CN116751591B - 上转换复合纳米材料及制备方法和在检测氰化物中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于检测试剂技术领域，涉及氰化物的检测试剂，具体涉及上转换复合纳米材料及制备方法和在检测氰化物中的应用。由上转换纳米材料与量子点颗粒通过酰胺键连接构成，所述上转换纳米材料为氨基或羧基修饰的NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺，所述量子点颗粒为羧基或氨基修饰的CuInSe₂；NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺中，Yb³⁺掺杂的摩尔浓度为3~19%，Er³⁺掺杂的摩尔浓度为1~3%。本发明制备的上转换复合纳米材料在检测氰化物中具有检测精确度高等特点，能够实现对纳克量级氰化物的定量检测，且制备方法简单、成本低廉。

Description

上转换复合纳米材料及制备方法和在检测氰化物中的应用

技术领域

本发明属于检测试剂技术领域，涉及氰化物的检测试剂，具体涉及上转换复合纳米材料及制备方法和在检测氰化物中的应用。

背景技术

本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

目前氰化物广泛存在于工业废水中，现有的氰化物检测工艺程序复杂，氰化物的可检测含量较低，难以达到精准检测的要求。在食品添加剂方面，亚铁氰盐在高温下会分解成剧毒的氰化钾，目前传统的检测剂也难以在纳克量级检测出氰化物，成为人们生命安全的隐患。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供上转换复合纳米材料及制备方法和在检测氰化物中的应用，本发明制备的上转换复合纳米材料在检测氰化物中具有检测精确度高等特点，能够实现对纳克量级氰化物的定量检测，且制备方法简单、成本低廉。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

第一方面，一种上转换复合纳米材料，由上转换纳米材料与量子点颗粒通过酰胺键连接构成，所述上转换纳米材料为氨基或羧基修饰的NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺，所述量子点颗粒为羧基或氨基修饰的CuInSe₂；NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺中，Yb³⁺掺杂的摩尔浓度为3~19%，Er³⁺掺杂的摩尔浓度为1~3%；所述上转换纳米材料与所述量子点颗粒的质量比为4~5:2~3。

第二方面，一种上述上转换复合纳米材料的制备方法，包括如下步骤：

采用配体交换法对上转换纳米材料NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺的表面进行修饰，使NaYF₄:Yb^{3 +}/Er³⁺的表面带有氨基或羧基；

采用配体交换法对量子点颗粒CuInSe₂的表面进行修饰，使CuInSe₂的表面带有羧基或氨基；

将修饰后的NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺与修饰CuInSe₂进行酰胺化反应，通过形成酰胺键将NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺与CuInSe₂连接。

第三方面，一种上述上转换复合纳米材料在检测氰化物中的应用。

经过研究发现，本发明提供的上转换复合纳米材料与一定浓度梯度的氰化物混合后，经过激发产生的发射光谱的峰值随氰化物浓度的增加呈现线性变化，由此说明，本发明提供的上转换复合纳米材料具有定量检测氰化物的性能。同时，将所述的上转换复合纳米材料分别与含不同离子（F^-、Cl^-、Br^-、I^-、SO₄ ^2-、AcO^-、H₂PO₄ ^-、ClO^-、S^2-、K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Zn²⁺、Fe³⁺、Al³⁺、Ni⁺、Mg²⁺）的试剂反应，发现只有与含氰根离子特异性反应时反射光谱强度增加，证明了上转换复合纳米材料只对氰化物有特异性检测效果。

本发明的有益效果为：

1.本发明合成荧光发射强、粒径小、工艺简单、成本低廉的上转换复合纳米材料，能够有效的减少工业检测流程。

2.本发明提供的上转换复合纳米材料能够通过激发发光对氰化物进行特异性定量检测，测量范围广，测量精确度高，能够实现100 ug/mL~100 mg/mL范围内的准确测量。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1制备的NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺纳米颗粒的透射电镜图，标尺为50nm；

图2为本发明实施例1制备的NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺纳米颗粒的发射光谱图，所用激发光源为980nm，功率为1W；

图3为本发明实施例2制备的CuInSe₂量子点的透射电镜图，标尺为50nm；

图4为本发明实施例2制备的CuInSe₂量子点的发射光谱图，所用激发光源为808nm，功率为1W；

图5为本发明实施例3制备的NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺-NH₂上转换材料的发射光谱图，所用激发光源为980nm，功率为1W；

