CN104059669A

CN104059669A - 一种具有多色发光光谱的复合上转换纳米探针及其制备方法与应用

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Publication number: CN104059669A
Application number: CN201410314064.9A
Authority: CN
Inventors: 袁荃; 胡晓霞; 魏婷; 王杰
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2014-07-03
Filing date: 2014-07-03
Publication date: 2014-09-24
Anticipated expiration: 2034-07-03
Also published as: CN104059669B

Abstract

本发明公开了一种具有多色发光光谱的复合上转换纳米探针及其制备方法与应用。通过将PEI-NaYF₄:Yb,Tm和PAA-NaYF₄:Yb,Er按3:1的质量比混合均匀，得到具有多色发光光谱的复合上转换纳米探针，该探针为稀土基上转换发光纳米材料，它具有多个可见发光带光谱，因此可以实现比例荧光可视化检测。利用该探针作为主体材料制备的TNT检测试纸，在波长为980nm光源的激发下，通过试纸的荧光颜色是否改变来判断TNT是否存在。这种上转换发光材料是基于近红外光源激发的，它能够很好地克服背景荧光干扰，从而使检测灵敏度得到很大程度的提高；本发明使用的主体材料合成方法简单易行，试纸基底价格低廉，此TNT检测试纸及其激发光源便于携带，操作简单以及可靠性高，因此它非常适合应用于安检现场。

Description

一种具有多色发光光谱的复合上转换纳米探针及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及一种具有多色发光光谱的复合上转换纳米探针及其制备方法与应用，属于化学检测领域。

技术背景

根据媒体报道，最近世界各种涉及爆炸的恐怖袭击事件频繁发生。由于三硝基甲苯（TNT）爆炸能量高，价格便宜，因此常被恐怖袭击分子作为爆炸物使用。通常恐怖袭击分子把爆炸物隐藏在隐秘的地方会捆绑在人质或自己身上，这样对TNT的及时检测带来了极大的困难。但是，即使很小心地隐藏爆炸物，还有会有极少量的TNT残留在包裹炸药的包装袋或者携带者的衣服上，所以亟需发展一种能够便捷地对少量TNT进行现场检测的方法。

近年来，TNT检测技术虽然取得了很大的进展，但是检测方法仍然停留在需要依赖大型检测仪器或复杂检测器件的水平上，这些检测技术涉及的仪器复杂昂贵，而且样品检测需要在实验室条件下进行，不能实现现场实时检测，因此这些传统方法还很难达到实用化的程度。由于恐怖袭击事件经常发生于封闭性的公共场所，比如火车站、地铁站、银行等，所以在公共场所的安检过程中，迫切需要开发一种便携简单的高灵敏度、高选择性的TNT检测技术。

中国专利《一种TNT比色荧光检测探针及其应用方法》，申请号201310252703.9，公开了一种牛血清白蛋白功能化的金纳米簇作为比色和双重检测探针，将稀释后的BSA-GNPs溶液被作为纳米检测探针，与待测的样品按体积比为1∶1的量混合反应，观察TNT的颜色变化。还可以作为比色检测探针，在普通的日光条件下即可通过比色法检测出TNT的存在。但这种方法存在背景荧光干扰，而由于在安检等环境复杂的场合，TNT附着表面环境复杂，所以对于发展一种能有效克服背景荧光从而提高检测灵敏度的方法是非常有必要的。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种简单便携的高灵敏度的TNT检测技术来对TNT进行现场实时检测，而且能使这种检测技术应用于批量的工业生产，从而可以广泛应用于实际生活中。

本发明提供一种具有多色发光光谱的复合上转换纳米探针及其制备方法，另外提供一种基于复合上转换纳米探针的TNT检测试纸。

本发明所提供的技术方案具体如下：

一种具有多色发光光谱的复合上转换纳米探针的制备方法，包括以下步骤：将聚醚酰亚胺修饰的NaYF₄:Yb,Tm纳米颗粒溶解于水中，形成PEI-NaYF₄:Yb,Tm水溶液；将聚丙烯酸修饰的NaYF₄:Yb,Er纳米颗粒溶解于水中，形成PAA-NaYF₄:Yb,Er水溶液；然后按聚醚酰亚胺修饰的NaYF₄:Yb,Tm和聚丙烯酸修饰的NaYF₄:Yb,Er质量比为3:1将PEI-NaYF₄:Yb,Tm水溶液和PAA-NaYF₄:Yb,Er水溶液混合均匀，即得到具有多色发光光谱的复合上转换纳米探针。

