一种具有正交激发-发射特性的彩色发光蚕丝及其制备方法

本发明属于纳米光学材料，具体涉及到一种具有正交激发-发射特性的彩色发光蚕丝及其制备方法。

背景技术：

1、自新石器时期以来，蚕丝在中国的发展距今已经有五千多年的历史。起初，蚕丝作为一种优质的纺织原料由于具有亲肤性和透气性等特点，被广泛应用于制作衣物、纺织和装饰品。随着对蚕丝的深入研究，近年来研究者们发现蚕丝还具有出色的力学性能、生物相容性和生物可降解性，这些优异的特性使蚕丝在生物光学领域具有潜在的应用前景。例如：蚕丝具有良好的药物包裹和可控释放药物功能，通过包裹纳米发光材料的发光蚕丝携带药物做光动力治疗，利用蚕丝生物降解的特点释放药物。此外，包裹纳米发光材料的发光蚕丝可以用作手术的缝合线，利用蚕丝生物相容性和生物可降解性的特点，使蚕丝无需拆线、自行降解，并且蚕丝表面的丝蛋白基本不会引起炎症反应，包裹的纳米发光材料作为荧光探针用于观察手术愈合情况。除此之外，发光蚕丝还可用于制作“蚕丝骨钉”、丝素蛋白支架及各种类型的传感器。因此，开展发光蚕丝的研究具有重要意义。

2、目前，发光蚕丝的制备方法主要有三大类：转基因工程、蚕丝后处理和喂食法。转基因工程在一定程度上不仅会人为地扰乱家蚕基因库，而且技术复杂、成本较高，因此未得到广泛的应用。而蚕丝后处理的方法会破坏蚕丝本身优良的性能，甚至造成蚕丝纤维的断裂，从而限制了其进一步的应用。相比于前两种方法，喂食法具有操作简单、成本低廉、无二次污染、可大规模生产等优点，受到研究者们的普遍关注。尽管基于喂食法获得的发光蚕丝在生物医学等诸多领域展现出巨大的应用潜力，但目前基于发光材料（如有机染料、碳量子点、上转换纳米颗粒等）制备的发光蚕丝都是单波长激发下的单色发光，存在激发波长单一、发光颜色单调等问题，从而限制了其在彩色发光纺织品、多色荧光成像、多色编码、多色传感等前沿领域的应用。因此，开发一种新型的具有正交激发-发射特性的彩色发光蚕丝，对于推动生物医学等领域的应用具有重要价值。

技术实现思路

1、针对现有的单色发光蚕丝普遍存在激发波长单一、发光颜色单调等问题，本发明提供了一种具有正交激发-发射特性的彩色发光蚕丝及其制备方法；该方法采用负载具有正交激发-发射特性的双层核壳结构纳米颗粒的桑叶去饲喂五龄期的家蚕，直至喂养到家蚕吐丝结茧，获得彩色发光蚕丝，在808 nm近红外光激发下，纳米颗粒可以产生绿色上转换发光；在不同激发功率的980 nm近红外光激发下，随着激发光功率增强，纳米颗粒可以产生由黄绿色到橙色、橙红色再到红色的动态上转换发光颜色变化，在彩色发光纺织品、多组分生物成像、多色编码等前沿领域具有广阔的应用潜力。

2、本发明通过如下技术方案实现：

3、一种具有正交激发-发射特性的彩色发光蚕丝的制备方法，具体包括：首先利用纳米材料合成仪通过逐层包裹的方法制备出具有正交激发-发射特性的双层核壳结构纳米颗粒，然后利用盐酸对得到的具有正交激发-发射特性的双层核壳结构纳米颗粒进行表面质子化处理实现水溶改性，获得水溶性的具有正交激发-发射特性的双层核壳结构纳米颗粒；并配置成浓度为8-12 mg/ml、ph值为6-8的纳米颗粒水溶液，随后通过喷雾器将纳米颗粒水溶液均匀地喷洒在新鲜干净的桑叶上，得到负载具有正交激发-发射特性双层核壳结构纳米颗粒的桑叶，待桑叶自然风干后，最后用负载具有正交激发-发射特性双层核壳结构纳米颗粒的桑叶饲喂五龄期家蚕，直至喂养到家蚕吐丝结茧，即得具有正交激发-发射特性的彩色发光蚕丝。

4、进一步地，所述正交激发-发射特性的双层核壳结构纳米颗粒的制备方法，具体如下：

5、首先，制备808 nm激发光能量吸收核nayf4:nd纳米颗粒，然后将其作为晶种通过诱导晶体外延生长壳层的方式形成nayf4:nd@naybf4:er核壳结构纳米颗粒，接着将形成的核壳结构纳米颗粒作为晶种再一次诱导外延生长nayf4层，最终形成nayf4:nd@naybf4:er@nayf4双层核壳结构纳米颗粒。

