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• 二氧化硅纳米粒子由于具有良好的物理刚性、化学稳定性、生物相容性以及易于合成和表面修饰等特性，引起了人们的广泛关注^[1-3]。在二氧化硅纳米粒子的研究中，掺杂荧光物质形成的荧光二氧化硅纳米粒子(fluorescent silica nanoparticles，FSNPs)进一步扩展了它们的应用领域^[3-7]。例如，Benezra等合成了一种可用于实时检测淋巴结转移和黑色素瘤等的染料掺杂FSNPs，该粒子已被批准作为荧光探针用于人体临床试验^[8]。这表明FSNPs在生物医学领域有着潜在的应用前景，如细胞和生物分子的标记与靶向、离子检测等。

  FSNPs由二氧化硅基质和荧光材料组成。目前，常用的荧光材料主要包括有机染料和量子点。与染料分子本身相比，染料掺杂的FSNPs可以同时包裹大量的有机染料分子，因此具有更强的荧光信号^[9]。然而，有机染料自身具有斯托克斯位移小、高浓度荧光猝灭、光漂白效应等缺点，导致染料掺杂的FSNPs仍面临信噪比低、光稳定性差等问题^{[3, 10-11]}。另一方面，量子点掺杂的二氧化硅纳米粒子虽然继承了量子点宽激发光谱、稳定和可调的发射波长和高量子产率等优点^[12-14]，但是量子点在生物医学方面的应用仍需要克服其本身细胞毒性大的问题^{[3, 12-13]}。

  在二氧化硅基质中掺杂稀土元素可以获得另一种新型的FSNPs。稀土元素的加入，使二氧化硅纳米粒子在拥有二氧化硅本身特性的同时，增加了毫秒级发光寿命、大斯托克斯位移、尖锐发射峰、优异的光稳定性和低背景噪声等稀土元素的荧光特性^[15-18]。例如，Tan等提出了一种共价结合共水解缩聚的方法，该方法将铕螯合物包裹在二氧化硅纳米粒子中，让FSNPs中的稀土螯合物和二氧化硅基体能够共价连接，所以能够有效地保护螯合物免于泄漏，使纳米粒子的荧光强度比相同摩尔浓度的游离稀土螯合物强1.8×10⁵倍^[19]。Zhang等合成了双稀土元素掺杂的二氧化硅纳米粒子，这种二氧化硅纳米粒子能够在单波长激发下同时呈现2种不同的稀土特征光谱^[20]。此外，研究人员还在稀土掺杂FSNPs的光稳定性^{[15, 21]}、稀土元素泄漏防护^[22]、荧光颜色的调控^{[20, 23]}以及生物医学领域的应用^{[6, 24]}等方面取得了不错的进展。尽管如此，大部分已报道的稀土掺杂FSNPs是在已经合成的二氧化硅表面上进一步螯合稀土离子制备得到^[25]，或者是在没有键合的情况下将稀土螯合物直接包裹进二氧化硅粒子中获得^[26-27]，这些都导致合成的FSNPs中稀土螯合物掺杂量低，荧光强度较低。此外，FSNPs结构和成分的调控以及稀土螯合物有机部分对FSNPs荧光性质的影响仍不清楚，这些都严重阻碍了稀土掺杂FSNPs的进一步研究和应用。

  在本文中，我们通过反相微乳液法合成了粒径均一、荧光稳定性好、荧光寿命长的稀土掺杂FSNPs。同时，我们研究了水与表面活性剂的物质的量之比以及稀土螯合物的掺杂量对FSNPs粒径的影响，并对FSNPs的负载能力和荧光强度进行了研究。此外，我们研究了稀土掺杂FSNPs的能量转移过程，通过选用不同的生色团和稀土元素实现了对其激发波长、发射波长的调控，并通过改变掺杂的稀土离子Tb³⁺/Eu³⁺的物质的量之比，实现了对FSNPs荧光颜色的调控。

  1.   实验部分

  1.1   材料

  (3-氨基丙基)三乙氧基硅烷(APTES，99%)，二乙基三胺五乙酸(DTPA，98%)，对氨基苯甲酸(PABA，99%)，香豆素120(Cm120，98%)，二甲基亚砜(DMSO，≥99%)，六水合氯化铕(EuCl₃·6H₂O，99.99%)，六水合氯化铽(TbCl₃·6H₂O，99.9%)，正己醇(99%)，氨水(25%~28%)，正硅酸乙酯(TEOS，99%)购自北京伊诺凯科技有限公司；5-氨基-1, 10-菲咯啉(PTA，97%)购自上海韶远科技有限公司；1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC，≥97%)，N-羟基琥珀酰亚胺(NHS，98%)，曲拉通100(Triton X-100，≥98.0%)购自上海泰坦科技股份有限公司；环己烷(≥99.7%)，丙酮(≥99.5%)，乙醇(≥99%)购自上海凌峰化学试剂有限公司。所有试剂在使用之前均无再处理，实验中使用的水都是去离子水。