所述的聚醚酰亚胺修饰的NaYF₄:Yb,Tm纳米颗粒，通过以下方法制备：分别准确量取8.15、1.8、0.05 mL 浓度为0.2 M的氯化钇、氯化镱、氯化铥溶液混合均匀，然后加入10 mL 0.2 M 的氯化钠溶液、20 mL质量分数为5%的聚乙烯亚胺溶液及60 mL 乙醇，充分搅拌；然后加入12 mmol 氟化铵固体，室温下充分搅拌10分钟后，将混合液转移到水热釜中，水热釜置于200℃下反应24小时，自然冷却至室温后离心，产物再用乙醇与水将产物分别洗涤3遍，最后将洗净的产物分散在水中，即得到聚醚酰亚胺修饰的NaYF₄:Yb,Tm纳米颗粒。

所述的聚丙烯酸修饰的NaYF₄:Yb,Er纳米颗粒，通过以下方法制备：将30 mL二甘醇和300 mg PAA-1800加入三口圆底烧瓶中，在氩气保护下将温度升至110 °C，同时将100 mg油酸修饰的NaYF₄:Yb,Er纳米颗粒分散于10 mL甲苯-三氯甲烷的混合溶液中，甲苯和三氯甲烷的体积比为1:1；待反应溶液呈透明状，将混合溶液逐滴加入到烧瓶中，在氩气保护下反应1时后将反应温度升至240 °C，在氩气保护下继续反应1.5小时，停止加热，继续搅拌冷取至室温后，将反应产物转移至离心管，加入乙醇将产物析出，离心；然后用体积比为1:1的乙醇和水将产物洗涤3遍，最后将洗净的产物分散在水中，即得到聚丙烯酸修饰的NaYF₄:Yb,Er纳米颗粒。

所述的油酸修饰的NaYF₄:Yb,Er纳米颗粒，通过以下方法制备：准确称取0.78 mmol 三氟乙酸钇、0.2 mmol 三氟乙酸镱、0.02 mmol 三氟乙酸铒、1mmol 三氟乙酸钠于三口圆底烧瓶中，再加入4 mL 油酸和3 mL 十八碳烯；在氩气保护下将温度升至120 °C搅拌反应0.5小时，接着将温度继续升至340 °C 反应0.5小时；停止加热，继续搅拌使反应装置自然冷却至室温；将反应产物转移至离心管中，加入乙醇使产物析出，离心得到产物；用环己烷和乙醇洗涤三次，离心得到的固体产物在60 °C下干燥过夜，即得到油酸修饰的NaYF₄:Yb,Er纳米颗粒。

一种具有多色发光光谱的复合上转换纳米探针，通过上述的制备方法制备得到。

上述的复合上转换纳米探针在TNT检测领域中的应用。

一种TNT检测试纸的制备方法，包括以下步骤：将防水垫片黏在干净的白色硬纸小片上，然后在防水垫片上贴上用于检测的滤纸圆片，将上述具有多色发光光谱的复合上转换纳米探针均匀固定到滤纸圆片上，得到TNT检测试纸。

本发明所提供的TNT检测试纸属于荧光试纸，在980 nm 光源激发下，可通过试纸荧光颜色是否改变来判断TNT是否存在。本发明使用的主体材料为稀土基上转换发光纳米材料，它具有多个可见发光带光谱，因此可以实现比例荧光可视化检测，从而使检测灵敏度以及准确性都可以得到保证。此外，由于这种上转换发光材料是基于近红外光源激发的，所以它能够很好地克服背景荧光干扰，从而使检测灵敏度得到很大程度的提高。本发明近红外激发光源成本低，而且小型便于携带。

