Yb³⁺/Er³⁺雙摻雜白磷鈣石熒光骨修復(fù)材料的制備及其發(fā)光性能研究

高娟娟 趙海帆 覃瑞琪 蘇家儀 朱敏

摘要：白磷鈣石（whitlockite，WH）是人體骨組織中含量第二的骨礦物質(zhì)，具有良好的生物活性和誘導(dǎo)成骨性能。WH結(jié)構(gòu)的熒光粉由于其結(jié)構(gòu)類型多樣、較低的聲子能量以及可調(diào)諧的光致發(fā)光，被廣泛應(yīng)用于LED燈等領(lǐng)域。采用化學(xué)沉淀法制備了含不同物質(zhì)的量比的Yb3+和Er3+共摻雜白磷鈣石的上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料（Yb3+/Er3+-WH），在水溶液中有良好的分散性。在980 nm的激光器的激發(fā)下，不同比例摻雜的Yb3+/Er3+-WH納米顆粒均可發(fā)射波長(zhǎng)為530、550 nm的綠光和660 nm的紅光。由測(cè)得的熒光光譜結(jié)果可知，當(dāng)Yb3+和Er3+的物質(zhì)的量比為10∶1時(shí)，上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度最高，有較高的能量傳遞效率。Yb3+/Er3+ -WH粉體作為具有成骨活性的熒光標(biāo)記材料在骨修復(fù)領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用潛力。

關(guān)鍵詞：稀土元素；白磷鈣石；上轉(zhuǎn)換發(fā)光；骨修復(fù)

中圖分類號(hào)：TB 321 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（52072246）

Study on Preparation and Photoluminescence Properties of Yb3+/Er3+ Co-doped Whitlockite Bone Repair Material

GAO Juanjuan， ZHAO Haifan， QIN Ruiqi， SU Jiayi， ZHU Min

（School of Materials and Chemistry， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract： Whitlockite （WH） is the second bone mineral in human bone tissue， and shows remarkable biological activity and osteoinductivity. Phosphors with WH structure are widely used in LED lamps and other fields because of their various types of structure， low phonon energy and tunable photoluminescence. Yb3+ and Er3+ co-doped WH up-conversion luminescent nano materials （Yb3+/Er3+-WH） with different molar ratios of Yb and Er3+ were prepared by chemical precipitation method， and the materials showed good dispersion in aqueous solution. Under the excitation of 980 nm laser， Yb3+/Er3+-WH nanoparticles with different proportions could emit green light with the wavelengths of 530 and 550 nm and red light with the wavelengths of 660 nm. According to the results measured by fluorescence spectrum， when the molar ratio of Yb3+ to Er3+ is 10∶1， the up-conversion luminescence intensity is the highest and the energy transfer efficiency is relatively higher. The Yb3+/Er3+-WH powder shows certain application potential in the field of bone repair as a fluorescent marker material with osteogenic activity.

Keywords： rare earth element； whitlockite； up-conversion luminescence； bone repair

稀土元素是指元素周期表第三副族中從鑭至镥以及鈧和釔，共17個(gè)元素。因其特殊的電子層結(jié)構(gòu)，具有催化、電學(xué)、磁性和光學(xué)等特性[1-2]。稀土元素的光學(xué)特性是基于稀土元素的外殼層電子間躍遷產(chǎn)生的，由于外殼層電子對(duì)f4電子的屏蔽作用，使得f4電子各態(tài)之間的躍遷不受基質(zhì)的影響，從而能形成穩(wěn)定的發(fā)光中心，這些都為研究稀土摻雜能量上轉(zhuǎn)換材料奠定了基礎(chǔ)[3]。傳統(tǒng)熒光成像的方法如量子點(diǎn)、石墨烯、有機(jī)熒光團(tuán)等，具有穩(wěn)定的光致發(fā)光性能，但細(xì)胞毒性和易分解等缺點(diǎn)限制了其在體內(nèi)外的應(yīng)用[4]。而稀土元素具有較高的Stokes位移和熱穩(wěn)定性，在生物體中具有較大的組織穿透性、避免組織自身熒光和較低的細(xì)胞毒性等優(yōu)點(diǎn)，因此稀土摻雜的上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米顆粒有望取代有機(jī)熒光團(tuán)和量子點(diǎn)，作為一種新型的熒光探針，應(yīng)用于細(xì)胞成像[5]、信號(hào)追蹤和臨床診斷等領(lǐng)域[6-8]。