  1.2   稀土螯合物的合成

  稀土螯合物(记为APTES-DTPA-Sensitizer-Ln³⁺，其中Sensitizer=PABA，PTA或Cm120，如表 1所示)的制备步骤如下。螯合物中各成分的物质的量之比是n_APTES: n_DTPA: n_Sensitizer: n_Ln3+=1: 1: 1: 1。首先，将1 mmol DTPA溶于4 mL DMSO溶液中，加入0.21 mmol EDC和0.07 mmol NHS活化10 min。随后加入1 mmol Sensitizer，室温避光搅拌6 h。接着，加入0.21 mmol EDC和0.07 mmol NHS活化10 min后，加入0.25 mL APTES，将所得溶液室温避光搅拌过夜。然后，将4 mL EuCl₃·6H₂O或TbCl₃·6H₂O水溶液(0.25 mmol·mL^-1)加入至上述溶液中室温避光搅拌6 h。对照组DTPA-Sensitizer-Ln³⁺的合成方法与APTES-DTPA-Sensitizer-Ln³⁺相同，去掉其中加入APTES的步骤即可。最后，通过超声分散和离心将所得稀土螯合物用乙醇和水洗涤数次，以除去未反应的物质，洗净、真空干燥后避光保存。

  表 1

  

  表 1  敏化剂的名称与化学结构式

  Table 1.  Names, abbreviations and chemical formulas of three sensitizers

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  Name	Abbreviation	Chemical formula
  p-aminobenzoic acid	PABA
  5-amino-1, 10-phenanthroline	PTA
  7-amino-4-methylcoumarin	Cm120

  1.3   稀土掺杂FSNPs的合成

  稀土掺杂FSNPs通过改进的反相微乳液法(W/O)合成^[28]。将7.5 mL环己烷，1.8 mL正己醇和1.77 mL Triton X-100室温混合搅拌20 min。然后，将480 μL稀土螯合物的水溶液(浓度从10.8 mmol·L^-1变化至172.8 mmol·L^-1)加入到上述溶液中得到反相微乳液。间隔30 min后，分别加入100 μL TEOS和60 μL氨水。加入完毕后，让反应在室温条件下避光持续搅拌24 h。最后，加入等体积的丙酮破乳停止反应，并依次用丙酮、乙醇和水洗涤所得的FSNPs数次，以除去表面活性剂和未反应的物质。洗净、真空干燥后避光保存。

  1.4   仪器与表征

  TEM样品通过将约2 mg纳米粒子分散在3 mL乙醇中，超声分散3 min，然后滴在镀膜铜网上，室温下晾干后制得。FSNPs的形貌和粒径通过生物透射电镜(120 kV，Tecnai G2 spirit Biotwin0)观察；高角度环形暗场(HAADF)图像和元素分布通过场发射透射电镜(200 kV，TALOS F200X)观察；FSNPs中铕、硅元素的质量百分比通过电感耦合等离子体原子发射光谱仪(iCAP7600)测量；荧光激发和发射光谱通过荧光光谱仪(200 W，氙灯，Shimadzu RF5301PC)记录；FSNPs、稀土螯合物和PTA的光稳定性通过连续测量120 min时间段内的荧光强度来获得(200 W，氙灯，Shimadzu RF5301PC)；FSNPs的荧光寿命通过美国PTI公司的稳态和时间分辨荧光分光光度计(QM/TM/IM)测量。

  2.   结果与讨论

  2.1   稀土掺杂FSNPs的合成

  2.1.1   稀土掺杂FSNPs的设计

  稀土掺杂FSNPs的制备示意图如图 1所示。首先，将DTPA作为配体通过其酸酐与有机生色团(敏化剂)和APTES共价偶联，然后将产物与稀土离子螯合形成稀土螯合物(图 1a)。接着将得到的稀土螯合物(APTES-DTPA-Sensitizer-Ln³⁺)与TEOS在反相微乳液体系中共同水解缩聚，加入氨水催化反应(图 1b)，最终形成稀土掺杂的二氧化硅纳米粒子(记为APTES-DTPA-Sensitizer-Ln³⁺@SiO₂)。

  图 1

  

  图 1.  稀土螯合物的结构示意图(a)和反相微乳液制备稀土掺杂FSNPs的示意图(b)

  Figure 1.  Structure of APTES-DTPA-Sensitizer-Ln³⁺ (a) and preparation of APTES-DTPA-Sensitizer-Ln³⁺@SiO₂ (b)

