CN103521167A - 一种硅基稀土掺杂型荧光复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种硅基稀土掺杂型荧光复合材料的制备方法，属环境功能材料制备技术领域。首先利用表面保护蚀刻技术来合成多孔的二氧化硅纳米材料，聚乙烯吡咯烷酮作为保护剂吸附于二氧化硅表面，再利用氢氧化钠蚀刻形成多孔的二氧化硅纳米材料。然后在低温低压下将稀土掺杂的钒酸盐纳米发光材料负载于多孔二氧化硅表面，形成核壳式硅基稀土复合材料，并将其用于光学检测三氟氯氰菊酯。研究发现一定浓度三氟氯氰菊酯对合成的荧光复合材料的荧光具有猝灭作用，并在一定的范围内符合Stern-Volmer方程。据此可知，所合成的硅基稀土掺杂型荧光复合材料具有定性和定量检测水溶液中残留菊酯农药的能力。

Description

一种硅基稀土掺杂型荧光复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种硅基稀土掺杂型荧光复合材料的制备方法，属环境功能材料制备技术领域。
背景技术
随着分析要求的不断提高，特别是药物分析、环境分析、食品分析和产品检测需求的日益增长，传感器作为重要的检测器件，越来越受到人们的关注。有机与生物敏感材料具有良好的分子识别功能，其中的分子印迹聚合物材料可以针对目标物“量体裁衣”定制，实现对目标分子的专一识别，可与天然的生物识别系统（酶与底物）相媲美，具有制备简单、稳定性好、寿命长、以保存、造价低廉等特点，在固相萃取、手性分离、模拟生物抗体、催化及以及合成方面得到了广泛的应用，是解决环境、生物等复杂体系内特定目标分子高选择性识别的简捷、可靠手段。
多孔的二氧化硅作为吸附剂处理环境污染物已经得到了广泛的应用。多孔二氧化硅纳米颗粒可以获得小的尺寸，高亲水性而不容易团聚膨胀，高生物适应性不易被微生物袭击，高光稳定性，并且易于改良与生物分析的结合，由于二氧化硅纳米颗粒具有较大的颗粒密度使它易于从溶液中分离。
稀土掺杂钒酸盐类荧光材料长久以来就被广泛采用并且作为一种行之有效的方法。掺杂稀土发光材料具有毒性低、化学稳定性高、发光强度高而稳定、stokes位移大等一系列特点，并且还具有独特的上转换发光特性，可望发展成为一类新型的具有发展前景的发光生物标记材料。
将稀土掺杂的钒酸盐纳米颗粒负载于多孔二氧化硅的表面，制得核壳式的硅基荧光氟和材料，利用环境污染物对荧光的猝灭作用，可以达到定性和定量检测环境污染物的能力
拟除虫菊酯类杀虫剂如三氟氯氰菊酯等，由于具有杀虫性高、在蔬菜和水果中的残留量较低等特点，在我国广泛使用。因此，利用硅基稀土掺杂型荧光复合材料的传感器达到快速、方便检测残留量的研究成为必要。
发明内容
首先利用表面保护蚀刻技术来合成多孔的二氧化硅纳米材料，聚乙烯吡咯烷酮作为保护剂吸附于二氧化硅表面，再利用氢氧化钠蚀刻形成多孔的二氧化硅纳米材料。然后在低温低压下将稀土掺杂的钒酸盐纳米发光材料负载于多孔二氧化硅表面，形成核壳式硅基稀土复合材料，并将其用于光学检测三氟氯氰菊酯。研究发现一定浓度三氟氯氰菊酯对合成的荧光复合材料的荧光具有猝灭作用，并在一定的范围内符合Stern−Volmer方程。据此可知，所合成的硅基稀土掺杂型荧光复合材料具有定性和定量检测水溶液中残留菊酯农药的能力。
本发明采用的技术方案是：
一种稀土掺杂型荧光印迹聚合物的制备方法，按照下述步骤进行：
