3分鐘的體外預(yù)激勵下，PEG-5000-OCH3在腹部的體內(nèi)分布可以實時檢測超過1小時。

1.3 水熱法

水熱法是近年來比較流行的制備納米發(fā)光材料的方法。制備流程為：在密封的反應(yīng)釜中，以水為溶劑，通過加熱使反應(yīng)釜內(nèi)產(chǎn)生高溫高壓的環(huán)境，加速水解反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后對產(chǎn)物進(jìn)行離心洗滌、干燥等處理。其具有反應(yīng)溫度低、產(chǎn)物粒徑小且分布均勻、產(chǎn)物純度高、成本低、制備工藝相對簡單等優(yōu)點。缺點是反應(yīng)周期長，反應(yīng)過程中產(chǎn)生高壓存在一定的危險。Li等[4]采用表面活性劑輔助的水熱法，結(jié)合短時間煅燒和后期水熱程序，合成了具有超長近紅外持續(xù)發(fā)光的超亮單分散的三摻雜鍺酸鋅納米結(jié)構(gòu)ZGGO：Cr3+，Yb3+，Er3+，其具有高量子產(chǎn)率(9.86%)、超長余輝時間(>20天)、納米級單分散、紅光可再生性、良好的生物相容性和低毒性，可被紅色LED光有效激活而無需進(jìn)行紫外線預(yù)輻射，可以長期用于體內(nèi)生物成像應(yīng)用。

1.4 沉淀法

沉淀法是一種濕法反應(yīng)。制備流程為：利用水溶性物質(zhì)為原料，加入沉淀劑，經(jīng)過共沉淀反應(yīng)，生成難溶物質(zhì)沉淀下來，沉淀物經(jīng)過過濾，干燥，焙燒得到最終產(chǎn)物。其具有合成溫度低、反應(yīng)過程易控制、產(chǎn)物顆粒均勻、分散性好等優(yōu)點。缺點是制備過程復(fù)雜，產(chǎn)物要經(jīng)過多次洗滌，不利于工業(yè)化。阿不都卡德爾·阿不都克尤木等[5]采用沉淀法制備了β-Ga2O3：Cr3+近紅外長余輝納米顆粒，所制備的β-Ga2O3：Cr3+近紅外長余輝納米顆粒不僅粒徑小(約為30nm)，而且具有超長近紅外余輝發(fā)光壽命(>384 h)，發(fā)射波長可以調(diào)控，對其表面功能化后有望成為分子探針在“免原位激發(fā)”及高信噪比的深組織活體成像中得到應(yīng)用。

1.5 燃燒法

燃燒法是應(yīng)用于發(fā)光材料的一種新的合成方法。制備流程為：將原材料制成溶液，然后與燃料，絡(luò)合劑充分混合在一定溫度下自行燃燒，在很短時間內(nèi)得到產(chǎn)物。其具有工藝簡單、合成溫度低、反應(yīng)快速等優(yōu)點，缺點是制備條件難以控制、重復(fù)性不好。張楠等[6]使用自蔓延燃燒法制備了CaGdAlO4：x%Cr3+近紅外長余輝發(fā)光材料，在紅光激發(fā)下，650-850nm范圍內(nèi)出現(xiàn)了極大值位于744nm的近紅外寬帶發(fā)射，且疊加有若干窄帶近紅外發(fā)射；對樣品進(jìn)行熱處理，余輝時間可超過60s；與Cr3+處于中等和強晶體場格位的情形相比(近紅外發(fā)射峰極大值位于697nm)，處于弱晶體場環(huán)境的鉻離子近紅外發(fā)射峰的極大值移動到744nm，更接近于第一生物窗口的中央，這將更有利于生物醫(yī)學(xué)成像的應(yīng)用。