图6为本发明实施例3制备的CuInSe₂-COOH量子点的发射光谱图，所用激发光源为808nm，功率为1W；

图7为本发明实施例3制备的NaYF₄-CuInSe₂的傅里叶红外吸收光谱图（FTIR）；

图8为本发明实施例4中1~100mg/mL浓度范围内氰化物与NaYF₄-CuInSe₂的发射强度的关系图，采用的发射峰在540nm，所用激发光源为980nm，功率为1W；

图9为本发明实施例4中1~100μg/mL浓度范围内氰化物与NaYF₄-CuInSe₂的发射强度的关系图，采用的发射峰在540nm，所用激发光源为980nm，功率为1W；

图10为本发明实施例4中1~100ng/mL浓度范围内氰化物与NaYF₄-CuInSe₂的发射强度的关系图，采用的发射峰在540nm，所用激发光源为980nm，功率为1W；

图11为本发明实施例4中1~100pg/mL浓度范围内氰化物与NaYF₄-CuInSe₂的发射强度的关系图，采用的发射峰在540nm，所用激发光源为980nm，功率为1W；

图12为本发明实施例5中氰化物特异性检测图，NaYF₄-CuInSe₂复合纳米材料只与氰化物具有良好的响应。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

鉴于目前检测氰化物的试剂难以在纳克量级检测出氰化物，本发明提出了上转换复合纳米材料及制备方法和在检测氰化物中的应用。

本发明的一种典型实施方式，提供了一种上转换复合纳米材料，由上转换纳米材料与量子点颗粒通过酰胺键连接构成，所述上转换纳米材料为氨基或羧基修饰的NaYF₄:Yb^{3 +}/Er³⁺，所述量子点颗粒为羧基或氨基修饰的CuInSe₂；NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺中，Yb³⁺掺杂的质量浓度为3~19%，Er³⁺掺杂的质量浓度为1~3%；所述上转换纳米材料与所述量子点颗粒的质量比为4~5:2~3。

在一些实施例中，NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺的粒径为20~40 nm，优选为25~30 nm。研究表明，该条件下对氰化物的检测效果更好。

在一些实施例中，CuInSe₂的粒径为4~6 nm。研究表明，该条件下对氰化物的检测效果更好。

在一些实施例中，所述上转换纳米材料与所述量子点颗粒的质量比为4.6~4.9:2.3~2.8。优选为4.69~4.73:2.56~2.60。研究表明，该条件下对氰化物的检测效果更好。

在一些实施例中，NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺中，Yb³⁺掺杂的摩尔浓度为15~19%，优选为17~19%。研究表明，该条件下对氰化物的检测效果更好。

在一些实施例中，NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺中，Er³⁺掺杂的摩尔浓度为1.5~2.5%。研究表明，该条件下对氰化物的检测效果更好。尤其是当Yb³⁺掺杂的摩尔浓度为17~19%、Er³⁺掺杂的摩尔浓度为1.5~2.5%时，制备的上转换复合纳米材料对对氰化物的检测效果更为优异。

在一些实施例中，上转换纳米材料为氨基修饰的NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺。所述上转换纳米材料为PEI（聚醚酰亚胺）修饰的NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺。

在一些实施例中，量子点颗粒为羧基修饰的CuInSe₂。所述量子点颗粒为PAA（聚丙烯酸）修饰的CuInSe₂。

本发明的另一种实施方式，提供了一种上述上转换复合纳米材料的制备方法，包括如下步骤：

采用配体交换法对上转换纳米材料NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺的表面进行修饰，使NaYF₄:Yb^{3 +}/Er³⁺的表面带有氨基或羧基；

采用配体交换法对量子点颗粒CuInSe₂的表面进行修饰，使CuInSe₂的表面带有羧基或氨基；

将修饰后的NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺与修饰CuInSe₂进行酰胺化反应，通过形成酰胺键将NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺与CuInSe₂连接。

在一些实施例中，先采用四氟硼酸亚硝对NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺进行处理，然后加入PEI或PAA进行反应，使得NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺的表面带有氨基或羧基。优选地，先采用四氟硼酸亚硝对NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺进行处理，然后加入PEI进行反应，使得NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺的表面带有氨基。

在一些实施例中，先采用四氟硼酸亚硝对CuInSe₂进行处理，然后加入PAA或PEI进行反应，使得CuInSe₂的表面带有羧基或氨基。优选地，先采用四氟硼酸亚硝对CuInSe₂进行处理，然后加入PAA进行反应，使得CuInSe₂的表面带有羧基。