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  2.1.2   稀土螯合物的合成及表征

  为了确认稀土螯合物的成功合成，我们分别记录了稀土螯合物APTES-DTPA-PABA-Eu³⁺以及APTES -DTPA-PABA-Tb³⁺的光致发光激发光谱(PLE)和发射光谱，如图 2所示。APTES-DTPA-PABA-Tb³⁺的PLE峰在300 nm处，其在300 nm激光照射下显示出Tb³⁺的特征荧光发射光谱，光谱呈现出中心离子Tb³⁺的特征跃迁：622 nm(⁵D₄→⁷F₃)、587 nm(⁵D₄→⁷F₄)、547 nm(⁵D₄→⁷F₅)、494 nm(⁵D₄→⁷F₆)；APTES-DTPA-PABA-Eu³⁺的PLE峰在308 nm处，其在308 nm激光照射下显示出Eu³⁺的特征荧光发射光谱，光谱呈现出中心离子Eu³⁺的特征跃迁：700 nm(⁵D₀→⁷F₄)、617 nm(⁵D₀→⁷F₂)、593 nm(⁵D₀→⁷F₁)、580 nm(⁵D₀→⁷F₀)。由于游离的Tb³⁺/Eu³⁺水溶液在相同的激发条件下未能检测到荧光，因此，Eu³⁺/Tb³⁺特征荧光峰的出现证明了DTPA、生色团以及稀土离子之间已成功偶联及螯合。同时，我们通过电感耦合等离子体原子发射光谱仪检测到稀土螯合物中硅元素的存在(w_Si=2.142%)，这表明APTES也已成功连接至稀土螯合物中。综上，如图 1a所示的稀土螯合物已经被成功合成。

  图 2

  

  图 2.  稀土螯合物的激发和发射光谱

  Figure 2.  Excitation spectra and emission spectra of APTES-DTPA-PABA-Ln³⁺

  Excitation (a) and emission spectrum (c) of APTES-DTPA-PABA-Tb³⁺, λ_em=547 nm, λ_ex=300 nm; Excitation (b) and emission spectrum (d) of APTES-DTPA-PABA-Eu³⁺, λ_em=617 nm, λ_ex=308 nm

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  此外，将生色团更换为PTA或者Cm120时，稀土螯合物APTES-DTPA-PTA-Eu³⁺以及APTES-DTPA-Cm120-Eu³⁺同样能够得到Eu³⁺的特征荧光光谱，但APTES-DTPA-PTA-Tb³⁺以及APTES-DTPA-Cm120-Tb³⁺无法得到Tb³⁺的特征荧光光谱，详细原因我们将在2.3.1章节中的发光机理部分进行讨论。

  2.1.3   稀土掺杂FSNPs的合成及表征

  为了证明能够通过上述反相微乳液法合成稀土掺杂FSNPs，我们对获得的FSNPs进行了TEM、荧光等表征。图 3a是APTES-DTPA-PABA-Tb³⁺@SiO₂的TEM图像。如图所示，FSNPs呈近球形，平均直径约25 nm。同时，TEM图像还显示出FSNPs内核与外部区域有明显的结构差异。我们通过HAADF图像进一步研究发现(图 3b)，FSNPs内核显示亮点，即内部存在原子序数大的元素。这个亮点可能是由于内部分布有大量稀土螯合物。为了进一步证明FSNPs内部分布的是稀土螯合物，我们测试了FSNPs内氧元素和铽元素分布情况，结果如图 3c所示。图中红点表示氧元素、绿点表示铽元素。我们发现，铽元素集中分布于二氧化硅纳米粒子的中心，这与HAADF结果相吻合，证实了稀土螯合物已经成功掺杂至FSNPs。背景噪声主要来源于样品中少量残余的未成功掺杂的稀土螯合物以及小分子的硅氧化合物。

  图 3

  

  图 3.  FSNPs的TEM图像(a), HAADF图像(b), 元素分布图像(c)和荧光发射光谱(d)

  Figure 3.  TEM image (a), HAADF image (b), elemental mapping image (c) and emission spectrum (d) of FSNPs

  Inset of (d): FSNPs in aqueous solution under irradiation of 254 nm Hg lamp

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  为了证明成功掺杂至SiO₂内部的稀土螯合物仍具有稀土特征荧光，我们记录了其荧光发射光谱，如图 3d所示。APTES-DTPA-PABA-Tb³⁺@SiO₂在300 nm激光的照射下，呈现出Tb³⁺的特征荧光光谱，且在254 nm汞灯照射下显现绿色。这表明通过我们的设计能够成功制备稀土掺杂的荧光二氧化硅纳米粒子。

  对于样品APTES-DTPA-PABA-Eu³⁺@SiO₂、APTES-DTPA-PTA-Eu³⁺@SiO₂以及APTES-DTPA-Cm120-Eu³⁺@SiO₂，我们观察到了同样的结构和对应的稀土特征荧光发射光谱，表明APTES-DTPA-PABA-Eu³⁺、APTES-DTPA-PTA-Eu³⁺、APTES-DTPA-Cm120-Eu³⁺同样能够掺杂至SiO₂中形成稀土掺杂的FSNPs。