稀土摻雜的基質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)會(huì)顯著影響激活劑的發(fā)光性能。白磷鈣石（whitlockite，WH）是人體骨組織中含量第二的組分，化學(xué)式為Ca18Mg2（HPO4）2（PO4）12，屬于斜方六面體（R3c）的結(jié)構(gòu)，其晶格常數(shù)為a=1.035 nm和c=3.709 nm[9]。圖1為WH的晶胞單元的離子排列結(jié)構(gòu)圖，在WH結(jié)構(gòu)中有Ca（1），Ca（2）和Ca（3）等3種不同的鈣離子位點(diǎn)[10]。由于稀土離子（Ln3+）和Ca2+具有相近的離子半徑、供體原子偏好和幾乎相同的蛋白結(jié)合位點(diǎn)，且Ln3+電荷較高，對(duì)Ca2+位點(diǎn)具有更大的吸引力。Ln3+可以取代Ca2+在WH中的位點(diǎn)，改善晶體的理化性質(zhì)和生物學(xué)特性，因此Ln3+也被稱為“Ca功能模擬物”[11-14]。WH結(jié)構(gòu)的熒光粉因其結(jié)構(gòu)類型多樣、顯著的組成靈活性、較低的聲子能量以及可調(diào)諧的光致發(fā)光，受到廣泛的研究關(guān)注[15]。

傳統(tǒng)WH結(jié)構(gòu)的熒光材料采用高溫固相法合成[16-17]。Jang等[18]以Ca（OH）2-Mg（OH）2-H3PO4三元體系為原材料，采用化學(xué)沉淀法在100 ℃以下合成了純度較高的WH。Hu等[19]在此基礎(chǔ)上制備了Ce摻雜的WH納米顆粒，并證明其對(duì)骨組織的生長(zhǎng)有積極作用，同時(shí)也為較低溫度下的合成摻有稀土的WH提供了一種新方法。本研究采用化學(xué)沉淀法合成的Yb3+/Er3+共摻雜WH的上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米顆粒（Yb3+/Er3+-WH），以980 nm激發(fā)器為激發(fā)光源，WH作為基質(zhì)材料，Yb3+作為敏化劑離子吸收能量，Er3+作激活離子，構(gòu)成發(fā)光中心。主要研究了不同比例Yb3+/Er3+摻雜對(duì)WH的物相結(jié)構(gòu)以及發(fā)光性能的影響。稀土摻雜的上轉(zhuǎn)換發(fā)光WH不僅可作為一種骨修復(fù)材料，其上轉(zhuǎn)換發(fā)光性還能作為一種熒光標(biāo)記探針，作為骨植入材料對(duì)骨缺損的修復(fù)情況進(jìn)行監(jiān)控[20]。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

Ca（OH）2（AR，95.0%），購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；Mg（OH）2（AR，98.0%），購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；H3PO4（AR，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85.0%），購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；Yb（NO3）3·5H2O（GR，99.9%），購于麥克林生化科技有限公司；Er（NO3）3·6H2O（GR，99.9%），購于麥克林生化科技有限公司。

