一种基于MOF模板法的长余辉材料及其制备方法和应用

一种基于mof模板法的长余辉材料及其制备方法和应用
技术领域
1.本发明涉及纳米材料领域，具体涉及一种基于mof模板法的长余辉材料及其制备方法和应用。


背景技术：

2.肿瘤手术治疗过程包括术前肿瘤定位、术中病灶切除和术后效果评估。手术导航，有助于术中确定肿瘤组织的边界及发现微小肿瘤(转移瘤)，最大程度的减小后患。目前临床上使用的肿瘤成像检测设备如磁共振成像(mri)、ct等，设备庞大，信噪比低，无法用于术中成像导航。目前手术过程中主要靠医生的经验判断进行操作，往往有边界确定不够准确、微小病灶切除不干净的遗憾。因此，若能实现术中高信噪比的实时成像导航，对于提高肿瘤切除准确率具有重要的意义。
3.长余辉材料是一种可以被紫外或可见光激发，去掉光源一段时间后自身仍能持续发光(余辉)数小时的材料。由于其发光过程中不需要外加光源(靠余辉)，因此不会引起生物组织的自荧光，可以提高成像信噪比，因此近年来被研究者用作生物成像的研究，尚没有用于临床的报道。材料产生的余辉可以方便地使用ccd相机检测收集，极大地减轻了操作成本，可实现术中实时成像，提高了成像对手术的指导作用。目前需要解决的问题是提高材料的余辉时长及发光强度。
4.我国的研究者都在长余辉材料用于体内成像或检测方面做了很多有价值的工作。虽然长余辉材料发光的荧光亮度和余辉时长均有所增加，但是大多数材料依然存在荧光强度衰减较快的问题(一般30min后荧光亮度降低至少一个数量级)，且二次激发后恢复的荧光信号强度有限。为了获得足够的信号强度就要加大注射剂量，因此也带来潜在的安全隐患。这些长余辉材料目前尚无法满足做手术导航的要求。
5.由此看来，如何通过结构设计，使无机长余辉材料在兼具优异的发光性质的同时减小粒径，提高其水相稳定性，是获得长余辉手术导航材料的关键。
6.虽然无机长余辉材料在手术导航方面有着不可比拟的潜在优势，但是其在应用中面临着两个主要矛盾：1、现有的方法制备出来的长余辉材料荧光亮度和余辉时长都表现优异，但粒度偏大(几十微米)且不均匀，减小粒度都不可避免地损失基质的陷阱和电子的数量，同时也导致陷阱的深度降低，使荧光强度和余辉时长均减小。2、在水环境中的稳定性较差，不能藉助静脉注射注入的方式实现手术导航。


技术实现要素：

7.本发明提供一种长余辉材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
8.(1)制备mof模板：将卟啉类衍生物和金属源在溶剂中混合均匀后，经水热反应得到mof模板；
9.(2)制备前驱体：将步骤(1)得到的mof模板再次分散于所述溶剂中，加入铬源，混合一段时间后，分离得到沉淀物，冻干后得到所述前驱体；
10.(3)在空气氛围下，将步骤(2)得到的所述前驱体经高温处理后，得到所述长余辉材料。
11.根据本发明的实施方案，所述卟啉类衍生物选自含氨基或羧基的卟啉类衍生物。示例性地，所述卟啉类衍生物选自四羧酸苯基卟啉(tcpp)，四氨基苯基卟啉(tapp)，血卟啉单甲醚(hmme)，二氢卟吩e6(ce6)。本发明中，选用卟啉类衍生物和金属离子(如锌离子和镓离子)配位形成确定金属离子比的mof，从而将金属离子按照一定的比例及空间位置进行组装，提高金属离子的空间规整性，从而提高煅烧过程中形成晶格缺陷的可能性，增加缺陷的数量，最终提高余辉材料的余辉亮度和时间。
12.根据本发明的实施方案，步骤(1)中，所述卟啉类衍生物和金属源的摩尔比为(0.05-0.07)：(0.1-0.6)，例如为0.05：0.2、0.05：0.3、0.05：0.4、0.05：0.5、0.07：0.2、0.07：0.3、0.07：0.4、0.07：0.5、0.06：0.1、0.06：0.2、0.06：0.3、0.06：0.4、0.06：0.5、0.06：0.6。