  2.2   稀土掺杂FSNPs结构、成分的调控

  2.2.1   稀土掺杂FSNPs的粒径控制及其机理

  二氧化硅纳米粒子的粒径对其应用具有重要意义^[29-30]，接下来，我们主要从2个方面研究FSNPs粒径的控制及其机理。一方面，在反相微乳液中，水与表面活性剂的物质的量之比(R)会影响水相纳米反应池的大小，纳米反应池的大小则会直接改变纳米颗粒的粒径^[31]。因此，在其他条件完全一致的情况下，我们首先通过改变反应中水的量，研究了R对FSNPs的粒径的影响。如图 4(a~d)所示，FSNPs的粒径随着R的增加以近线性的方式减小。当R=7.9时，平均粒径为~105 nm；当R增加至14.2，平均粒径则逐渐减小至约30 nm。同时，随着粒径的减小，粒子的形态变得不规则。另一方面，考虑到稀土螯合物中的APTES能与TEOS发生共水解缩聚反应^[32-33]，且APTES量的改变对FSNPs的形成会有一定程度的影响^[34]，我们研究了稀土螯合物APTES-DTPA-Sensitizer-Ln³⁺的掺杂浓度对FSNPs粒径和形貌的影响。如图 4(e~j)所示，FSNPs的粒径随着稀土螯合物APTES-DTPA-PTA-Eu³⁺浓度的增加而减小。当APTES-DTPA-PTA-Eu³⁺的浓度从10.8 mmol·L^-1增加到43.2 mmol·L^-1时，FSNPs的粒径从约30 nm减小到约20 nm。当浓度最终变为172.8 mmol·L^-1时，FSNPs的粒径仅为约15 nm。同时，在较低浓度时，FSNPs的形态保持为球形，当APTES-DTPA-PTA-Eu³⁺浓度增加至43.2 mmol·L^-1后，FSNPs呈现不规则形状并出现黏连现象。这与文献中利用APTES与TEOS共水解缩聚形成SiO₂时，增加APTES的量导致最终SiO₂粒径减小、形貌变得不规则的结果一致^[34]。

  图 4

  

  图 4.  不同反应条件合成的FSNPs的TEM图像(a~j)及其平均粒径(k)

  Figure 4.  TEM images (a~j) and average size (k) of FSNPs under different reaction conditions

  TEM images of FSNPs prepared with (a~d) different water-to-surfactant molar ratios (R=7.9, 10.0, 12.1, 14.2), and (e~j) different APTES-DTPA-PTA-Eu³⁺ concentrations (10.8, 21.6, 43.2, 64.8, 108.0, 172.8 mmol·L^-1)

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  为了弄清稀土掺杂FSNPs的形成与粒径变化机理，首先要了解纯SiO₂纳米粒子的形成机理。相关文献关于TEOS在反相微乳液中水解缩聚形成纯二氧化硅纳米粒子的机理已经阐述的比较清楚^{[31, 35]}。简要来说，TEOS首先溶解在油相中，靠近水-油界面的TEOS在氨水的催化下逐渐水解。水解后，TEOS从疏水性转化为亲水性，然后进入到水池中。接着，水解的TEOS发生聚合反应最终得到二氧化硅纳米粒子。

  在我们的实验中，当R增大时，水相反应池的体积也会随之增大，每个水池能够承载的TEOS单体数量也会增加。因此，当R增大时，会有更多的晶核同时产生，而TEOS的量是一定的，生长至单个粒子表面的TEOS量减小，纳米粒子的最终尺寸减小；同时，由于颗粒未完全生长，其形状会变得不规则^[31]。另一方面，分散在水相中的APTES-DTPA-Sensitizer-Ln³⁺和表面活性剂附近的TEOS可能同时水解^[32-34]。因此，当APTES-DTPA-Sensitizer-Ln³⁺的量增加时，APTES会水解缩聚形成更多的晶核，TEOS量不变，晶核数目的增多将导致平均每个晶核上能够生长的TEOS的数目减少，从而造成FSNPs的粒径减小。此外，过量APTES-DTPA-Sensitizer-Ln³⁺的存在还会在一定程度上抑制TEOS水解聚合至纳米粒子表面^[34]，阻止纳米粒子的进一步长大，导致FSNPs粒径减小。作为对照实验，我们制备了无偶联剂APTES的DTPA-PTA-Eu³⁺@SiO₂，其TEM图像如图 5所示。其形貌为中心有黑点、粒径约为30 nm的二氧化硅球，而且当DTPA-PTA-Eu³⁺的浓度从27.6 mmol·L^-1增加至110.7 mmol·L^-1时，FSNPs粒径与形貌基本不发生改变。这是因为无APTES的稀土螯合物DTPA-PTA-Eu³⁺不能与TEOS共水解缩聚，仅能通过物理包裹的方式掺杂至SiO₂中，不会和有APTES存在的稀土螯合物一样影响FSNPs的粒径和形貌。这一结果从侧面印证了APTES与TEOS之间共水解缩聚反应导致了上述APTES-DTPA-PTA-Eu³⁺@SiO₂粒径和形貌的变化^[32-34]。