1.2 材料制備

本研究采用化學(xué)沉淀法制備了含Yb3+/Er3+不同物質(zhì)的量比摻雜的WH，即Yb3+和Er3+物質(zhì)的量比為x∶1 （x=3、5、10、20），其中Ca2+和 （Yb3++Er3+）的總物質(zhì)的量比為10∶1。具體步驟為：將6 g的Ca（OH）2和1.368 g的Mg（OH）2加入到100 mL 80 ℃的去離子水中，加熱攪拌1 h，分別加入不同質(zhì)量的Yb（NO3）3·5H2O和Er（NO3）3·6H2O，具體比例和質(zhì)量見表1。繼續(xù)80 ℃攪拌1 h后，用恒流注射泵以12.5 mL/min的速度加入0.95 mol/L的H3PO4，調(diào)節(jié)溶液的pH為4.2，繼續(xù)在80 ℃條件下攪拌24 h，冷卻至室溫。離心收集沉淀并用去離子水洗滌至中性。冷凍干燥24 h后充分研磨，將充分研磨后的粉末放置在管式爐中，以2 ℃/min的升溫速度，加熱至1 150 ℃，保溫3 h，燒結(jié)得到4組Yb3+/Er3+-WH粉體。

1.3 測(cè)試與表征

對(duì)制備的4組不同比例摻雜的Yb3+/Er3+-WH粉體進(jìn)行表征分析。各組分的Ca，Mg，Yb和Er元素的實(shí)際含量用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（inductively coupled plasma optical emission spectrometry，ICP-OES）測(cè)得；采用BRUKER公司的X射線衍射儀（X-Ray diffractomer，XRD），獲得粉體的廣角XRD衍射譜圖，掃描速度為5 （°）/min；通過Micromeritics Tristar 320型比表面儀在 196 ℃下獲得N2吸附-脫附等溫曲線；采用Perkin Elmer有限責(zé)任公司傅里葉變換紅外光譜儀（Fourier transform infrared spectrometer，F(xiàn)TIR）獲得各摻雜比例的紅外譜圖；粉體的掃描電鏡（scanning electron microscope，SEM）圖在FEI Quanta 450型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡上獲得；使用動(dòng)態(tài)光散射粒徑分析儀（dynamic light scattering， DLS）測(cè)試粉體在水溶液中的平均顆粒尺寸和分散度；粉體在980 nm激光下的熒光發(fā)射光譜在FLS 980穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)熒光光譜儀獲得。

2 結(jié)果與討論

2.1 Yb3+/Er3+-WH的粉體各元素含量

取4組Yb3+/Er3+-WH的粉體各20 mg，使用濃硝酸完全溶解，去離子水稀釋并使用100 mL容量瓶定容。表2為各組分中實(shí)際測(cè)得不同元素的含量。由表2結(jié)果可知，實(shí)際摻雜Yb3+/Er3+的含量與理論值有一定的偏差，原因是由于Yb和Er的相對(duì)分子質(zhì)量不同，由于摻雜比例不同，同等質(zhì)量的Yb3+/Er3+-WH的粉體，物質(zhì)的量不同，但Yb3+/Er3+實(shí)際比例與理論摻雜的比例接近。

2.2 Yb3+/Er3+-WH的粉體表征

圖2為4組Yb3+/Er3+-WH的XRD譜圖，與WH的標(biāo)準(zhǔn)卡片（JCPDS：70-2064）對(duì)比，所有衍射峰均與WH的相一致，且未發(fā)現(xiàn)其他磷酸鈣以及Yb2O3或Er2O3的衍射峰存在，證明合成了純的Yb3+/Er3+-WH納米顆粒。不同比例摻雜的Yb3+/Er3+并未改變WH的晶體結(jié)構(gòu)，但相對(duì)于未摻雜WH，其特征峰隨著Yb3+摻量的增加逐漸向高角度偏移，是由于Yb3+和Er3+半徑與Ca2+的半徑不同，離子半徑越小，WH的晶格畸變?cè)矫黠@，晶胞參數(shù)和晶面間距變小，造成衍射峰的偏移。另外，與標(biāo)準(zhǔn)的WH的衍射峰強(qiáng)度對(duì)比，Yb3+/Er3+-WH的強(qiáng)度相對(duì)降低，是由于Yb3+和Er3+的摻雜，使得WH晶體內(nèi)部的無序化程度增高，結(jié)晶度降低。

