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基于上转换纳米材料的pH传感器研究

2015-10-15刘映胡益辉彭俊梅

科技资讯 2015年20期
关键词:传感器

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.

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