  图 5

  

  图 5.  不同浓度DTPA-PTA-Eu³⁺掺杂FSNPs的TEM图像

  Figure 5.  TEM images of FSNPs with different DTPA-PTA-Eu³⁺ concentrations

  DTPA-PTA-Eu³⁺ concentration: 27.6 mmol·L^-1 (a) and 110.7 mmol·L^-1 (b)

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  综上，基于这些机理，我们可以在15~110 nm的范围内调控APTES-DTPA-Sensitizer-Ln³⁺@SiO₂的粒径(图 4k)，得到后续应用所需要的不同粒径的FSNPs。

  2.2.2   稀土掺杂FSNPs负载能力的调控

  目前报道的文献主要是通过将生色团-配体-稀土离子这种没有硅烷偶联剂的稀土螯合物直接包裹至二氧化硅纳米颗粒内部^{[26, 36]}，或者是通过直接将稀土螯合物吸附至已获得的二氧化硅纳米颗粒表面^[25]这两种方式制备稀土掺杂的FSNPs。尽管它们都合成了具有稀土荧光的FSNPs，但这种FSNPs的稀土螯合物负载能力低，荧光强度较弱^[21]。例如，Ye等通过将没有偶联剂的Tb螯合物直接包裹在二氧化硅纳米粒子中合成了42 nm的Tb螯合物掺杂FSNPs，其Tb的负载量仅为0.52%(w/w)^[36]；另外，Eliseeva等将Eu的双金属螯合物直接包裹在55 nm的二氧化硅中，最终得到了Eu的负载量仅为0.078%(w/w)的FSNPs^[26]。在本文中，我们研究了FSNPs对APTES-DTPA-PTA-Eu³⁺的负载能力，同时，制备了不含偶联剂APTES的DTPA-PTA-Eu³⁺@SiO₂作为对比。

  如图 6所示，DTPA-PTA-Eu³⁺掺杂的FSNPs中Eu的负载量小于0.02%(w/w)，并且随着稀土螯合物投入量的增大基本不变；相反，APTES-DTPA-PTA-Eu³⁺掺杂的FSNPs对Eu³⁺的负载能力比DTPA-PTA-Eu³⁺@SiO₂大一个数量级以上。在Eu³⁺的投入量为12.15%(w/w)的情况下，其最大掺杂量可以达到6.5%(w/w)，即超过一半的稀土离子被成功掺杂至FSNPs中。而且，在我们的研究范围内，稀土螯合物的负载量随投入量的增大呈现线性增加且没有达到饱和，这意味着可以进一步增加稀土离子有效负载。有文献表明，当APTES与TEOS的物质的量之比小于1时，若TEOS的量保持不变，提高APTES的投入量可以增加其与TEOS共水解缩聚形成的SiO₂的量，从而提高SiO₂的最终产量^[34]。在我们的实验中，APTES与TEOS的物质的量之比范围都小于1，并且APTES-DTPA-PTA-Eu³⁺@SiO₂的产量同样随着APTES-DTPA-PTA-Eu³⁺投入量的提高而增加。因此，当APTES-DTPA-PTA-Eu³⁺的投入量提高时，有更多的APTES能够与TEOS共水解缩聚形成SiO₂，也就意味着有更多的APTES-DTPA-PTA-Eu³⁺能够连接至SiO₂，从而使FSNPs的负载能力得到提升。

  图 6

  

  图 6.  FSNPs对两种稀土螯合物的负载能力

  Figure 6.  Loading ability of FSNPs for two chelates of APTES-DTPA-Sensitizer-Ln³⁺