將Yb3+/Er3+-WH粉體相關(guān)的官能團(tuán)采用FTIR進(jìn)行表征。從圖3中可知，PO43 的彎曲振動(dòng)峰位于991～1 057 cm 1的范圍內(nèi)，P-O鍵的拉伸振動(dòng)以及PO43 的彎曲振動(dòng)分別在961 cm 1和602 cm 1處，PO43 的不對(duì)稱拉伸峰位于1 120 cm 1。HPO42 峰在FTIR譜圖中也有顯示。綜上，從XRD和FTIR譜圖結(jié)果可知，通過化學(xué)沉淀法，成功地制備出單相的Yb3+/Er3+-WH。

圖4為不同比例摻雜的Yb3+/Er3+-WH的SEM圖。由圖4可知，化學(xué)沉淀法制備的Yb3+/Er3+-WH納米顆粒形貌不均勻。三價(jià)稀土離子在取代Ca2+的過程中，由于價(jià)態(tài)的變化，WH晶格內(nèi)部產(chǎn)生空位，使得WH的晶粒尺寸增大；另外，對(duì)于不同比例摻雜的WH，由于Ca2+、Er3+、Yb3+的半徑依次減小，半徑較小的Yb3+和Er3+摻雜會(huì)使得WH晶格發(fā)生畸變，而隨著Yb3+摻量的增加，Yb3+/Er3+-WH的顆粒越大。

圖5為Yb3+/Er3+-WH的粒徑分布圖。以水為分散介質(zhì)，超聲處理的Yb3+/Er3+-WH粉體，使用DLS測(cè)得各組分試樣在水溶液中的粒徑分布和分散性。隨著Yb3+和Er3+物質(zhì)的量比的增加，測(cè)得的平均晶粒尺寸逐漸增大，分別為491.0、596.8、672.3 nm和836.1 nm。測(cè)得粉體的分布系數(shù)（pdi）分別為0.371、0.357、0.374和0.457，根據(jù)其數(shù)值分析可知，Yb3+/ Er3+-WH納米顆粒在水溶液中的分散性較好。

2.3 不同比例摻雜Yb3+/Er3+-WH的熒光性能

當(dāng)摻雜稀土元素一定時(shí)，上轉(zhuǎn)換發(fā)光的波長(zhǎng)位置是一定的，在不同的基質(zhì)中，不同濃度的發(fā)光離子上轉(zhuǎn)換發(fā)光位置的峰的相對(duì)強(qiáng)弱和發(fā)光的整體強(qiáng)度會(huì)有變化。在980 nm激光器的激發(fā)下，Yb3+對(duì)泵浦光的吸收截面遠(yuǎn)大于Er3+，并且在Yb3+的濃度高于Er3+情況下，忽略了Er3+對(duì)泵浦光的吸收和Er3+之間的能量傳遞上轉(zhuǎn)換過程[21]。

如圖6所示，Yb3+吸收泵浦光的能量，然后傳遞給不同能級(jí)的Er3+，是一個(gè)連續(xù)敏化的過程。綠光的發(fā)射是Yb3+對(duì)Er3+的二步能量傳遞。首先，Yb3+吸收泵浦光的能量，躍遷到激發(fā)態(tài)，由于Yb3+的 2F7/2-2F5/2之間的能量間隔和Er3+的4I15/2-4I11/2 能量間隔相匹配，所以2F5/2激發(fā)態(tài)的Yb3+可以與處于4I15/2基態(tài)的Er3+離子發(fā)生能量轉(zhuǎn)移[22]。