在一些实施例中，酰胺化反应中，先采用EDC（1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐）和NHS（N-羟基琥珀酰亚胺）先将羧基活化，然后与氨基进行反应产生酰胺键。

在一些实施例中，所述NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺的制备过程为：在惰性气氛条件下，将Yb³⁺盐、Er³⁺盐、Y³⁺盐与油酸、1-十八烯加热至140~160 ℃混合反应，滴入溶有NaOH、NH₄F的甲醇溶液，加热移除甲醇后进行溶剂热合成反应，纯化即得。

在一种或多种实施例中，溶剂热合成反应的条件为：在290~320℃下保持0.5~2h，优选为300℃保持1h，通过控制反应温度和时间，可以得到性能更优的上转换纳米颗粒。

本发明所述Yb³⁺盐、Er³⁺盐、Y³⁺盐可采用本领域常规使用的该类盐。在一种或多种实施例中，Yb³⁺盐为YbCl·6H₂O，Er³⁺盐为ErCl·6H₂O，此时制备得到的本发明的NaYF₄: Yb^{3 +}, Er³⁺（尤其是NaYF₄:18%Yb³⁺, 2%Er³⁺）上转换纳米颗粒具有更好的发光效果。

在一种或多种实施例中，Yb³⁺盐与Er³⁺盐的摩尔比为8.8~9.2:1。

在一些实施例中，所述CuInSe₂的制备过程为：将Cu²⁺盐、In³⁺盐与有机试剂混合，加热至110~130 ℃反应20~40 min获得反应液；采用热注射法，在210~230℃的条件下，将Se粉的有机溶液注入反应液中进行反应，反应时间为5~15 min，反应后冷却、纯化即得。

本发明的第三种实施方式，提供了一种上述上转换复合纳米材料在检测氰化物中的应用。

具体地，将上转换复合纳米材料与待测氰化物溶液混合，对混合液进行激发并检测发射光谱。

更为具体地，激发是采用的激发光的波长为978~982 nm。

更为具体地，包括标准曲线的制备，其过程为：将不同浓度的标准氰化物溶液与所述上转换复合纳米材料进行混合，对不同混合液分别进行激发并检测发射光谱，根据发射光谱获得发光强度与氰化物浓度的标准曲线。

更为具体地，根据待测氰化物溶液的发射光谱与标准曲线获得待测氰化物溶液的浓度。

检测限的计算方法为：

(1)

其中，Lod表示检测限，S表示空白标准偏差，k表示氰化物检测曲线斜率。

本发明的最低检测限是0.0391μg/ml。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例与对比例详细说明本发明的技术方案。

实施例1NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺纳米颗粒的制备

（1）在三口烧瓶中加入YCl₃·6H₂O (0.8mmol, 80%), YbCl₃·6H₂O (0.18mmol,18%), ErCl₃·6H₂O (0.02mmol, 2%)，再加入6mL油酸，15mL十八烯，然后此溶液在氮气保护下加热到150^oC，直到形成浅黄色透明溶液。随后溶液自然冷却至室温。

（2）取2.5mmol NaOH、4mmol NH₄F溶解于8mL甲醇溶液，将此溶液加入上述溶液，加热混合溶液至70^oC并保持30分钟，移除甲醇。

（3）在密封的三颈烧瓶中，将上述溶液在氮气保护下加热到300^oC并保持1 h。随后溶液自然冷却到室温。

（4）在反应后的溶液中加入过量乙醇（40 mL），10000 r/min×10 min离心得到NaYF₄: Yb³⁺/Er³⁺纳米颗粒，并分散于10mL环己烷。

本实施例制备的NaYF₄: Yb³⁺/Er³⁺纳米颗粒的透射电镜图如图1所示，结果表明，本实施例制备的NaYF₄: Yb³⁺/Er³⁺纳米颗粒为球状，尺寸为25nm左右。

本实施例制备的NaYF₄: Yb³⁺/Er³⁺纳米颗粒以980nm、功率为1W的激发光源的发射光谱图如图2所示，结果表明，该NaYF₄: Yb³⁺/Er³⁺纳米颗粒的发射峰分别在540nm和650nm。