(1)纳米二氧化硅（SiO2）的合成：将正硅酸乙酯（TEOS）、水和无水乙醇按照体积比为9ml：（45-55）ml：（30-35）ml的比例加入到三口烧瓶中，室温搅拌下再在上述溶液中滴加15-20ml(假设前面是比例？后面再加具体的15-20ml，这个试验能做吗？)的质量分数为25%的氨水（NH3·H2O），继续搅拌1h,即形成胶状的悬浮液。高速离心分离并用乙醇和水分别洗涤得到150nm的二氧化硅；
（2）多孔二氧化硅（mSiO2）的制备：将上述制备的纳米二氧化硅（SiO2）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）按照质量比为0.8g：（1.0-5.0g）的比例超声分散于150ml（同上！）水中，在50℃下机械搅拌1h后冷却至室温，再在溶液中加入（0.2-0.3g）NaOH，室温下搅拌15h，溶液变得更加透明。离心分离并用乙醇、水分别洗涤，60℃烘干备用。
（3）稀土铕掺杂的钒酸钇盐修饰的多孔二氧化硅的制备（mSiO2/YVO4:Eu3+）：a）首先将氧化钇（Y2O3）和氧化铕（Eu2O3）按照质量比为0.2145g：（0.00587-0.0352g）的比例溶解于稀硝酸中，加热蒸发除去多余的硝酸，制得钇和铕的硝酸盐，并分散于40ml的水中；b）将偏钒酸铵（NH4VO3）（按照以氧化钇（Y2O3）和氧化铕（Eu2O3）的质量总和的2倍）加入到40ml的水中超声10min，再用2M的NaOH溶液调节pH值为13至上述溶液变为透明。然后将制备的多孔二氧化硅（mSiO2）（0.1-0.5）g加入到溶液中，并超声分散。最后将a）所制得的溶液逐滴加入其中，80℃下强力搅拌2h，最终的产品分别用乙醇和水洗涤，并于60℃下烘干。
本发明的技术优点：以多孔的二氧化硅为基质材料，在低温低压下利用简单的湿化学法在多孔的二氧化硅表面负载了稀土掺杂的钒酸钇纳米颗粒，获得了核壳式的硅基稀土掺杂型荧光复合材料；利用本发明获得的荧光复合材料具有较好水相分散性和光学稳定性，能实现快速识别和光学检测三氟氯氰菊酯的能力。
附图说明
图1 SiO2(a)与mSiO2(b)的扫描电镜图。从图中可知SiO2的平均粒径为150nm，经由NaOH蚀刻得到的多孔二氧化硅表面变得相对粗糙，而且形成了像羊毛线圈的结构。
图2 SiO2（a）、mSiO2（b）以及mSiO2/YVO4:Eu3+（c）的透射电镜图。可以看出所制得的mSiO2与SiO2的比较粒径没有很大的变化，但原始的固体球变成了多孔结构的二氧化硅，图2（c）可以看出YVO4:Eu3+的纳米颗粒负载于多孔的二氧化硅表面形成了核壳式结构的复合材料。
图3 YVO4:Eu3+的透射图谱（a）与x射线能量色散图谱（EDS）（b）。由图可知YVO4:Eu3+为规整的纺锤形结构的纳米颗粒构成，直径为30-50nm，长度为80-120nm。EDS能谱中确定了YVO4:Eu3+的样品中钇（Y）、氧（O）、钒（V）、铕（Eu）元素的存在。
图4 YVO4:Eu3+和mSiO2/YVO4:Eu3+的x射线衍射图谱（XRD）。在2θ=20◦左右的峰对应为无定型硅的峰，2θ=24.81◦、2θ=33.43◦和2θ=49.85◦的峰分别对应于YVO4在(200)、(112)和(312)的晶型。说明YVO4:Eu3+成功的负载于多孔二氧化硅的表面。