Yb3+將能量傳遞給Er3+后躍遷回基態(tài)，Er3+吸收能量由基態(tài)4I15/2躍遷到4I11/2激發(fā)態(tài)，4I11/2態(tài)的Er3+可再與一個(gè)處于激發(fā)態(tài)的Yb3+發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，從4I11/2態(tài)躍遷到4F7/2。由于4F7/2的壽命較短，Er3+可以無輻射躍遷到4S3/2態(tài)，再躍遷到基態(tài)4I15/2，產(chǎn)生530 nm的綠光[23]；另外，4F7/2態(tài)的粒子還可以無輻射躍遷到2H11/2態(tài)，再躍遷到4I15/2，產(chǎn)生550 nm的綠光；綠光的產(chǎn)生是雙光子過程，而紅光既有單光子又有雙光子過程[24]。

在Yb3+摻量較低情況下，處于激發(fā)態(tài)的Yb3+與處于基態(tài)的Er3+發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，Er3+躍遷到4I11/2激發(fā)態(tài)。其中少部分4I11/2激發(fā)態(tài)的Er3+無輻射躍遷到4I13/2態(tài)，這些4I13/2態(tài)的Er3+再吸收一個(gè)Yb3+的能量，躍遷到4F9/2態(tài)，再躍遷到基態(tài)，產(chǎn)生中心波長(zhǎng)約為660 nm的紅光。隨著Yb3+摻量增加，處于綠光能級(jí)4S3/2態(tài)的Er3+會(huì)將能量傳遞給基態(tài)的Yb3+發(fā)生能量回傳過程，Er3+回落至4I13/2，即4S3/2（Er3+）+2F7/2（Yb3+）→4I13/2（Er3+）+2F5/2（Yb3+）。處于4I13/2 （Er3+）能級(jí)的粒子可以吸收一個(gè)激發(fā)光的光子或與Yb3+進(jìn)行能量傳遞，躍遷至紅光能級(jí) 4F9/2態(tài)，產(chǎn)生660 nm紅光[25]。

圖7為使用穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)熒光光譜儀測(cè)試得到的不同比例摻雜的Yb3+/Er3+-WH熒光光譜圖。在980 nm激光器的激發(fā)下，制備的不同比例摻雜的Yb3+/Er3+-WH均可發(fā)射530 nm和550 nm綠光和660 nm的紅光。隨著Yb3+摻量的增加，Yb3+離子能吸收泵浦光的能量增加，發(fā)光強(qiáng)度增加。因此提高了上轉(zhuǎn)換的發(fā)光效率；當(dāng)Yb3+/Er3+摻雜比例為10∶1時(shí)，Yb3+和Er3+的耦合作用比較強(qiáng)，存在著比較強(qiáng)的能量傳遞過程[26]。但是比例繼續(xù)增大時(shí)，由于Yb3+濃度過高，使得Yb3+與Er3+之間的平均距離縮短，因此，能量容易在相同狀態(tài)下的供體和基質(zhì)的內(nèi)部缺陷或者表面配體之間遷移，導(dǎo)致4S3/2和4F9/2能級(jí)下降，從而導(dǎo)致的濃度淬滅，發(fā)光強(qiáng)度降低。

3 結(jié) 論

通過采用化學(xué)沉淀法制備了4組Yb3+和Er3+物質(zhì)的量比依次為3∶1、5∶1、10∶1和20∶1的WH發(fā)光納米顆粒（Yb3+/Er3+-WH）。通過XRD、FTIR、SEM等表征方法分析可知，用化學(xué)沉淀法成功制備了單相的Yb3+/Er3+摻雜的WH納米顆粒，在水溶液中具有較好的分散性。在980 nm激光器的激發(fā)下，4組Yb3+/Er3+-WH顆粒均可以發(fā)射530 nm（4S3/2→4I15/2）、550 nm（4I11/2→4I15/2）的綠光和660 nm（4F9/2→4I15/2）的紅光，當(dāng)Yb∶Er的比例為10∶1時(shí)，具有較好的發(fā)光效果和能量傳遞效率。因此，摻雜Yb3+和Er3+的WH的發(fā)光材料可作為熒光探針在體內(nèi)成像和骨修復(fù)領(lǐng)域有一定的應(yīng)用潛力。

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