基于上转换纳米材料的pH传感器研究

刘映++胡益辉+++彭俊梅

摘要：基于上转换纳米材料（NaGdF4：Yb/Tm）在近红外区980nm波长激发下于475nm处有较强的发射峰，可与异硫氰酸荧光素（FITC）发生荧光能量共振转移，且FITC对在475nm处的荧光淬灭程度依赖于pH的变化，该实验设计、合成了一个基于上转换荧光猝灭的新型生物传感器，实验结果表明，构建的新型纳米材料可有效避免干扰物的荧光背景，在不同的pH环境中，响应值具有相应的变化，其中，pH3-5范围内的响应敏感度较高，该材料生物相容性较好，可实现对pH的快速、简单、灵敏的检测，为上转换发光纳米材料的应用提供了新思路。

关键词：上转换纳米材料 pH 传感器

中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

稀土上转换纳米粒子作为一种新型荧光纳米材料，其主要的特点就是可以在 980 nm 红外光激发下发射出可见光[1]，与传统的有机荧光染料和量子点相比较而言，上转换纳米粒子具有毒性低，分辨率高，可在红外光下激发等特点，该材料更适合活体成像，因此，上转换材料的应用引起了社会各界广泛关注。目前，上转换材料主要应用于光动力学治疗、光学成像（细胞组织成像、器官动物成像；扩散光学断层扫描；多模式成像等）和荧光分析（荧光/冷光能量共振转移均相分析等[2]。但是，对于上转换纳米材料的应用依然处于初级阶段，因此有必要进一步深入的研究其长远发展。

在 475 nm 处，上转换纳米材料（NaGdF4：Yb/Tm）有较强的发射峰，会与异硫氰酸荧光素（FITC）产生荧光能量共振转移，而FITC的相对荧光强度受氢离子浓度影响，是一种氢离子传感器[3]，基于此原理，设计了一个基于上转换荧光猝灭的新型传感器，实现了对 pH 的检测。

1材料与方法

1.1 材料

六水合三氯化铥、六水合三氯化镱、水合氯化钆、氟化铵、氢氧化钠、油酸、3-氨丙基三乙氧基硅烷、1-十八烯等试剂购买于 Sigma-Aldrich公司。氨水、三乙胺、异丙醇、正硅酸乙酯购买于北京鼎国生物技术有限公司。二水合磷酸二氢钠、十二水合磷酸氢二钠、异硫氰酸荧光素购买于上海生工生物有限公司。无特殊说明所有试剂均为分析纯。

1.2 仪器

UV-2450紫外可见光谱仪（日本，东京）；EM-2100透射电镜（日本，JEOL）；FE 20 Five Easy Plus pH 计（中国，北京）；Fluoromax-4荧光光谱仪（日本，日立）； JLNG-T88浓缩干燥器（中国，太仓）。

1.3 实验方法

溶剂热法合成油酸包裹的核-壳稀土上转换纳米颗粒[4]。配置稀土离子的水溶液，其中稀土离子的摩尔比例为Gd：Yb：Tm=74.7%：25%：0.3%，将油酸和含有 0.5 mmol 的稀土离子的水溶液以3：2的比例混合，在150 ℃下油浴30 min；加入1-十八烯继续反应 30 min后，静置冷却反应溶液至室温，加入5 mL含有1.0 mmol 氢氧化钠和1.1 mmol 氟化铵的甲醇溶液，室温搅拌，待完全蒸发除去甲醇后升温至 300 ℃，氩气保护下反应 90 min，加无水乙醇沉淀得到颗粒。洗涤、溶解在环己烷溶液中用于下一步合成待用。按照类似的步骤进行壳包覆。

按 FITC与3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES ）的摩尔浓度比值为 1：1 ，在DMF有机溶剂 中反应过夜即可获得 FITC-APTES 的复合前体[5]，随后将油酸包裹的上转换纳米颗粒分散于异丙醇中并进行超声，分散好后向其中加入H2O和NH4OH ，35 ℃下剧烈搅拌10 min，之后向反应液中逐滴加入含有FITC-APTES前体的异丙醇，再在35 ℃条件下反应 8 h后，继续加入20 mL含有正硅酸乙酯（TEOS） 的异丙醇，继续35 ℃下反应 4 h，反应完成后得到硅壳包裹的核壳上转换纳米颗粒，且硅壳中掺杂了 FITC 的复合纳米颗粒。