图5 mSiO2、mSiO2/YVO4:Eu3+和YVO4:Eu3+的红外图谱。对于mSiO2，3445cm-1对应为OH-的伸缩振动峰，1093cm-1和800cm-1分别对应Si-O-Si的反对称和对称伸缩振动峰，959cm-1对应于S-OH的对称伸缩振动峰，469cm-1为Si-O的弯曲振动峰。对于纯的YVO4:Eu3+在811cm-1和457cm-1出现了V-O(来自于VO4 3-) 和Y(Eu)-O的吸收峰。而这些峰在mSiO2/YVO4:Eu3+中都有出现，说明了YVO4:Eu3+成功负载与mSiO2的表面。
图6 YVO4:Eu3+和mSiO2/YVO4:Eu3+的紫外吸收图谱和激发发射图谱。在激发波长276nm下得到了YVO4:Eu3+和mSiO2/YVO4:Eu3+的发射峰。发现YVO4:Eu3+和mSiO2/YVO4:Eu3+具有相同的发射波长只是相对强度不同而已，二者皆归于Eu3+的特征发射峰。
图7 在室温条件下mSiO2/YVO4:Eu3+的光学稳定性。由图可知，此物质在30天内波动范围很小，因此具有相对稳定的的光学性质。
图8不同时间内酸碱度对mSiO2/YVO4:Eu3+光学性质的影响。从图中可知，在强酸和强碱的环境中，随着时间的推移，荧光强度逐渐减弱，而在中性条件下（pH=7.0）时保持相对稳定的光学性质。
图9 mSiO2/YVO4:Eu3+在室温条件下的吸附等温线。由图可知曲线复合朗格缪尔单分子层吸附模型。
图10 mSiO2/YVO4:Eu3+在室温条件下的吸附动力学。图中模拟了一级和二级动力学模型。说明曲线复合准一级动力学模型，即吸附过程的主要控制速率为物理过程。
图11 不同浓度的三氟氯氰菊酯溶液对mSiO2/YVO4:Eu3+荧光强度的影响。从图中更可以看出，随着三氟氯氰菊酯浓度的增加，mSiO2/YVO4:Eu3+一个强度随之减弱。说明三氟氯氰菊酯对mSiO2/YVO4:Eu3+荧光具有一定的猝灭作用。
图12 mSiO2/YVO4:Eu3+对三氟氯氰菊酯的响应曲线及图谱。随着三氟氯氰菊酯浓度的升高，荧光强度减弱，根据Stern-Volmer方程绘制的荧光响应曲线，得到相关系数为0.9819的线性关系。由此可知此方法可以用于定性和定量检测水溶液中三氟氯氰菊酯的能力。
具体实施方式
本发明具体实施方式中吸附和光学检测性能评价按照下述方法进行：1）吸附动力学：用于测试mSiO2/YVO4:Eu3+的吸附过程，取起始浓度为50μmol/L的三氟氯氰菊酯与5ml试管中并加入一定的吸附剂，放于室温的水浴锅中，不同时间下利用紫外分光光度计检测mSiO2/YVO4:Eu3+对三氟氯氰菊酯的吸附量。2）吸附等温线：测试mSiO2/YVO4:Eu3+的吸附容量。取5mg吸附剂分散于5ml具有不同浓度的三氟氯氰菊酯的溶液中，放置12h后，利用紫外分光光度计检测mSiO2/YVO4:Eu3+的对三氟氯氰菊酯的吸附容量。3）荧光光谱检测：将5ml一定浓度的三氟氯氰菊酯加入到比色管中，调节pH值为7.0，加入一定量的mSiO2/YVO4:Eu3+，室温下震荡12h，利用荧光检测器测试不同浓度下溶液的荧光强度。根据Stern-Volmer方程(
Figure 2013104742167100002DEST_PATH_IMAGE001
)以浓度[
Figure 310742DEST_PATH_IMAGE002
]为横坐标，相对荧光强度(
Figure 2013104742167100002DEST_PATH_IMAGE003
)为纵坐标绘制荧光响应曲线。
下面结合具体实施实例对本发明做进一步说明。
实施例1：