本发明具有以下优点和有益效果：

（1）本发明提供的复合上转换纳米材料荧光探针灵敏度高、准确性和选择性好，检测线低。

（2）本发明不需要使用大型仪器设备，检测结果裸眼可见。

（3）本发明使用的主体材料合成方法简单易行。

（4）本发明主体材料容易合成，发光效率高，所需用量少。

（5）本发明试纸基底价格低廉，可以实现对此检测试纸进行批量生产。

（6）本发明TNT检测试纸便于携带，操作简单以及可靠性高，因此它非常适合应用于安检现场。

附图说明

图1为复合上转换纳米荧光探针的荧光光谱图。

图2为复合上转换纳米荧光探针对TNT及TNT类似物检测的紫外-可见光谱图。

图3为TNT检测试纸的制作流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

（1）表面功能化的具有蓝色荧光发射的上转换发光主体纳米材料 (PEI包覆的掺杂Yb和Tm的NaYF₄：PEI-NaYF₄：Yb, Tm)的制备：主要合成步骤参照文献报道的方法 [Wang F, Liu X G, Upconversion Multicolor Fine-Tuning: Visible to Near-Infrared Emission from Lanthanide-Doped NaYF₄ Nanoparticles [J]. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130 (17): 5642–5643.]。合成的PEI-NaYF₄：Yb, Tm具有一定的光谱特性：上转换荧光发射峰在477 nm处与808 nm处的比例为2:1。

本发明通过调控掺杂比例合成了具有上述光谱性质的PEI-NaYF₄:Yb,Tm纳米颗粒。具体实验步骤如下：用移液枪分别准确量取8.15、1.8、0.05 mL 浓度为0.2 M的氯化钇、氯化镱、氯化铥溶液于200 mL 烧杯中；然后向烧杯中加入10 mL 0.2 M 的氯化钠溶液、20 mL质量分数为5%的聚乙烯亚胺（PEI）溶液以及60 mL 乙醇，充分搅拌；然后加入12 mmol 氟化铵固体，室温下充分搅拌10分钟后，将混合液转移到100 mL的水热釜中，然后将水热釜拧紧，放入烘箱中，将温度设置到200 °C反应24小时；待反应完成后，打开烘箱将温度自然冷却至室温，离心得到产物，再用乙醇与水将产物分别洗涤3遍，最后将洗净的产物分散在水中，即得到PEI修饰的NaYF₄:Yb,Tm纳米颗粒。PEI-NaYF₄:Yb,Tm纳米颗粒的外面被PEI包覆，溶于水；颗粒尺寸均匀，粒径为200 nm左右，晶相为立方相；荧光发射光谱中，477 nm与808 nm处的峰强为I₄₇₇/I₈₀₈=2:1；在980 nm光源激发下，PEI-NaYF₄:Yb,Tm纳米材料发出蓝色荧光。

（2）表面功能化的具有绿色荧光发射的上转换发光主体纳米材料（油酸（OA）包覆的掺杂Yb和Er的NaYF₄： OA-NaYF₄：Yb, Er）根据文献报道的方法制备[Mai H X, Zhang Y W, Si R, Yan Z G, Sun L D, You L P, Yan C H, High-quality sodium rare-earth fluoride nanocrystals:? controlled synthesis and optical properties [J]. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128 (19): 6426–6436.]，具体合成方法如下：准确称取0.78 mmol 三氟乙酸钇、0.2 mmol 三氟乙酸镱、0.02 mmol 三氟乙酸铒、1mmol 三氟乙酸钠于50 mL的三口圆底烧瓶中，再量取4 mL 油酸和3 mL 十八碳烯于上述烧瓶中；在氩气保护下将温度升至120 °C搅拌反应0.5小时，接着将温度继续升至340 °C 反应0.5小时；停止加热，继续搅拌使反应装置自然冷却至室温；将反应产物转移至离心管中，加入乙醇使产物析出，离心得到产物；用环己烷和乙醇洗涤三次，离心得到的固体产物在60 °C下干燥过夜，即得到干燥的油酸修饰的NaYF₄:Yb,Er纳米颗粒。OA-NaYF₄:Yb,Er纳米颗粒外面被油酸包覆，不溶于水，溶于环己烷；颗粒尺寸均匀，粒径为260 nm左右，晶相为立方相；荧光发射光谱中，具有多个可见光谱带，分别是545 nm处的绿光光谱带和658 nm处的红色光谱带；在980 nm光源激发下，OA-NaYF₄:Yb,Er纳米颗粒发出绿色荧光。