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  2.3   稀土掺杂FSNPs荧光性质的调控

  2.3.1   稀土掺杂FSNPs的发光机理

  我们选用了3种有机生色团(分别是PABA，PTA及Cm120，如表 1或图 7a所示)来研究稀土掺杂FSNPs的发光机理。APTES-DTPA-PABA-Eu³⁺@SiO₂、APTES-DTPA-PTA-Eu³⁺@SiO₂、APTES-DTPA-Cm120-Eu³⁺@SiO₂的光致发光激发光谱(PLE)和荧光发射光谱如图 7a所示。3种FSNPs都呈现Eu³⁺的特征发射光谱，在617 nm处的主峰对应于Eu离子⁵D₀(2.11 eV，或17 267 cm^-1波数)到⁷F₂跃迁^[37]。在使用PABA作为生色团时，获得的FSNPs只能在小于340 nm的激发波长下被激发，其PLE峰在285 nm附近。为了增加激发波长，我们选用了三重激发态能级比PABA(3 eV)低的PTA(2.48 eV)和Cm120(2.38 eV)作为生色团^[38-40]。如图 7a所示，APTES-DTPA-PTA-Eu³⁺@SiO₂激发波长的峰值增加到了295 nm，APTES-DTPA-Cm120-Eu³⁺@SiO₂的可激发区域扩展至400 nm，激发波长的峰值扩展至300到380 nm的区间。因此，我们可以通过选择合适的生色团来调控稀土掺杂FSNPs的激发波长。根据上述结论我们推测，在稀土螯合物中，生色团作为敏化剂首先吸收激发光的能量，然后将能量转移至Eu³⁺，使其发光。为了进一步证实这一点，我们制备了3种对应的Tb³⁺掺杂FSNPs，分别为APTES-DTPA-PABA-Tb³⁺@ SiO₂、APTES-DTPA-PTA-Tb³⁺@SiO₂和APTES-DTPA-Cm120-Tb³⁺@SiO₂。如图 7b所示，Tb³⁺的激发态能量(5D0：2.53 eV，或波数20 406 cm^-1)低于PABA的激发态能量，但高于Cm120和PTA的三重激发态能量。因此，基于能量转移的理论，PTA和Cm120无法激活Tb³⁺，即APTES-DTPA-PTA-Tb³⁺@SiO₂和APTES-DTPA-Cm120-Tb³⁺@SiO₂无法产生Tb³⁺特征荧光。结果如图 7c所示，仅有APTES-DTPA-PABA-Tb³⁺@SiO₂被成功激发，获得Tb³⁺的特征荧光光谱，与前述结论相吻合。综上，我们的实验成功地证明了稀土掺杂FSNPs中的能量转移过程，即稀土螯合物中的生色团作为敏化剂吸收激发光的能量并通过能量转移使稀土离子敏化发光的过程，且能量转移过程的实现要求生色团的三重激发态能量高于稀土离子的激发态能量。

  图 7

  

  图 7.  (a) APTES-DTPA-Sensitizer-Eu³⁺@SiO₂的激发和发射光谱; (b) APTES-DTPA-Sensitizer-Ln³⁺@SiO₂能量转移示意图; (c) APTES-DTPA-Sensitizer-Tb³⁺@SiO₂的发射光谱

  Figure 7.  (a) Excitation and emission spectra of APTES-DTPA-Sensitizer-Eu³⁺@SiO₂; (b) Schematic diagram for the energy transfer in APTES-DTPA-Sensitizer-Ln³⁺@SiO₂; (c) Emission spectra of APTES-DTPA-Sensitizer-Tb³⁺@SiO₂

  Sensitizer: Cm120, PTA, PABA; Ln³⁺: Eu³⁺, Tb³⁺

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  2.3.2   稀土掺杂FSNPs荧光颜色的调控

  通过2.3.1小节的研究我们发现，当使用PABA为生色团时，能够分别得到具备Tb³⁺或者Eu³⁺特征荧光的FSNPs。因此，我们尝试将APTES-DTPA-PABA-Tb³⁺和APTES-DTPA-PABA-Eu³⁺同时掺杂至FSNPs中，并通过改变两者之间的物质的量之比来调控FSNPs的荧光颜色。图 8a是APTES-DTPA-PABA-Tb³⁺@SiO₂的荧光光谱，光谱显示出4个Tb³⁺的特征主峰，最大强度的峰在546 nm处，且FSNPs在激发下呈现绿色。APTES-DTPA-PABA-Eu³⁺@SiO₂的荧光光谱如图 8e所示，该FSNPs拥有Eu³⁺的5个特征峰，最大强度的荧光峰在617 nm处，且在激发下呈现红色。图 8b到8d是不同比例的Tb³⁺/Eu³⁺共掺杂FSNPs的荧光发射光谱，从图中可以看出，随着Tb³⁺和Eu³⁺加入比例的改变，Tb³⁺/Eu³⁺共掺杂FSNPs显示出Tb³⁺和Eu³⁺的混合荧光峰，且在激发下呈现绿色和红色的混合色荧光。

  图 8

  

  图 8.  不同物质的量之比的Tb³⁺/Eu³⁺螯合物掺杂FSNPs的荧光发射光谱

  Figure 8.  Emission spectra of FSNPs with different molar ratios of Tb³⁺/Eu³⁺ in the lanthanide chelates

  (a) Pure Tb³⁺, (b) n_Tb³⁺: n_Eu³⁺=3: 1, (c) n_Tb³⁺: n_Eu³⁺=1: 1, (d) n_Tb³⁺: n_Eu³⁺=1: 3, (e) Pure Eu³⁺; Inset: corresponding photographs of FSNPs in aqueous solution under irradiation of a 254 nm Hg lamp