1、纳米二氧化硅（SiO2）的合成：取9ml正硅酸乙酯（TEOS），50ml水和18ml质量分数为25%的氨水（NH3·H2O）加入33ml的无水乙醇中，室温下搅拌1h,即形成胶状的悬浮液。高速离心分离并用乙醇和水分别洗涤得到150nm的二氧化硅，如图1a和图2a所示；
2、多孔二氧化硅（mSiO2）的制备：取0.8g上述制备的纳米二氧化硅（SiO2）和2g聚乙烯吡咯烷酮（PVP）超声分散于150ml水中，在50℃下机械搅拌1h后冷却至室温，再在溶液中加入0.25gNaOH，室温下搅拌15h，溶液变得更加透明。离心分离并用乙醇、水分别洗涤，60℃烘干备用。如图1b和图2b所示制得的mSiO2与SiO2的比较粒径没有很大的变化，但原始的固体球变成了多孔结构的二氧化硅；
3、稀土铕掺杂的钒酸钇盐修饰的多孔二氧化硅的制备（mSiO2/YVO4:Eu3+）：a）首先将0.2145g氧化钇（Y2O3）和0.0176g氧化铕（Eu2O3）溶解于稀硝酸中，加热蒸发除去多余的硝酸，制得钇和铕的硝酸盐，并分散于40ml的水中；b）将0.234g偏钒酸铵（NH4VO3）加入到40ml的水中超声10min，再用2M的NaOH溶液调节pH值为13至上述溶液变为透明。然后将制备的多孔二氧化硅（mSiO2）0.2g加入到溶液中，并超声分散。最后将a）所制得的溶液逐滴加入其中，80℃下强力搅拌2h，最终的产品分别用乙醇和水洗涤，并于60℃下烘干。如图2c所示YVO4:Eu3+成功负载与mSiO2表面，图3的YVO4:Eu3+的透射图谱与EDS能谱图、图4的XRD图、图5的红外图谱以及图6荧光激发发射图谱都说明了核壳式的硅基稀土掺杂型荧光复合材料的成功合成。
试验例1：取5ml初始浓度分别为0、10、20、30、40、50、60、70、80μmol/L的三氟氯氰菊酯溶液加入到比色管中，用稀盐酸或稀氨水调节pH值为7.0，分别加入5mg吸附剂mSiO2/YVO4:Eu3+，室温下振荡12h，离心分离，并在238nm下利用紫外分光光度计检测溶液中三氟氯氰菊酯的平衡浓度。利用公式
Figure 187431DEST_PATH_IMAGE004
（
Figure 2013104742167100002DEST_PATH_IMAGE005
(µmol L-1)为吸附量，
Figure 635992DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 2013104742167100002DEST_PATH_IMAGE007
(µmol L-1)分别为起始浓度和平衡浓度，
Figure 27659DEST_PATH_IMAGE008
(L)溶液体积，m(g)为吸附剂用量）计算得吸附量，并模拟朗格缪尔单分子层吸附模型。图9的吸附等温线说明此吸附过程符合朗格缪尔单分子层吸附模型。
实验例2：取5ml初始浓度50μmol/L的三氟氯氰菊酯溶液加入到比色管中，用稀盐酸或稀氨水调节pH值为7.0，分别加入5mg吸附剂mSiO2/YVO4:Eu3+，室温条件下放置不同时间，离心分析，用紫外分光光度计检测溶液中三氟氯氰菊酯的平衡浓度。数据模拟准一级和准二级动力学模型。如图10所示，所得数据符合准一级动力学模型，说明此吸附过程的主要控制速率为物理吸附。
试验例3：首先考察了所得聚合物的荧光时间稳定性（如图7所示）和酸碱度值对荧光强度的影响（如图8所示）。最后选择对荧光强度影响小的pH=7的溶液做荧光测试实验。取5ml初始浓度分别为0、10、20、30、40、50、60、70、80μmol/L的三氟氯氰菊酯溶液加入到比色管中，用稀盐酸或稀氨水调节pH值为7.0，分别加入5mg吸附剂mSiO2/YVO4:Eu3+，室温下振荡12h，利用荧光检测器选择276nm为激发波长，测试不同浓度下溶液的发射波长在617nm处的荧光强度。绘制不同浓度下的荧光强度曲线，并根据Stern-Volmer方程(