JY 荧光光谱仪上扫描发射光谱（980 nm 的激光强度为 2.0 W，发射光狭缝宽度 5.0 nm）；透射电子显微镜对合成的纳米颗粒进行结构观察（JEM-2100，加速电压为 200 KV）；通过不同 pH 的 PB 缓冲溶液与FITC-UCNPs 复合材料混合，使用Fluoromax-4荧光光谱仪验证纳米颗粒对pH的响应。

2结果与讨论

该传感器设计的原理是基于上转换纳米颗粒于近红外980nm波长激发下，在475nm处发生较强的发射，而在475nm处FITC随 pH 的变化出现不同程度的吸收。通过 FITC不同程度的吸收上转换纳米颗粒在475nm的荧光，实现了对 pH的响应。据此，我们构建了这样一个简单、快速检测 pH 的化学传感器。

2.1 上转换纳米颗粒的表征

透射电镜扫描图片显示，如图1中A所示，合成的上转换颗粒为均匀的六边形，粒径约为20nm，图B为 FITC-UCNPs 复合纳米颗粒的高分辨透射电子显微镜图（HRTEM），可以明显看出该实验成功地在上转换纳米颗粒上包了一层厚度约为2nm硅壳。

A B

图 1 （A）分散在环己烷中的油酸包裹上转换纳米颗粒TEM图，颗粒直径约 20nm；（B）分散在水中的 FITC-UCNPs 复合纳米颗粒HRTEM图，硅壳厚度约 2nm

2.2 基于 FITC-UCNPs 复合材料对 pH 响应的原理验证

通过扫描不同pH中FITC的吸收光谱图发现，FITC在475nm处的吸收随 pH的变化而变化，如图2中A所示。pH 为9时FITC 有较强的吸收，其曲线很大部分与上转换纳米颗粒在 475nm处的发射的相互重叠，符合能量转移理论的条件，如图2中B所示。为进一步验证该传感器在实际应用中有较高的可行性，该实验对FITC-UCNPs 复合纳米颗粒在不同 pH 中的响应情况进行了检测，如图3所示，在980nm的激发光源和不同的pH 条件下，上转换纳米颗粒在 475nm处的发射存在显著差异，这一结果证实了该研究中构建的pH传感器在实际应用中可行性较高。

A B

图 2 （A）FITC在不同pH中的吸收曲线，其中a、b、c、d、e分别表示pH为3、5、7、9、13时的吸收曲线；（B）a为上转换纳米颗粒在980nm激发光源下的发射光谱图，b为FITC在pH为9时的吸收曲线图

图 3 980nm激发光源下，FITC-UCNPs复合纳米颗粒对pH的响应曲线图，a、b、c分为pH为3、5、9时的发射光谱图

2.3 FITC-UCNPs 复合材料对 pH 的检测

检测制备的 FITC-UCNPs 复合纳米颗粒在一系列不同 pH条件下的响应情况，从结果可以看出，该复合材料较为敏感的pH响应范围为3～5之间，如图 4所示。

图 4 不同pH条件下FITC-UCNPs复合材料的荧光响应图，a-f依次为pH3、4、5、7、9、13时的荧光变化曲线图

3结语

该实验基于荧光信号的变化，通过结合pH敏感的荧光染料FITC与稀土上转换发光纳米颗粒设计并合成了一种新颖的生物传感器，实现了对pH简单、快速、灵敏、环保的检测。由于上转换发光材料的激发光在近红外光区（980nm），与许多传统的方法相比，可较好的避免一些干扰物的荧光背景，作为 pH 检测的输出信号具有较强的抗干扰等优点，不但操作简便，而且避免在检测过程中使用大型的分析仪器。除此之外，该传感器具有生物相容性和高效环保等特点，顺应现代绿色化学的发展要求，为上转换发光纳米材料在生命分析领域的使用开辟了新道路，提供了新方法。

参考文献

[1] Wang J，Wang F，Wang C，et al.Single-band upconversion emission in lanthanide-deped KMnF3 nanocrystals[J].Angewandte Chemie-International Edition，2011，50（44）：10369-10372.

[2] 葛雪莹，袁荃.稀土上转换纳米材料的生物医学应用[J].武汉大学学报：理学版，2015，61（1）：10-20.

[3] 马丽英.异硫氰酸荧光素氢离子化学传感器的研制和应用[D].济南：山东师范大学，2004：39-42.

[4] Wang F，Liu X.Recent advances in the chemistry of lanthanide-doped upconversion nanocrystals[J].Chemical Society Reviews，2009，38（4）：976-989.

[5] Wang L，Tan W.Multicolor FRET silica nanoparticles by single wavelength excitation[J].Nano Letters，2006，6（1）：84-88.