6、进一步地，所述808 nm激发光能量吸收核nayf4:nd纳米颗粒的制备方法，具体如下：

7、将总量为0.4 mmol的ycl3·6h2o和ndcl3·6h2o水溶液加入3 ml油酸和7 ml十八烯的混合溶液中，其中，ycl3·6h2o为0.32 mmol ，ndcl3·6h2o为0.08 mmol；将所得混合物在150 ℃下搅拌60分钟来除去水和低沸点的溶剂分子，形成油酸配合物前驱体；然后将所得油酸配合物前驱体冷却至室温后，加入4 ml 0.4 mol/l 的nh4f和2 ml 0.5 mol/l 的naoh的甲醇溶液并升温至50 °c连续搅拌30分钟；随后升温到100 °c后在真空条件下保持10分钟来除去甲醇，然后在惰性气体保护下升温至290 °c反应90分钟；反应结束后冷却至室温，通过离心分离沉淀制备的核纳米颗粒，再使用环己烷和乙醇反复洗涤三次，最后将产物分散在环己烷中用于进一步的壳层生长。

8、进一步地，所述nayf4:nd@naybf4:er核壳结构纳米颗粒的制备方法，具体如下：

9、将总量为0.4 mmol的ybcl3·6h2o和ercl3·6h2o水溶液加入3 ml油酸和7 ml十八烯的混合溶液中，其中，ybcl3·6h2o为0.398 mmol，ercl3·6h2o为0.002 mmol；将所得混合物在150 ℃下搅拌60分钟来除去水和低沸点的溶剂分子，形成油酸配合物前驱体；然后将所得混合物冷却至室温后，加入制备好的全部nayf4:nd核纳米颗粒，随后加入4 ml0.4mol/l的 nh4f和2 ml 0.5 mol/l的naoh的甲醇溶液并升温至50 °c连续搅拌30分钟；随后升温到100 °c后在真空条件下保持10分钟来除去甲醇，然后在惰性气体保护下升温至290°c反应90分钟；反应结束后冷却至室温，通过离心分离沉淀制备的核壳结构纳米颗粒，再使用环己烷和乙醇反复洗涤三次，最后将产物分散在环己烷中用于进一步的壳层生长。

10、进一步地，所述nayf4:nd@naybf4:er@nayf4双层核壳结构纳米颗粒的制备方法，具体如下：

11、将总量为0.4 mmol的ycl3·6h2o水溶液加入3 ml油酸和7 ml十八烯的混合溶液中，将所得混合物在150 ℃下搅拌60分钟来除去水和低沸点的溶剂分子，形成油酸配合物前驱体；然后将油酸配合物前驱体冷却至室温后，加入制备好的全部nayf4:nd@naybf4:er核壳结构纳米颗粒，随后加入4 ml0.4 mol/l的nh4f和2 ml0.5 mol/l 的naoh的甲醇溶液并升温至50 °c连续搅拌30分钟；随后升温到100 °c后在真空条件下保持10分钟来除去甲醇，然后在惰性气体保护下升温至290 °c反应90分钟；反应结束后冷却至室温，通过离心分离沉淀制备的双层核壳结构纳米颗粒，再使用环己烷和乙醇反复洗涤三次，最后将产物分散在环己烷中用于后续水溶改性。

12、进一步地，所述利用盐酸对得到的具有正交激发-发射特性的双层核壳结构纳米颗粒进行表面质子化处理实现水溶改性，具体包括：

13、将分散在环己烷中的油溶性的nayf4:nd@naybf4:er@nayf4双层核壳结构纳米颗粒通过离心分离沉淀后，分散到体积比1：1的无水乙醇和盐酸的混合溶液中，然后以16000 r/min的转速离心20 min来除去纳米颗粒表面的油酸配体，得到的表面无配体的双层核壳结构纳米颗粒用乙醇洗涤两次，最后再分散在去离子水中。

14、进一步地，所述负载具有正交激发-发射特性双层核壳结构纳米颗粒的桑叶的制备方法，具体包括：

15、首先将水溶性的具有正交激发-发射特性的双层核壳结构纳米颗粒配置成浓度为8~12 mg/ml、ph值为6~8的分散性良好的纳米颗粒水溶液，然后通过喷雾器均匀地喷洒在新鲜干净的桑叶上，待桑叶自然风干后，最后将风干后的负载双层核壳结构纳米颗粒的桑叶密封在样品袋，放在冰箱冷藏区保持2~5 °c保存备用。