Figure 226559DEST_PATH_IMAGE001
)以浓度[
Figure 957755DEST_PATH_IMAGE002
]为横坐标，相对荧光强度(
Figure 951119DEST_PATH_IMAGE003
)为纵坐标绘制荧光响应曲线。如图11所示，溶液的荧光强度随着三氟氯氰菊酯的浓度的增加而减弱，说明三氟氯氰菊酯对此体系的荧光具有一定的猝灭作用。从图12中可知，根据Stern-Volmer方程得到了一条相关系数为0.9819的线性曲线，说明了此方法还有定量检测水中三氟氯氰菊酯的能力。

Claims (4)

1.一种硅基稀土掺杂型荧光复合材料的制备方法，其特征在于按照下述步骤进行：
(1)纳米二氧化硅（SiO2）的合成：取正硅酸乙酯（TEOS），水和无水乙醇加入到三口烧瓶中，室温搅拌下再在上述溶液中滴加质量分数为25%的氨水（NH3·H2O），继续搅拌1h,即形成胶状的悬浮液；
高速离心分离并用乙醇和水分别洗涤得到二氧化硅；
（2）多孔二氧化硅（mSiO2）的制备：取上述制备的纳米二氧化硅（SiO2）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）超声分散于水中，在50℃下机械搅拌1h后冷却至室温，再在溶液中加入NaOH，室温下搅拌15h，溶液变得更加透明；
离心分离并用乙醇、水分别洗涤，60℃烘干备用；
（3）稀土铕掺杂的钒酸钇盐修饰的多孔二氧化硅的制备（mSiO2/YVO4:Eu3+）：a）首先将氧化钇（Y2O3）和氧化铕（Eu2O3）溶解于稀硝酸中，加热蒸发除去多余的硝酸，制得钇和铕的硝酸盐，并分散于40ml的水中；b）将偏钒酸铵（NH4VO3）（按照以氧化钇（Y2O3）和氧化铕（Eu2O3）的质量总和的2倍）加入到的水中超声10min，再用2M的NaOH溶液调节pH值为13至上述溶液变为透明；
然后将制备的多孔二氧化硅（mSiO2）加入到溶液中，并超声分散；最后将a）所制得的溶液逐滴加入其中，80℃下强力搅拌2h，最终的产品分别用乙醇和水洗涤，并于60℃下烘干。
2.根据权利要求1所述的一种硅基稀土掺杂荧光型复合材料的制备方法，其特征在于其中步骤（1）中所述的正硅酸乙酯（TEOS）：水：NH3·H2O：无水乙醇的体积比为9：（45-55）：（15-20）：（30-35）。
3.根据权利要求1所述的一种硅基稀土掺杂型荧光复合材料的制备方法，其特征在于其中步骤（2）中所述的二氧化硅（SiO2）：聚乙烯吡咯烷酮（PVP）：水：NaOH的质量和体积比为0.8：（1.0-5.0）：150：（0.2-0.3）（g/g/ml/g）。
4.根据权利要求1所述的一种硅基稀土掺杂型荧光复合材料的制备方法，其特征在于其中步骤（3）中所述的氧化钇（Y2O3）：氧化铕（Eu2O3）：水：多孔二氧化硅（mSiO2）的质量和体积比为0.2145：（0.00587-0.0352）：80：（0.1-0.5）（g/g/ml/g）；（偏钒酸铵（NH4VO3）的质量为氧化钇（Y2O3）和氧化铕（Eu2O3）的质量总和的2倍。
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