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  2.3.3   稀土掺杂FSNPs荧光强度的调控

  为了获得更高荧光强度的FSNPs，我们进一步研究了稀土离子负载量对FSNPs荧光强度的影响。如图 9所示, 当APTES-DTPA-PTA-Eu³⁺@SiO₂中Eu³⁺的负载量分别为0.92%(w/w)(黑线)，5.45%(w/w)(红线)和6.50%(w/w)(蓝线)时，发射光谱中发射峰的位置相同，而荧光强度不同。图 9的插图表示的是FSNPs的荧光强度最高峰(617 nm)随着稀土离子负载量的变化情况：随着Eu³⁺负载量从0.92%(w/w)到5.45%(w/w)，FSNPs的荧光强度迅速增加。然而，当负载量进一步增加至6.50%(w/w)时，FSNPs的荧光强度几乎保持稳定，略微有所降低。导致上述现象的原因主要有下面两个方面：一方面，随着稀土负载量的增加，单个纳米颗粒能够包裹更多的稀土螯合物，因此有助于其荧光强度的增加，特别是在低负载含量的范围^[41]；然而，当螯合物的有效负载增加到一定程度时，生色团分子的聚集会导致高浓度猝灭现象^[22]，因此，FSNPs荧光强度的增加趋势会有所减缓。综合上述两个因素，随着稀土螯合物的剂量的进一步增加，荧光强度达到“饱和”，到达峰值。另一方面，随着Eu³⁺负载量的增加，FSNPs的尺寸减小(图 4k)，位于FSNPs表面的稀土螯合物比例增加^{[24, 42]}。表面附近的稀土螯合物由于直接与氧气和水接触^[43]，荧光更容易猝灭，导致FSNPs荧光强度的增加趋势减缓或是有所降低。因此，综合上述因素，FSNPs的荧光强度会先随着Eu³⁺掺杂浓度的增加而增加，当掺杂浓度增加到一定值时达到饱和，甚至略微降低。

  图 9

  

  图 9.  不同稀土负载量的FSNPs的荧光发射光谱

  Figure 9.  Emission spectra of FSNPs with different Eu³⁺ loading amounts

  Eu³⁺ loading amount: 0.92% (w/w) (black line), 5.45% (w/w) (red line) and 6.50% (w/w) (blue line); Inset: emission intensity of FSNPs at 617 nm with different Eu³⁺ loading amounts

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  2.3.4   稀土掺杂FSNPs的光稳定性及荧光寿命

  为了评估稀土掺杂FSNPs的光稳定性，我们使用200 W氙灯作为光源，120 min连续照射纯PTA染料、纯APTES-DTPA-PTA-Eu³⁺螯合物和APTES-DTPA-PTA-Eu³⁺@SiO₂纳米粒子的水溶液，记录它们各自的荧光强度。如图 10a所示，在使用320 nm的激光连续照射120 min后，纯染料PTA的荧光强度被漂白至28%，APTES-DTPA-PTA-Eu³⁺螯合物则保留了约85%的原始荧光强度。值得注意的是，APTES-DTPA-PTA-Eu³⁺@SiO₂纳米粒子的荧光强度仍然保持在95%。这一结果表明FSNPs中的二氧化硅基质能够有效地保护稀土螯合物免受外界环境的影响，提高它的光稳定性。

  图 10

  

  图 10.  染料分子、稀土螯合物、FSNPs的光稳定性(a)及FSNPs的荧光寿命(b)

  Figure 10.  Photostability of dye molecules, lanthanide chelates and FSNPs (a) and lifetime of FSNPs (b)

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  此外，我们还测试了APTES-DTPA-PTA-Eu³⁺@SiO₂纳米粒子在激发波长为320 nm，发射波长为617 nm时的荧光寿命。如图 10b所示，FSNPs的荧光寿命为0.85 ms，这足以避免背景荧光的干扰，可用于时间分辨荧光免疫分析等应用^[15]。

  3.   结论

  综上，我们通过反相微乳液法成功地合成了形态均匀、荧光稳定性强、荧光寿命长、粒径和成分可控的稀土掺杂FSNPs。同时，实现了对其荧光性质如激发波长、荧光强度和荧光颜色的调控。通过改变水与表面活性剂的物质的量之比，实现FSNPs的粒径在110~30 nm范围内的调控；通过改变加入的稀土螯合物的量，实现FSNPs的粒径在30~15 nm范围内的调控。我们发现了APTES连接的稀土螯合物与二氧化硅基质之间的键合能够提高FSNPs的负载能力，因此得到了Eu元素掺杂量高达6.5%(w/w)的FSNPs。此外，我们的工作证实了稀土掺杂FSNPs中的能量转移过程，即稀土螯合物中的生色团分子吸收激发光的能量并将其转移以激活稀土离子发光的过程，且该过程应满足生色团的三重激发态能量高于稀土离子的激发态能量这一基本条件。另外，通过改变稀土螯合物的负载量，我们实现了对FSNPs荧光强度的调控；通过改变稀土螯合物中Tb³⁺/Eu³⁺的比例，我们实现了对FSNPs荧光颜色的调控。这些对于FSNPs的进一步应用都是非常有意义的。

