硅烷修饰镧系配合物用于集成到杂化涂层和纳米颗粒：热传感应用与活细胞标记研究

本研究针对微纳米尺度温度传感中传统技术空间分辨率和侵入性局限，开发了基于新型铕配合物的发光温敏涂层与纳米颗粒。通过铜催化叠氮-炔环加成实现硅烷功能化，成功将配合物嵌入PMMA-硅氧烷-二氧化硅基质，材料展现出优异的热响应性和化学稳定性。该研究为高分辨率温度传感提供了新型非侵入式探针，在细胞成像和生物医学传感领域具有重要应用价值。

　　

在当今传感器市场中，温度测量技术占据重要地位，然而传统方法如热电偶和热敏电阻在微纳米尺度面临根本性挑战。当测量尺度低于10微米时，这些接触式探头不仅会干扰被测系统，还需要复杂的电连接和外围仪器支持。虽然非侵入式技术如红外测温、热反射测量和拉曼测温提供了高空间分辨率，但其固有局限性往往阻碍了精确定量分析的可靠性。

发光测温技术作为一种新兴解决方案，能够实现非侵入式温度测量，提供小于10微米的空间分辨率、大于1% K^?1的相对热灵敏度以及快于1毫秒的采集时间。该方法基于磷光发射的温度依赖性特性，如发射强度变化、发射波长位移或发射寿命改变。在各种磷光材料中，镧系基材料因其4f轨道内的电子跃迁而产生由这些跃迁对应的窄带组成的温度依赖性发射光谱，在从低温到生理条件的广泛温度范围内都具有应用潜力，尤其适用于细胞内温度测量。

卢布尔雅那大学研究团队在先前关于铒/镱共掺杂透明玻璃陶瓷用于热传感的研究中，发现了结构脆性和限于平面表面应用的问题。为了克服这些限制，他们开发了一种能够适应不规则表面同时实现高分辨率热成像的温敏涂层。这项研究成功合成了三种新型炔功能化镧系配合物，其中铕配合物表现出最有前景的热响应特性。

研究人员采用多学科方法开展本研究，主要关键技术包括：1) 通过克莱森缩合和酰胺偶联反应合成炔基功能化配体；2) 采用铜催化叠氮-炔环加成(CuAAC)实现硅烷功能化；3) 通过溶胶-凝胶法制备PMMA-硅氧烷-二氧化硅杂化涂层；4) 使用斯托伯法合成镧系负载二氧化硅纳米颗粒；5) 应用荧光显微光谱系统进行温度依赖性光谱分析；6) 采用激光扫描共聚焦显微镜进行活细胞成像研究。所有实验均使用商业购买的试剂和材料，LA-4肺上皮细胞系按照制造商指南进行培养。

3.1. 合成、晶体结构和光谱性质

研究团队设计了整体合成策略，生产含有可点击炔官能团的铕(Eu)、铽(Tb)和钐(Sm)配合物。配体LH¹和LH²基于已确立的配体结构，分别采用苯甲酰三氟丙酮(BTA)和1-苯基-3-三氟甲基-4-酰基-5-吡唑啉酮(PFAP)为基础，并附加了炔丙基基团。

通过单晶X射线衍射分析显示，所有结晶的镧系配合物都呈现出8配位金属离子典型的方形反棱柱几何结构，这与带有三个β-二酮配体和氮双齿配体(如1,10-菲咯啉)的镧系配合物结构一致。铕配合物在不对称单元中有两个复合分子，其区别在于氧丙炔基的不同旋转位置，而铽配合物结构包含一个氘代氯仿溶剂分子。

在将配合物与(3-叠氮丙基)三乙氧基硅烷反应之前，研究人员通过测量宽光学窗口内的荧光光谱测试了它们的温度敏感性。测试在Miglyol 812溶液中进行，这是一种由辛酸和癸酸甘油三酯组成的介质，选择它是因为其低蒸气压可最大限度地减少实验过程中的蒸发。初步光谱分析显示，只有[Eu(L¹)₃(phen)]在荧光发射中表现出显著的温度依赖性变化，因此被选为最适用于集成到PMMA-硅氧烷-二氧化硅涂层和二氧化硅纳米颗粒中的配合物。

3.2. 铕负载PMMA-硅氧烷-二氧化硅涂层的特性

3.2.1. FTIR涂层表征

ATR-FTIR光谱研究表明，掺有铕配合物的PMMA-硅氧烷-二氧化硅涂层在1566和1593 cm^?1处表现出吸收强度增加，这一区域通常与CH₂/CH₃基团的弯曲模式和芳香环振动相关。这些变化表明由于铕复合物的引入产生了新的化学环境，可能与Eu³⁺离子和有机网络中的电子给体基团之间的配位相互作用有关。

3.2.2. 表面形态和截面结构表征

使用高分辨率场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)结合聚焦离子束(FIB)铣削和能量色散X射线光谱(EDS)分析表明，涂层表面呈现连续且相对光滑的结构，散布着均匀分布的微米和纳米级域。截面视图显示了一个致密的涂层结构，测量厚度超过4微米，没有出现分层、微裂纹或界面空隙，表明与铝基材具有良好的粘附性和优异的结构一致性。