13.优选地，所述金属源选自金属的硝酸盐、醋酸盐、氯化盐、硫酸盐中的至少一种。优选地，所述金属为锌、镓、锗中的至少一种，优选为锌和镓。
14.示例性地，所述金属源包括zn(oac)2和ga(no3)3，zn(oac)2和ga(no3)3的摩尔比为0.1-0.3:0.2-0.3。
15.根据本发明的实施方案，步骤(1)中，溶剂选自水，例如为去离子水。本发明中对所述溶剂的用量不做具体的限定，只要卟啉类衍生物和金属源能溶解即可。示例性地，所述溶剂的用量为10-20ml。
16.根据本发明的实施方案，步骤(1)中，混合均匀在室温下进行。
17.根据本发明的实施方案，步骤(1)中，混合均匀的条件可选用本领域已知的方法，例如为剧烈搅拌3小时。
18.根据本发明的实施方案，步骤(1)中，所述水热法在本领域已知的反应釜中进行。
19.根据本发明的实施方案，步骤(1)中，所述水热法的条件包括：在150-200℃下反应10-24小时，例如为在180℃下反应10-24小时。
20.根据本发明的实施方案，步骤(1)中，所述mof模板还需进一步洗涤和/或烘干。优选地，所述洗涤和烘干可选用本领域已知的方法进行。优选地，所述洗涤为使用所述溶剂和易挥发有机溶剂清洗。进一步地，所述烘干例如为在50-80℃条件下烘干。
21.根据本发明的实施方案，步骤(1)中，所述mof模板为固体，例如为黑棕色固体。示例性地，当所述金属源包括zn(oac)2和ga(no3)3，得到的mof模板中，ga和卟啉类衍生物外部的官能团反应，而zn螯合在卟啉类衍生物的卟啉环内部。
22.根据本发明的实施方案，步骤(2)中，所述铬源选自铬的化合物，例如为铬的硝酸盐。
23.根据本发明的实施方案，步骤(2)中，所述铬源与mof模板的质量比为(0.000288～0.00864):1
24.根据本发明的实施方案，步骤(2)中，所述混合可选用本领域已知的方法进行，例如在室温下搅拌1小时。
25.根据本发明的实施方案，步骤(2)中，所述冻干的条件为在0℃到-50℃下冻干1-48小时，例如为在-50℃下冻干24小时。
26.根据本发明的实施方案，步骤(3)中，高温处理的条件包括：在800℃-1000℃反应1-10个小时，例如为在900℃反应4个小时。
27.根据本发明的实施方案，步骤(3)中，所述长余辉材料为固体粉末，优选为白色固体粉末。
28.本发明还提供一种长余辉材料，所述长余辉材料通过上述制备方法制备得到。
29.根据本发明的实施方案，所述长余辉材料包括cr
3+
掺杂的镓酸锌，记为znga2o4:cr
3+
。
30.根据本发明的实施方案，所述长余辉材料中，cr
3+
的掺杂量为大于0.001％，优选为不大于1％，例如为0.1％-0.6％，又例如为0.5％。
31.根据本发明的实施方案，所述长余辉材料的平均粒径为10-1000nm，例如为170nm。
32.根据本发明的实施方案，所述长余辉材料具有规整晶型。优选地，所述长余辉材料为111晶型，其晶格为0.48nm。
33.根据本发明的实施方案，所述长余辉材料在254nm照射10min后，其信噪比为541。
34.根据本发明的实施方案，所述长余辉材料具有水稳定性。
35.本发明还提供上述长余辉材料在生物成像领域中的应用。
36.有益效果
37.本发明使用mof为前驱体，可以很好地排列金属离子的空间分布及元素比例，从而在煅烧过程中获得晶型更加规整，元素分布更加均匀的长余辉材料，进而有利于体系内部的晶格缺陷(陷阱)的形成，从而提高余辉材料的亮度及余辉的时长。