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  图 1  稀土螯合物的结构示意图(a)和反相微乳液制备稀土掺杂FSNPs的示意图(b)

  Figure 1  Structure of APTES-DTPA-Sensitizer-Ln³⁺ (a) and preparation of APTES-DTPA-Sensitizer-Ln³⁺@SiO₂ (b)

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  图 2  稀土螯合物的激发和发射光谱

  Figure 2  Excitation spectra and emission spectra of APTES-DTPA-PABA-Ln³⁺

  Excitation (a) and emission spectrum (c) of APTES-DTPA-PABA-Tb³⁺, λ_em=547 nm, λ_ex=300 nm; Excitation (b) and emission spectrum (d) of APTES-DTPA-PABA-Eu³⁺, λ_em=617 nm, λ_ex=308 nm

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  图 3  FSNPs的TEM图像(a), HAADF图像(b), 元素分布图像(c)和荧光发射光谱(d)

  Figure 3  TEM image (a), HAADF image (b), elemental mapping image (c) and emission spectrum (d) of FSNPs

  Inset of (d): FSNPs in aqueous solution under irradiation of 254 nm Hg lamp

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  图 4  不同反应条件合成的FSNPs的TEM图像(a~j)及其平均粒径(k)

  Figure 4  TEM images (a~j) and average size (k) of FSNPs under different reaction conditions

  TEM images of FSNPs prepared with (a~d) different water-to-surfactant molar ratios (R=7.9, 10.0, 12.1, 14.2), and (e~j) different APTES-DTPA-PTA-Eu³⁺ concentrations (10.8, 21.6, 43.2, 64.8, 108.0, 172.8 mmol·L^-1)

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  图 5  不同浓度DTPA-PTA-Eu³⁺掺杂FSNPs的TEM图像

  Figure 5  TEM images of FSNPs with different DTPA-PTA-Eu³⁺ concentrations

  DTPA-PTA-Eu³⁺ concentration: 27.6 mmol·L^-1 (a) and 110.7 mmol·L^-1 (b)

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  图 6  FSNPs对两种稀土螯合物的负载能力

  Figure 6  Loading ability of FSNPs for two chelates of APTES-DTPA-Sensitizer-Ln³⁺

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  图 7  (a) APTES-DTPA-Sensitizer-Eu³⁺@SiO₂的激发和发射光谱; (b) APTES-DTPA-Sensitizer-Ln³⁺@SiO₂能量转移示意图; (c) APTES-DTPA-Sensitizer-Tb³⁺@SiO₂的发射光谱

  Figure 7  (a) Excitation and emission spectra of APTES-DTPA-Sensitizer-Eu³⁺@SiO₂; (b) Schematic diagram for the energy transfer in APTES-DTPA-Sensitizer-Ln³⁺@SiO₂; (c) Emission spectra of APTES-DTPA-Sensitizer-Tb³⁺@SiO₂

  Sensitizer: Cm120, PTA, PABA; Ln³⁺: Eu³⁺, Tb³⁺

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  图 8  不同物质的量之比的Tb³⁺/Eu³⁺螯合物掺杂FSNPs的荧光发射光谱

  Figure 8  Emission spectra of FSNPs with different molar ratios of Tb³⁺/Eu³⁺ in the lanthanide chelates

  (a) Pure Tb³⁺, (b) n_Tb³⁺: n_Eu³⁺=3: 1, (c) n_Tb³⁺: n_Eu³⁺=1: 1, (d) n_Tb³⁺: n_Eu³⁺=1: 3, (e) Pure Eu³⁺; Inset: corresponding photographs of FSNPs in aqueous solution under irradiation of a 254 nm Hg lamp

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  图 9  不同稀土负载量的FSNPs的荧光发射光谱

  Figure 9  Emission spectra of FSNPs with different Eu³⁺ loading amounts

  Eu³⁺ loading amount: 0.92% (w/w) (black line), 5.45% (w/w) (red line) and 6.50% (w/w) (blue line); Inset: emission intensity of FSNPs at 617 nm with different Eu³⁺ loading amounts

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  图 10  染料分子、稀土螯合物、FSNPs的光稳定性(a)及FSNPs的荧光寿命(b)

  Figure 10  Photostability of dye molecules, lanthanide chelates and FSNPs (a) and lifetime of FSNPs (b)

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  表 1  敏化剂的名称与化学结构式

  Table 1.  Names, abbreviations and chemical formulas of three sensitizers

  Name	Abbreviation	Chemical formula
  p-aminobenzoic acid	PABA
  5-amino-1, 10-phenanthroline	PTA
  7-amino-4-methylcoumarin	Cm120

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