实施例2CuInSe₂量子点的制备

（1）在四颈烧瓶中加入高温磁子，0.03809g CuI(0.2mmol)，0.05839g In(Ac)₃(0.2mmol)，加入8ml的十八烯，1ml的十二硫醇。

（2）将四颈烧瓶固定在智能控温搅拌器中，抽真空10min保持十分钟后通氮气，保证瓶中处于无空气状态。

（3）打开磁力搅动开关、加热开关，加热至120摄氏度保持30min使固体全部溶解。后加热至220摄氏度。

（4）称量Se粉0.0079g（0.1mmol），与0.7ml油胺与0.3ml十二硫醇混合后超声，至硒粉完全溶解。将硒粉溶液注射到四颈烧瓶中，在220摄氏度反应10min后降至室温。

（5）将反应后的溶液离心（10000r/min×10 min），并用去离子水和乙醇各洗一次，获得CuInSe₂量子点，用20ml环己烷溶解得到最后产物。

本实施例制备的CuInSe₂量子点的透射电镜图如图3所示，结果表明该CuInSe₂量子点表现为点状，尺寸为4nm左右。

采用808nm的光源对本实施例制备的CuInSe₂量子点进行激发，获得的发射光谱图如图4所示，表明发射峰分别在905nm和970nm。

实施例3NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺纳米颗粒与CuInSe₂量子点的连接

（1）分别取5ml上转换纳米材料（NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺）(2.35mg/ml)与量子点（CuInSe₂）(1.29mg/ml)的环己烷溶液，加入到两个不同试管中。

（2）称量100mg四氟硼酸亚硝固体，加入到溶有 10ml DMF与4ml环己烷的混合溶液，搅拌10min。

（3）将上述混合溶液分成完成相同的两份，分别加入到盛有上转换纳米材料（NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺）与量子点（CuInSe₂）的环己烷溶液的试管中，搅拌30min。

（4）将两个反应后的溶液离心（10000r/min×10 min），分别用30ml水分散。

（5）在量子点（CuInSe₂）的水溶液中加入50mg PAA。在上转换纳米材料（NaYF₄:Yb^{3 +}/Er³⁺）的水溶液中加入50mg PEI，搅拌12h，获得NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺-NH₂上转换材料。

（6）在反应后的量子点（CuInSe₂）的水溶液加入20mg EDC （1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐），10mg NHS（N-羟基琥珀酰亚胺），搅拌2h（活化），获得CuInSe₂-COOH量子点。

（7）取活化后的5ml量子点（CuInSe₂）(0.215mg/ml)的水溶液与5ml上转换纳米材料（NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺）(0.391mg/ml)的水溶液混合，搅拌12h。

（8）将反应后的溶液离心（10000r/min×15min），分散于5ml的水中，得到最终产物（NaYF₄-CuInSe₂）。

本实施例制备的NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺-NH₂上转换材料在功率为1W、波长为980nm的光源激发下，发射峰分别在540nm和650nm，如图5所示。

本实施例制备的CuInSe₂-COOH量子点在功率为1W、波长为808nm的光源激发下，发射峰分别在905nm和970nm，如图6所示。

本实施例制备的NaYF₄-CuInSe₂的傅里叶红外吸收光谱图如图7所示，吸收峰分别在3467cm^-1、1641 cm^-1和1567 cm^-1，3427cm^-1处的吸收峰对应羟基-OH中O-H键的伸缩振动，1641 cm^-1和1567 cm^-1处的吸收峰与酰胺键的弯曲振动有关，酰胺键的存在表明NaYF₄与CuInSe₂通过氨基和羧基之间的脱水缩合作用结合在一起。

实施例4NaYF₄-CuInSe₂复合物检测氰化物浓度

（1）配置不同浓度的氰化四丁基铵（1pg/mL-100mg/mL），每个浓度取0.1mL加入到1.5mL离心管，每个离心管再加入0.1ml 的NaYF₄-CuInSe₂纳米复合材料反应2h。

（2）在980nm激光激发下，测试所有离心管内溶液的荧光强度(500nm~700nm)，并得到氰化物浓度与复合纳米材料荧光强度之间的线性关系。

（3）随机取工业废水0.1mL，加入复合纳米材料反应2h，通过荧光强度计算工业废水中氰化物浓度。

图8为本发明实施例4中1~100mg/mL浓度范围内氰化物与NaYF₄-CuInSe₂的发射强度的关系图，拟合的线性方程为y=0.00312x+36.43512，拟合优度R²=0.99899，表明回归直线对检测值的拟合程度较好，检测限为0.27mg/mL。