16、进一步地，所述具有正交激发-发射特性的彩色发光蚕丝的制备方法，具体包括：

17、待家蚕进入五龄期后，将负载具有正交激发-发射特性双层核壳结构纳米颗粒的桑叶去开始饲喂家蚕，使桑叶上的该纳米颗粒进入丝腺参与蚕丝的生产。每天饲喂用少量多次的方式，每天喂养5-8次，每次喂食1-3片含纳米颗粒的桑叶，饲喂过程持续14-16天，直到家蚕吐丝结茧，最后将所得的具有正交激发-发射特性的彩色发光蚕丝干燥后密封保存。

18、进一步地，nayf4:nd核纳米颗粒的尺寸为22~33 nm，用于吸收808 nm近红外光的能量；作为第一壳层的naybf4:er的厚度为5~7 nm，用于在808 nm近红外光激发下通过nd→yb→er的能量传递产生绿色上转换发光；在不同激发功率的980 nm近红外光激发下通过yb→er的能量传递产生黄绿色、橙色、橙红色再到红色的动态彩色上转换发光；作为第二壳层的nayf4的厚度为4~7 nm，用于降低表面猝灭效应。

19、与现有技术相比，本发明的优点如下：

20、（1）在纳米颗粒设计及制备方面，利用纳米材料合成仪通过逐层包裹的方法制备nayf4:nd@naybf4:er@nayf4双层核壳结构纳米颗粒，纳米颗粒尺寸在40-60nm。并且通过调节发光层组分和调控能量传递路径（808 nm:nd→yb→er；980 nm:yb→er），在单个发光层中（掺杂单一er3+发光离子）实现了双通道正交激发上转换多色发光。单一镧系发光er3+离子的正交激发多色发光调控（808 nm：绿色发光；980 nm：由黄绿色到橙色、橙红色再到红色发光）可以避免共掺多种镧系发光离子引起的激发光串扰、多色发光相互干扰、有害的能量传递等问题，从而可以获得高发光强度、高色纯度的上转换发光；在基于正交双色或多色上转换发光的核壳结构制备上，该双层结构是包裹壳层数目最少的核壳结构。因此，该双层核壳结构纳米颗粒的制备方法是实现正交激发下双色或多色上转换发光最简单的方法。

21、（2）在发光蚕丝设计及制备方面，纳米材料与蚕丝结合方法和原理方面较之前的研究工作有着本质的区别；传统发光蚕丝是通过对纳米材料进行表面官能团修饰，利用修饰官能团与蚕丝氨基酸侧链进行化学反应使得纳米材料与蚕丝结合。而本发明是通过对油酸包覆的具有正交激发-发射特性的双层核壳结构纳米颗粒用ph为4的稀盐酸进行表面质子化处理，使表面配体以油酸分子的形式脱落下来，从而形成无表面配体的带正电荷的水溶性纳米颗粒，利用物理静电吸附作用使得水溶性纳米颗粒与带负电的蚕丝结合。基于静电吸附方法制备的彩色发光蚕丝具有操作简单、成本低廉、发光性能优异的优点。

22、（3）在发光机理方面，本方法制备的正交激发-发射特性的彩色发光蚕丝是结合两种光频上转换发光机制。在808 nm近红外光激发下通过nd→yb→er的能量传递产生绿色上转换发光；在不同激发功率的980 nm近红外光激发下通过yb→er的能量传递产生黄绿色、橙色、橙红色再到红色的动态彩色上转换发光。与基于下转换发光机制的发光蚕丝（蚕丝包覆有机染料、碳量子点等）相比，近红外光激发产生的上转换发光具有高的生物组织穿透能力、低的生物背景荧光干扰、长的荧光寿命、高的光学稳定性及窄带发射等优点，使得在蚕丝及生物医学应用方面上转换发光纳米颗粒比有机染料和碳量子点有明显的优势。此外，本方法涉及的基于808 nm和980 nm双波长近红外光激发下的两种光频上转换过程是独立存在的、互不干扰的，克服了传统单波长近红外光（980 nm）激发下激发波长单一、发光颜色单调等问题。

23、（4）在发光性能方面，本发明制备的正交激发-发射特性的彩色发光蚕丝在808 nm近红外光照射下可以产生绿色上转换发光；在不同激发功率的980 nm近红外光照射下可以产生由黄绿色到橙色、橙红色再到红色的动态彩色上转换发光变化。相比于单色发光蚕丝而言，彩色发光蚕丝可以提供多个发光颜色通道，使其在彩色发光纺织品、多组分生物成像、多色编码等前沿领域具有广阔的应用潜力。