38.本发明利用可去除的高分子模板，选用卟啉类衍生物制备得到的mof可以实现精准调控模板中金属元素的比例和空间位置，例如ga和卟啉类衍生物外部的官能团反应，而zn是螯合在卟啉类衍生物的卟啉环内部，诱导无机长余辉材料按照模板大小进行生长，就可获得预期的纳米颗粒；弥补由于粒度减小导致的晶体中电子数目、陷阱浓度及深度的减小，从而有效提高材料的荧光亮度和时长。最终获得纯度高且性能优异的纳米长余辉材料，为生物成像领域(例如肿瘤切除)提供精准的导航。
附图说明
39.图1为本发明的长余辉材料的制备过程示意图；
40.图2为实施例1制备得到的zgc-1的形貌表征结果。
41.图3为实施例1制备得到的zgc-1的的余辉性能测试结果。
42.图4为实施例1制备得到的zgc-1的的余辉稳定性能测试结果。
43.图5为应用例1的活体动物中的评估结果。
具体实施方式
44.下文将结合具体实施例对本发明的技术方案做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
45.除非另有说明，以下实施例中使用的原料和试剂均为市售商品，或者可以通过已知方法制备。
46.下述实施例中，卟啉类衍生物选自四羧酸苯基卟啉(tcpp)，四氨基苯基卟啉(tapp)，血卟啉单甲醚(hmme)，二氢卟吩e6(ce6)。
47.实施例1
48.长余辉材料的制备步骤如下：
49.1、zn-ga-tmof(zgt)的合成
50.称取0.06mmol的四羧酸苯基卟啉(tcpp)，0.2mmol的zn(oac)2，0.2mmol的ga(no3)3，溶解在20ml的去离子水中，室温下剧烈搅拌6小时。随后转移到45ml的聚四氟乙烯反应釜中，在180℃下反应18小时。冷却至室温，得到黑棕色固体。使用去离子水和乙醇洗3次，60℃烘箱中烘干，得到zgt-1固体粉末20mg。
51.2、zn-ga-tmof-cr(zgtc)的合成
52.将步骤1得到的zgt-1重新分散于10ml的去离子水中，滴加200ul的cr(no3)3溶液(2mg/ml)至体系中，zgt-1与gr(no3)3的质量比为1:0.02，并在室温下搅拌1小时。离心分离沉淀，并使用去离子水洗3次，冻干得到20mg黑棕色zgtc-1。
53.3、zgc-1纳米粒子的制备
54.将步骤2得到的黑棕色zgtc-1置于管式炉中，在空气氛围下，900℃反应4个小时。随后自然冷却到室温，得到白色的zgc-1固体粉末，产率为40％。测试可知，实施例1制备得到的zgc-1中，cr的掺杂量为0.5％。
55.测试例1
56.1.zgc-1的形貌表征
57.如图2中a-e所示，实施例1制备得到的zgc-1呈现规则的棒状结构，水合粒径在170nm左右。如图2中f所示，高分辨tem证实zgc-1材料有着高结晶度，其晶格为0.48nm，符合zgc的111晶型。
58.2.zgc-1的余辉性能表征
59.取实施例1得到的zgc-1溶于水中得到zgc-1悬浮液(3mg/ml)，得到在水中的zgc-1样品。使用254nm紫外灯照射在水中的zgc-1样品和固体zgc-1样品10min后，关闭紫外灯并记录60min内的余辉强度。样品的余辉强度使用ivis imaging system记录并绘制余辉衰减曲线。
60.如图3所示，实施例1得到的zgc-1即使是在水中，余辉性能都保持较高的强度。在水中的zgc-1的余辉强度较初始值下降了约22％，但仍保持在较高水平。虽然前期在水中的zgc-1的余辉强度下降较快，但后期衰减率与固体zgc-1基本相同。经计算可知，在水中的zgc-1平均寿命延长τ
avg
为192秒，zgc-1固体的平均寿命延长τ
avg
为216s，表明水对制备的zgc的余辉寿命影响很小。
61.如图4中a所示，固体zgc-1表现出良好的重复性和光稳定性，在三个激发周期内没有明显的信号衰减。
62.3.zgc-1的余辉稳定性表征