图9为本发明实施例4中1~100μg/mL浓度范围内氰化物与NaYF₄-CuInSe₂的发射强度的关系图，拟合的线性方程为y=0.00302x+11.28269，拟合优度R²=0.98451，表明回归直线对检测值的拟合程度较好，检测限为25.52μg/mL。

图10为本发明实施例4中1~100ng/mL浓度范围内氰化物与NaYF₄-CuInSe₂的发射强度的关系图，拟合的线性方程为y=0.00344x+6.19373，拟合优度R²=0.99215，表明回归直线对检测值的拟合程度较好，检测限为22.40ng/mL。

图11为本实施例中1~100pg/mL浓度范围内氰化物与NaYF₄-CuInSe₂的发射强度的关系图，拟合的线性方程为y=0.00197x+5.0172，拟合优度R²=0.99889，表明回归直线对检测值的拟合程度较好，检测限为39.12pg/mL。

实施例5NaYF₄-CuInSe₂复合物的特异性检测

（1）配置相同浓度的CN^-、Cl^-、Br^2-、SO2- 4、I^-、AcO^-、H₂PO- 4 、ClO-、 S^2-、K⁺、Na⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Fe²⁺、Al³⁺、Ni²⁺、Mg²⁺离子溶液和它们的混合溶液，每种取0.1mL加入到1.5mL离心管，每个离心管再加入0.1ml 的NaYF₄-CuInSe₂纳米复合材料反应2h。

（2）在980nm激光激发下，测试所有离心管内溶液的荧光强度（500nm-700nm），实现氰化物的特异性检测。

结果如图12所示，结果表明NaYF₄-CuInSe₂复合纳米材料只与氰化物具有良好的响应。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种上转换复合纳米材料，其特征是，由上转换纳米材料与量子点颗粒通过酰胺键连接构成，所述上转换纳米材料为氨基修饰的NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺，所述量子点颗粒为羧基修饰的CuInSe₂；NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺中，Yb³⁺掺杂的质量浓度为3~19%，Er³⁺掺杂的质量浓度为1~3%；所述上转换纳米材料与所述量子点颗粒的质量比为4~5:2~3；所述的上转换复合纳米材料的制备方法，包括如下步骤：

先采用四氟硼酸亚硝对NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺进行处理，然后加入PEI进行反应，使得NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺的表面带有氨基；

先采用四氟硼酸亚硝对CuInSe₂进行处理，然后加入PAA进行反应，使得CuInSe₂的表面带有羧基。

2.如权利要求1所述的上转换复合纳米材料，其特征是，NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺的粒径为20~40nm，CuInSe₂的粒径为4~6 nm。

3.如权利要求1所述的上转换复合纳米材料，其特征是，NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺中，Yb³⁺掺杂的摩尔浓度为15~19%，Er³⁺掺杂的摩尔浓度为1.5~2.5%。

4.如权利要求1所述的上转换复合纳米材料，其特征是，所述NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺的制备过程为：在惰性气氛条件下，将Yb³⁺盐、Er³⁺盐、Y³⁺盐与油酸、1-十八烯加热至140~160℃混合反应，滴入溶有NaOH、NH₄F的甲醇溶液，加热移除甲醇后进行溶剂热合成反应，纯化即得；溶剂热合成反应的条件为：在290~320℃下保持0.5~2h。

5.如权利要求4所述的上转换复合纳米材料，其特征是，Yb³⁺盐为YbCl·6H₂O，Er³⁺盐为ErCl·6H₂O。

6.如权利要求1所述的上转换复合纳米材料，其特征是，所述CuInSe₂的制备过程为：将Cu²⁺盐、In³⁺盐与有机试剂混合，加热至110~130℃反应20~40 min获得反应液；采用热注射法，在210~230℃的条件下，将Se粉的有机溶液注入反应液中进行反应，反应时间为5~15min，反应后冷却、纯化即得。

7.一种权利要求1~3任一所述的上转换复合纳米材料在检测氰化物中的应用；

所述材料不用于疾病的诊断和治疗。

8.如权利要求7所述的上转换复合纳米材料在检测氰化物中的应用，其特征是，将上转换复合纳米材料与待测氰化物溶液混合，对混合液进行激发并检测发射光谱；激发是采用的激发光的波长为978~982 nm。