（3）包覆聚丙烯酸（PAA）的具有绿色荧光发射的上转换发光主体纳米材料（聚丙烯酸修饰的NaYF₄:Yb,Er纳米材料）根据文献 [Xiong L Q, Yang T S, Yang Y, Xu C J, Li F Y, Long-term in vivo biodistribution imaging and toxicity of polyacrylic acid-coated upconversion nanophosphors. Biomaterials 2010, 31 (27): 7078–7085.]制备，其具体合成方法如下：将30 mL二甘醇和300 mg PAA-1800加入100 mL三口圆底烧瓶中，在氩气保护下将温度升至110 °C，同时将100 mg 步骤（2）得到油酸修饰的NaYF₄:Yb,Er纳米颗粒分散于10 mL甲苯和三氯甲烷的混合溶液(V_甲苯: V_三氯甲烷=1:1)中；待反应溶液呈透明状，将混合溶液逐滴加入到烧瓶中，在氩气保护下反应1小时后将反应温度升至240 °C，在氩气保护下继续反应1.5小时，停止加热，继续搅拌冷取至室温后，将反应产物转移至离心管，加入乙醇将产物析出，离心；然后用体积比为1:1的乙醇和水将产物洗涤3遍，最后将洗净的产物分散在水中，即得到PAA修饰的NaYF₄:Yb,Er纳米颗粒。PAA-NaYF₄:Yb,Er纳米颗粒外面被PAA包覆，表面修饰羧基，易溶于水。

（4）具有多色发光光谱的复合上转换纳米探针的制备：将步骤（1）所制备的聚醚酰亚胺修饰的NaYF₄:Yb,Tm纳米颗粒溶解于水中，形成浓度为1 mg/mL的PEI-NaYF₄:Yb,Tm水溶液；将步骤（3）制备的聚丙烯酸修饰的NaYF₄:Yb,Er纳米颗粒溶解于水中，形成浓度为1 mg/mL的PAA-NaYF₄:Yb,Er水溶液；然后将PEI-NaYF₄:Yb,Tm水溶液和PAA-NaYF₄:Yb,Er水溶液按3:1的体积比混合均匀，即得到具有多色发光光谱的复合上转换纳米探针。该复合纳米探针中的PEI包覆的NaYF₄:Yb,Tm能选择性地与TNT结合，而PAA包覆的NaYF₄:Yb,Er则不能与TNT结合。该复合纳米探针具有多个可见光谱带，分别是477 nm处的蓝光光谱带、545 nm处的绿光光谱带和658 nm处的红色光谱带。在980 nm光源激发下，复合纳米材料发出青色荧光（见附图1）。

实施例2：上述复合上转换纳米探针用于TNT检测

（1）选择性

在检验基于复合上转换荧光纳米探针检测TNT选择性实验中，将与TNT结构相似的爆炸物2,4-二硝基苯（DNT）和硝基苯（NB）作为检测对象，来考察检测探针的选择性：分别取浓度为1 mM的2,4-二硝基苯和硝基苯10 μL和1mg/mL的荧光探针于离心管中，然后加水稀释至TNT类似物浓度为40 μΜ。将反应溶液分别进行紫外-可见光谱检测（见附图2），从紫外吸收光谱图中可以看出只有滴加TNT的溶液在450 nm处有吸收，同时能观察到只有加入TNT的溶液变成了橙黄色，这说明只有TNT能选择性地与探针表面的氨基形成络合物从而产生吸收。在980 nm激光照射下，观察到只有加入TNT的溶液荧光强度发生了明显减弱。故该荧光探针对TNT有很好的选择性。

（2）灵敏度

在检验基于复合上转换荧光纳米探针检测TNT灵敏度实验中，分别将10^-9、10^-8、10^-7、10^-6和10^-5M的TNT溶液滴在固定有复合上转换荧光纳米探针的硅片基底上，在实验结果中，我们可以观察到随着TNT浓度的降低，硅片基底的荧光强度逐渐增强，说明以硅片为基底的TNT检测器件能对TNT进行有效的高灵敏度检测。因此，这种复合上转换荧光纳米探针对TNT的检测灵敏度高，可检测到浓度低至10^-9M的TNT。

实施例3：TNT检测试纸的制备

将干净的白色硬纸片剪成5×5 cm的小片作为吸附基底，然后将6×6 mm 的防水垫片黏在白色硬纸小片上，形成5×5的阵列，其中，每两个防水垫片的间距为4mm；然后在防水垫片上贴上直径为5mm用于检测的滤纸圆片，形成检测区域；将浓度为0.1 mg mL^-1的复合上转换纳米探针均匀滴加到到上述滤纸圆片上（2 μL），将其置于60 ℃下干燥1小时，从而复合上转换纳米探针均匀固定到了滤纸圆片上形成检测区域（见图3）。这种TNT检测试纸制作简单方便，成本低廉，使用方法也简便，便于批量生产。