2 性能改善方法

2.1 改變基質(zhì)組分

Cr3+具有3d3的外層電子構(gòu)型。駐留在外部3d殼中的三個價電子與三價鑭系元素離子的4f電子不同，它是裸露的并且受晶體場強烈擾動。由于Cr3+與晶體場的依賴關(guān)系，所以人們可以通過改變基質(zhì)的部分結(jié)構(gòu)性質(zhì)從而改變基質(zhì)的晶體場強度，改變晶體場來調(diào)節(jié)Cr3+離子的近紅外發(fā)光性質(zhì)，使近紅外長余輝發(fā)光材料研究得到了進(jìn)一步的發(fā)展。Pan等[2]在ZnGa2O4中引入Ge取代部分Ga以改變基質(zhì)組分，獲得化學(xué)式為ZnxGayGezO(x+(3y/2)+2z)的近紅外長余輝材料，其中，Zn3Ga2Ge2O10：0.5%Cr3+在太陽光直接照射之后，近紅外光發(fā)射的余輝時間可持續(xù)360小時以上，突破了近紅外長余輝發(fā)光材料的余輝時間無法超過100小時的瓶頸。Allix等[7]制備了尖晶石固溶體Zn1+xGa2-2x(Ge/Sn)xO4：Cr3+(0.1≦x≦0.5)，與未摻入Ge4+或者Sn4+的ZnGa2O4：Cr3+材料相比，摻入Ge4+或者Sn4+使尖晶石固溶體Zn1+xGa2-2x(Ge/Sn)xO4：Cr3+的近紅外長余輝性能得到了顯著提高，提高原因可能是由于Ge4+或者Sn4+的摻入替換基質(zhì)晶格中的Ga3+后，在Ge4+或者Sn4+的周圍產(chǎn)生的變形八面體場成為新的有效陷阱，從而能夠存儲更多的激發(fā)能，利于長余輝發(fā)光。Huang等[8]通過高溫固相反應(yīng)成功地制備了一系列不同Sn4+濃度的新型LiGa5O8：Cr3+熒光粉，系統(tǒng)研究了共摻雜Sn4+對光致發(fā)光、長余輝發(fā)光和熱致發(fā)光性質(zhì)的影響，結(jié)果表明，摻入Sn4+離子后，熒光粉的長余輝發(fā)光性能得到顯著提高，熱致發(fā)光光譜表明，Sn4+的摻入有助于形成缺陷并提高陷阱密度，從而改善了LiGa5O8：Cr3+熒光粉的持久發(fā)光性能。

2.2 添加共摻雜劑

長余輝發(fā)光材料的余輝性能與其陷阱深度和陷阱濃度密切相關(guān)。在Cr3+摻雜近紅外長余輝發(fā)光材料中添加共摻雜劑能夠為Cr3+離子提供新的有效陷阱或增加材料有效陷阱的數(shù)量，進(jìn)而提高材料的余輝性能。因此，通過引入共摻離子來提高Cr3+離子的余輝性能的方式得到越來越多研究人員的關(guān)注。Zhuang等[9]提出Bi2O3是增強Cr3+摻雜的ZnGa2O4尖晶石中余輝發(fā)光的有效共摻雜劑，Cr3+-Bi3+共摻雜的ZnGa2O4熒光粉顯示的余輝發(fā)光強度比Cr3+單摻雜的熒光粉高約10倍。黃維超等[10]報道了在LiGa5O8：Cr3+近紅外長余輝發(fā)光材料中共摻Si4+能夠顯著增加材料有效陷阱的數(shù)量，將材料的初始余輝強度提高了3倍。Pellerin等[11]報道了LaAlO3：Cr3+，Sm3+納米鈣鈦礦近紅外長余輝發(fā)光材料中Sm3+作為共摻雜劑的關(guān)鍵作用，與僅摻雜Cr3+的LaAlO3陶瓷顆粒相比，共摻雜0.05 mol%Sm3+即能將樣品的余輝輻射提高35倍。

3 展望

盡管Cr3+摻雜近紅外長余輝發(fā)光材料擁有明朗的發(fā)展前景，其發(fā)光機理等方面的研究也取得了一定的進(jìn)展，但是仍面臨著發(fā)展的瓶頸。要想實現(xiàn)Cr3+摻雜近紅外長余輝材料在生物成像中的臨床應(yīng)用還有不少的困難需要克服。就目前的現(xiàn)狀來說，Cr3+摻雜近紅外長余輝材料的研究主要在以下幾個方面迫切需要進(jìn)一步的發(fā)展和突破：(1)可選擇的基質(zhì)種類少。目前也只在鎵酸鹽體系中才觀察到長余輝發(fā)光現(xiàn)象，可選擇的基質(zhì)種類十分有限，基質(zhì)種類的單一性是阻礙Cr3+摻雜近紅外長余輝發(fā)光材料進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵性難題。(2)發(fā)光波段局限化。到目前為止，大部分Cr3+摻雜近紅外長余輝發(fā)光材料的發(fā)射波長范圍分布在650 nm到 950nm之間，屬于第一近紅外窗口，具有更高的深組織透過率的第二近紅外窗口(1000-1400 nm)的長余輝材料十分稀缺。擁有雙生物窗口發(fā)射的Cr3+摻雜近紅外長余輝材料更是鮮有報道。(3)陷阱能級位置高。正因為如此，Cr3+摻雜近紅外長余輝發(fā)光材料產(chǎn)生余輝發(fā)光一般需要紫外光或者藍(lán)光等很高的激發(fā)能才能使陷阱得到有效的填充，且Cr3+摻雜近紅外長余輝發(fā)光材料的余輝強度會隨著時間的流逝而逐漸減弱，限制了Cr3+摻雜近紅外長余輝發(fā)光材料的應(yīng)用，尤其是在生物成像應(yīng)用領(lǐng)域，其不可能用高能的紫外光進(jìn)行激發(fā)。(4)體內(nèi)生物應(yīng)用困難。盡管目前已有不少性能優(yōu)越的Cr3+摻雜近紅外長余輝材料展現(xiàn)出在生物成像中廣闊的應(yīng)用前景，但是材料的納米化以及其在生物體內(nèi)長期積累的潛在安全性問題仍有待進(jìn)一步解決。