63.余辉稳定性的测试条件基本与上述余辉性能表征相同，具体如下：取实施例1得到的zgc-1固体粉末，得到在水中的zgc-1样品。使用5000lm的发光二极管照射固体zgc-1样品10min后，关闭led并记录5min内的余辉强度，记为一个周期。重复以上过程4次，记录四个激发周期的余辉强度。样品的余辉强度使用ivis imaging system记录并绘制余辉衰减曲线。
64.zgc-1粉末的nir pl在用5,000lm的发光二极管照射至少四个循环内，余辉都可以恢复至初始余辉，没有明显的波动，如图4中b所示，由此证实了zgc-1粉末具有良好的激发重复性。zgc-1的高余辉稳定性可以大大延长成像时间，并且足以用于体内生物成像和分子荧光引导的手术。
65.实施例2
66.本实施例的制备步骤基本同实施例1，不同在于：
67.步骤1中，将四羧酸苯基卟啉(tcpp)替换为四氨基苯基卟啉(tapp)，tapp、zn(oac)2和ga(no3)3的摩尔比同实施例1，得到zgt-2固体粉末20mg；
68.步骤2中，将zgt-1替换为zgt-2，zgt-2与gr(no3)3的质量比同实施例1，；冻干得到20mgzgtc-2；
69.步骤3中，将zgtc-2置于管式炉中，在空气氛围下，900℃反应4个小时。随后自然冷却到室温，得到白色的zgc-2固体粉末，产率为35％。
70.测试可知，实施例2制备得到的zgc-1中，cr的掺杂量为0.5％。
71.实施例3
72.本实施例的制备步骤基本同实施例1，不同在于：
73.步骤1中，将四羧酸苯基卟啉(tcpp)替换为血卟啉单乙醚(hmme)，hmme、zn(oac)2和ga(no3)3的摩尔比同实施例1，得到zgt-3固体粉末20mg；
74.步骤2中，将zgt-1替换为zgt-3，zgt-3与gr(no3)3的质量比同实施例1；冻干得到20mgzgtc-3；
75.步骤3中，将zgtc-3置于管式炉中，在空气氛围下，900℃反应4个小时。随后自然冷却到室温，得到白色的zgc-3固体粉末，产率为40％。
76.测试可知，实施例3制备得到的zgc-1中，cr的掺杂量为0.5％。
77.实施例4
78.本实施例的制备步骤基本同实施例1，不同在于：
79.步骤1中，将四羧酸苯基卟啉(tcpp)替换为二氢卟吩e6(ce6)，ce6、zn(oac)2和ga(no3)3的摩尔比同实施例1，得到zgt-4固体粉末20mg；
80.步骤2中，将zgt-1替换为zgt-4，zgt-4与gr(no3)3的质量比同实施例1；冻干得到20mgzgtc-4；
81.步骤3中，将zgtc-4置于管式炉中，在空气氛围下，900℃反应4个小时。随后自然冷却到室温，得到白色的zgc-4固体粉末，产率为40％。
82.测试可知，实施例4制备得到的zgc-1中，cr的掺杂量为0.5％。
83.应用例1
84.24小时余辉衰减实验及小鼠成像实验
85.使用254nm紫外灯照射固体zgc-1样品10min后，关闭紫外灯，使用ivis成像系统捕获了24小时内pl照片。在没有任何外部照明的情况下，电荷耦合器件(ccd)相机在24小时后依然清楚地检测到nir pl。24小时后，信噪比(snr)从最初的2,567下降到541。
86.对实施例1制备的zgc的pl特性也在活体动物中进行了评估。将上述zgc悬浮液(3mg/ml)用紫外灯(254nm,6w)激发10分钟后在小鼠的皮下注射。在注射后5分钟仍能观察到高发光，此时snr为134。
87.上述结果证实了使用mof模板作为前驱体制备的长余辉材料(plnps)具有在生物成像中应用的潜力。