将1 μL浓度为40 μΜ的TNT溶液滴在试纸上，然后用980 nm激光器照射，观察到试纸荧光颜色由青色变成了绿色，荧光颜色的变化属于肉眼可见的可视化检测，这种可视化检测能大大提高检测的简便性和准确性。因此，这种TNT检测试纸可以对TNT进行现场实时可视化检测。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims

1..一种具有多色发光光谱的复合上转换纳米探针的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将聚醚酰亚胺修饰的NaYF₄:Yb,Tm纳米颗粒溶解于水中，形成PEI-NaYF₄:Yb,Tm水溶液；将聚丙烯酸修饰的NaYF₄:Yb,Er纳米颗粒溶解于水中，形成PAA-NaYF₄:Yb,Er水溶液；然后按聚醚酰亚胺修饰的NaYF₄:Yb,Tm和聚丙烯酸修饰的NaYF₄:Yb,Er质量比为3:1将PEI-NaYF₄:Yb,Tm水溶液和PAA-NaYF₄:Yb,Er水溶液混合均匀，即得到具有多色发光光谱的复合上转换纳米探针。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的聚醚酰亚胺修饰的NaYF₄:Yb,Tm纳米颗粒，通过以下方法制备：分别准确量取8.15、1.8、0.05 mL 浓度为0.2 M的氯化钇、氯化镱、氯化铥溶液混合均匀，然后加入10 mL 0.2 M 的氯化钠溶液、20 mL质量分数为5%的聚乙烯亚胺溶液及60 mL 乙醇，充分搅拌；然后加入12 mmol 氟化铵固体，室温下充分搅拌10分钟后，将混合液转移到水热釜中，水热釜置于200℃下反应24小时，自然冷却至室温后离心，产物再用乙醇与水将产物分别洗涤3遍，最后将洗净的产物分散在水中，即得到聚醚酰亚胺修饰的NaYF₄:Yb,Tm纳米颗粒。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的聚丙烯酸修饰的NaYF₄:Yb,Er纳米颗粒，通过以下方法制备：将30 mL二甘醇和300 mg PAA-1800加入三口圆底烧瓶中，在氩气保护下将温度升至110 °C，同时将100 mg油酸修饰的NaYF₄:Yb,Er纳米颗粒分散于10 mL甲苯-三氯甲烷的混合溶液中，甲苯和三氯甲烷的体积比为1:1；待反应溶液呈透明状，将混合溶液逐滴加入到烧瓶中，在氩气保护下反应1时后将反应温度升至240 °C，在氩气保护下继续反应1.5小时，停止加热，继续搅拌冷取至室温后，将反应产物转移至离心管，加入乙醇将产物析出，离心；然后用体积比为1:1的乙醇和水将产物洗涤3遍，最后将洗净的产物分散在水中，即得到聚丙烯酸修饰的NaYF₄:Yb,Er纳米颗粒。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述的油酸修饰的NaYF₄:Yb,Er纳米颗粒，通过以下方法制备：准确称取0.78 mmol 三氟乙酸钇、0.2 mmol 三氟乙酸镱、0.02 mmol 三氟乙酸铒、1mmol 三氟乙酸钠于三口圆底烧瓶中，再加入4 mL 油酸和3 mL 十八碳烯；在氩气保护下将温度升至120 °C搅拌反应0.5小时，接着将温度继续升至340 °C 反应0.5小时；停止加热，继续搅拌使反应装置自然冷却至室温；将反应产物转移至离心管中，加入乙醇使产物析出，离心得到产物；用环己烷和乙醇洗涤三次，离心得到的固体产物在60 °C下干燥过夜，即得到油酸修饰的NaYF₄:Yb,Er纳米颗粒。

5.一种具有多色发光光谱的复合上转换纳米探针，通过权利要求1所述的制备方法制备得到。

6.权利要求5所述的复合上转换纳米探针在TNT检测领域中的应用。

7.一种TNT检测试纸的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将防水垫片黏在干净的白色硬纸小片上，然后在防水垫片上贴上用于检测的滤纸圆片，将权利要求5所述的具有多色发光光谱的复合上转换纳米探针均匀固定到滤纸圆片上，即得到TNT检测试纸。