EDS元素分析证实了硅(Si)、氧(O)和碳(C)的大量存在，这是PMMA-硅氧烷-二氧化硅基质的特征。值得注意的是，还检测到了明显的铕信号，证实了[Eu(L¹)₃(phen)]-Si成功掺入涂层中。

3.3. 镧系负载二氧化硅纳米颗粒的特性

使用成熟的斯托伯溶胶-凝胶二氧化硅合成方法制备了镧系复合物包含的二氧化硅纳米颗粒，该方法基于 tetraethoxysilane(TEOS)在水、乙醇和氨水混合物中的水解和缩合。有趣的是，镧系复合物在乙醇和DMSO混合物中的溶解度因镧系元素的不同而不同，其中[Sm(L¹)₃(phen)]-Si和[Eu(L¹)₃(phen)]-Si不能完全溶解，溶液保持浑浊，而[Tb(L²)₃(phen)]-Si完全溶解于乙醇和DMSO中，形成澄清溶液。

合成的纳米颗粒相对单分散，SiNP-Eu、SiNP-Sm和SiNP-Tb的平均流体动力学尺寸分别为(208.4 ± 43.6) nm、(185.7 ± 32.5) nm和(142.2 ± 15.3) nm。Zeta电位测量显示，所有三个纳米颗粒样品在pH 3和4之间具有相似的等电点，在较高pH值下均显示出高负zeta电位值，在pH 6左右达到-40 mV。

3.4. 含[Eu(L¹)₃(phen)]-Si的PMMA-硅氧烷-二氧化硅涂层的温度依赖性荧光光谱

铕负载涂层在室温下的峰值归一化荧光光谱显示，吸收光谱和荧光光谱不重叠，表现出较大的斯托克位移。对于这种特定配合物，红铕Eu³⁺发射光谱通常显示与⁵D₀ → ⁷F_J跃迁(J = 0-4)相关的谱带。

研究人员重点研究了约589和611 nm处的两个突出峰，它们被非常窄的能量间隔ΔE = 611 cm^?1分隔，分别对应⁵D₀ → ⁷F₁和⁵D₀ → ⁷F₂电子跃迁。研究发现，611 nm处最主要峰的荧光强度在观察的温度范围内显著降低，荧光光谱的半高全宽(FWHM)带宽为14 nm。

通过线性最小二乘拟合35°C至70°C之间的数据，确定了荧光强度的温度敏感性，相对于35°C的强度，其值约为-1.7%每开尔文。拟合优度通过0.98的R平方值确认。归一化光谱显示两个发射峰都没有蓝移或红移，在升高温度下也没有显著的光谱展宽或变窄。

3.5. 活肺上皮细胞的荧光成像

为了测试含铕、钐和铽复合物的二氧化硅纳米颗粒在生物样品中荧光成像的适用性，研究人员使用405 nm激发的激光扫描共聚焦荧光显微镜在无色细胞培养基中对它们进行了成像。尽管颗粒具有均匀的尺寸分布，但它们的荧光强度非常不均匀。SiNP-Eu和SiNP-Sm中某些颗粒的荧光强度显著大于细胞自身的自发荧光。

研究人员还将镧系负载二氧化硅纳米颗粒与活肺上皮细胞(LA-4细胞系)一起孵育1天后进行成像，以评估它们作为细胞内温度计的潜在用途。结果显示，SiNP-Eu主要观察到在细胞外部，偶尔观察到内化颗粒。SiNP-Sm和SiNP-Tb的荧光信号与自发荧光相比太弱，无法得出关于它们内化的任何结论。令人鼓舞的是，在1天暴露后，研究人员在纳米颗粒暴露的细胞中没有观察到任何可见的细胞毒性效应。

本研究成功开发并表征了硅烷修饰的镧系配合物，可集成到PMMA-硅氧烷-二氧化硅涂层和二氧化硅纳米颗粒中，展示了它们在高分辨率温度传感和活细胞标记方面的潜力。通过CuAAC反应与硅醚功能化的铕基配合物被选中最有前景的热响应特性，使其能够融入PMMA-硅氧烷-二氧化硅基质和二氧化硅纳米颗粒中。

开发的温敏涂层表现出强大的化学稳定性、机械坚固性和高空间分辨率，使其非常适用于非侵入式热传感应用。荧光显微镜证实了它们对温度变化的响应能力，在35°C至70°C之间灵敏度约为-1.7%每开尔文。虽然观察到一些光漂白现象，但材料在优化条件下保持了足够的稳定性，表明它们在热成像方面的可行性。

此外，共聚焦显微镜证实，铕负载二氧化硅纳米颗粒在肺上皮(LA-4)细胞中表现出一定的内化作用，其信号可与细胞自发荧光区分开。这些发现突出了它们作为细胞应用生物成像探针的潜力，特别是在需要精确基于荧光的温度监测的环境中。重要的是，没有观察到视觉细胞毒性效应，进一步支持了它们在生物医学应用中的适用性。

尽管存在与光稳定性相关的挑战，但本研究结果为进一步开发镧系基发光材料用于热传感和生物分析应用奠定了坚实基础。未来的工作将侧重于增强光稳定性并优化配体结构，以扩展它们在长期成像和传感环境中的可用性。这项研究的发现为开发新型非侵入式温度传感技术提供了重要参考，特别是在生物医学研究和临床诊断领域具有广阔应用前景。