88.以上对本发明示例性的实施方式进行了说明。但是，本技术的保护范围不拘囿于上述实施方式。本领域技术人员在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种长余辉材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)制备mof模板：将卟啉类衍生物和金属源在溶剂中混合均匀后，经水热反应得到mof模板；(2)制备前驱体：将步骤(1)得到的mof模板再次分散于所述溶剂中，加入铬源，混合一段时间后，分离得到沉淀物，冻干后得到所述前驱体；(3)在空气氛围下，将步骤(2)得到的所述前驱体经高温处理后，得到所述长余辉材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述卟啉类衍生物选自含氨基或羧基的卟啉类衍生物。示例性地，所述卟啉类衍生物选自四羧酸苯基卟啉、四氨基苯基卟啉、血卟啉单甲醚、二氢卟吩e6。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述卟啉类衍生物和金属源的摩尔比为(0.05-0.07)：(0.1-0.6)。优选地，所述金属源选自金属的硝酸盐、醋酸盐、氯化盐、硫酸盐中的至少一种。优选地，所述金属为锌、镓、锗中的至少一种。4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，溶剂选自水。优选地，步骤(1)中，所述水热法的条件包括：在150-200℃下反应10-24小时。优选地，步骤(1)中，所述mof模板还需进一步洗涤和/或烘干。5.根据权利要求1-4任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述铬源选自铬的化合物。优选地，步骤(2)中，所述铬源与mof模板的质量比为(0.000288～0.00864):1优选地，步骤(2)中，所述冻干的条件为在0℃到-50℃下冻干1-48小时。6.根据权利要求1-5任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，高温处理的条件包括：在800℃-1000℃反应1-10个小时。优选地，步骤(3)中，所述长余辉材料为固体粉末。7.一种长余辉材料，其特征在于，所述长余辉材料通过权利要求1-6任一项所述的制备方法制备得到。8.根据权利要求7所述的长余辉材料，其特征在于，所述长余辉材料包括cr
3+
掺杂的镓酸锌，记为znga2o4:cr
3+
。9.根据权利要求7或8所述的长余辉材料，其特征在于，所述长余辉材料中，cr
3+
的掺杂量为大于0.001％。优选地，所述长余辉材料的平均粒径为10-1000nm。优选地，所述长余辉材料具有规整晶型。优选地，所述长余辉材料为111晶型，其晶格为0.48nm。优选地，所述长余辉材料在254nm照射10min后，其信噪比为541。优选地，所述长余辉材料具有水稳定性。10.权利要求7-9任一项所述的长余辉材料在生物成像领域中的应用。

技术总结
本发明公开了一种基于MOF模板法的长余辉材料及其制备方法和应用。本发明的制备方法包括如下步骤：(1)制备MOF模板：将卟啉类衍生物和金属源在溶剂中混合均匀后，经水热反应得到MOF模板；(2)制备前驱体：将步骤(1)得到的MOF模板再次分散于所述溶剂中，加入铬源，混合一段时间后，分离得到沉淀物，冻干后得到所述前驱体；(3)在空气氛围下，将步骤(2)得到的所述前驱体经高温处理后，得到所述长余辉材料。本发明使用MOF为前驱体，可以很好地排列金属离子的空间分布及元素比例，从而在煅烧过程中获得晶型更加规整，元素分布更加均匀的长余辉材料，进而有利于体系内部的晶格缺陷的形成，从而提高余辉材料的亮度及余辉的时长。而提高余辉材料的亮度及余辉的时长。而提高余辉材料的亮度及余辉的时长。


技术研发人员：袁直 颜子超 刘洋 王蔚 殷畅 孙梦杰
受保护的技术使用者：南开大学
技术研发日：2022.12.01
技术公布日：2023/7/26