應用于食品檢測的上轉換材料的合成與修飾

趙玉鳳，寧保安，張娜，范獻軍，姜隨意，田靜菡，高志賢

（天津理工大學材料科學與工程學院天津300384）

應用于食品檢測的上轉換材料的合成與修飾

趙玉鳳，寧保安，張娜，范獻軍，姜隨意，田靜菡，高志賢*

（天津理工大學材料科學與工程學院天津300384）

鑭系元素摻雜的上轉換發光納米顆粒（UCNPs）因其獨特的化學和光學特性而成為了食品檢測領域中最具應用前景的材料之一。發現該技術在布魯氏菌、鏈球菌及大腸桿菌等食品安全檢測中應用效果極好。為了進一步的推進其在食品安全領域中的應用，需要改進其的合成方法與表面修飾方法。本文利用水熱法合成了不同表面包覆劑包覆的UCNPs并且探討了幾種修飾UCNPs的方法，使其能夠更好地應用于食品檢測領域。

上轉換發光；食品檢測；水熱合成法；表面修飾

食品安全問題已是一件關乎社會穩定、民族團結及人民切身利益的大事，人們在追求吃得飽，吃的好的同時又要求吃的更安全，吃的更放心。然而食品中激素類污染物造成的危害日益嚴重，既關系人們的身體健康，也嚴重影響地區的經濟發展和社會環境[1-2]。面對大量的激素類物質，現場快速篩查技術便成為了重要的科技需求。為了加快食品產業的健康發展，滿足農產品和食品入境快速通關的要求，應對食源性突發事件，為現場快速檢測高新技術和相關產品提供支撐，UPT（上轉換技術）快速檢測系統的研制迫在眉睫[3-5]。

UPT又稱上轉換發光技術，是一種基于UCNPs的新興檢測技術。UCNPs即上轉換發光納米顆粒，主要是指摻雜了稀土元素的固體化合物，可以通過吸收兩個或多個（長波長的）低能光子而發射出一個（短波長的）高能光子，是一個非線性的光學過程。通常由基質材料、激活劑、敏化劑組成。利用稀土元素離子亞穩態的能級在光激發過程中發生反斯托克斯效應來實現光學成像[6-7]。

在過去的幾年中人們對上轉換材料的發光機制已經有了深入研究.上轉化過程是由低能量的電子激發而產生高能量發射的非線性過程，由于過程為雙光子或多光子過程，違背斯托克斯定律，因而也稱為反斯托克斯過程[8]。其機制可分為三大類：激發態吸收（excited state absorption ESA）,能量轉移（energy transfe ET）和光子雪崩（photon avalanche PA）。圖1為幾種上轉換發光過程示意圖。

激發態吸收：即為同一離子吸收兩個光子，是唯一一種發生在低濃度稀土摻雜材料中的過程。

圖1 UCNPs的主要能量轉移機制Fig.1 Generalenergy transfer typesof UCNPs

第一個光子使離子從基態進入到一個穩定的中間激發態，（即基態吸收，GSA）第二個光子將離子從中間態激勵至更高的激發態,最后激發離子回落基態而產生上轉換發光。也存在稀土離子一次性吸收兩個光子的雙光子激發過程（TPAE）[9-10]。

能量轉移：發生在有敏化劑摻雜的材料中，敏化劑被激發后回落至基態，能量轉移給鄰近的激活劑離子。能量吸收過程通常發生在高濃度稀土離子摻雜的材料中，且可與激發態吸收同時存在，可分為能量轉移伴隨激發態吸收（EFE）、連續能量轉移（APTE）、交叉弛豫（CR）、合作上轉換發光（C0L）、合作敏化（C0S）等常見類型[11-13]。

光子雪崩（PA）：也成為吸收雪崩，是產生發光效率最高的機制。首先敏化離子吸收光躍遷至第一激發態，而后再次吸收入射光子躍遷至第二激發態。處于第二激發態的敏化離子可以與鄰近的基態離子發生交叉弛豫產生成兩個處于第一激發態的敏化離子，這兩個敏化離子有可以再次吸收光子重復此過程產生四個激發態敏化離子，由此如雪崩般積累產生大量處于中間激發態的敏化離子而儲存大量能量[14]。

上轉換納米顆粒不同于量子點，其能級的轉化主要定域于敏化劑和激活劑之間，通過偶極矩或者相互作用的改變來傳遞能量，不顯示量子定域效應，故不需要像合成量子點一樣對粒徑進行嚴格掌控。而反應物的均一分散和比例優化、對稀土元素氧化態的控制是制備過程中的要點。激光蝕刻法和消解法可以從塊體材料得到相應的納米顆粒，但是很難實現對粒徑和分散性的掌控。相對于上述物理法，化學法是更好的合成路徑：如共沉淀法，溶膠-凝膠法，熱分解法等法，水熱合成法等[15-16]。

本文利用水熱法合成了上轉換發光納米顆粒其優勢如下：（1）產物十分純凈（2）容易控制顆粒的粒徑結構和形態（3）相對低的反應溫度（4）操作過程使用設備簡單。但由于水熱合成法的限制使生成的納米顆粒表面大多都存在疏水基團，所以需要后續的修飾增加水溶性。

1 實驗

1.1 實驗試劑與儀器

氯化鈉（NaCl）、氯化釔水合物（YCl3·7H2O）、氯化餌水合物（ErCl3·6H2O）、氟化鈉（NaF）、氯化鐿水合物（Yb·6H2O）、氟化銨（NH4F）、油酸（Oleic acid）、乙二醇（Ethylene Glycol）、四乙氧基硅烷（Tetraethoxysilane）、氫氧化鈉（NaOH）、去離子水、無水乙醇（ethyl alcohol absolute）、氯化釓（GdCl3）25%~28%的氨水（Ammoniawater）、氫氧化鈉（NaOH）。

反應釜：濟南恒化科技有限公司；烘箱：上海恒科儀器有限公司；離心機：上海安亭科學儀器廠TGL-16B；天平：梅特勒-托利多儀器有限公司；機械攪拌器：北京金北德工貿有限公司SH-3；水浴鍋：天津歐諾儀器有限公司；真空干燥箱：天津天宇機電有限公司；熒光分光光度計：日立F-4500；透射電子顯微鏡鏡：TECNAIG220 S-TWIN；掃描電子顯微鏡LEO-1530VP、紅外光譜儀：Bio-rad FTS6000。

1.2 實驗方法

1.2.1 方法

方法一：油酸包覆的上轉換納米顆粒的制備：稱取4 gNaOH，0.6 gYCl3·7H2O，184mgYb·6H2O，18.31 mg ErCl3·6H2O，并將其加入至20mL去離子水，34mL無水乙醇，68mL油酸的混合液中，超聲使其成為均一溶液，而后向其中加入17mL含0.42 g的NaF的水溶液待整個體系超聲混勻后轉移至反應釜中，120℃加熱30min后再200℃加熱適當的時間。待反應體系降至室溫后，將產物分裝于離心管中而后離心棄上清，并用無水乙醇及去離子水洗滌沉淀2遍。

方法二：PAA包覆的上轉換納米材料的制備：按照比例（Y∶Yb∶Er=0.78∶0.2∶0.02）稱取2mmol LnCl3，0.7mmol EDTA-Na2，3mLPAA，將上述反應物溶于乙醇∶水=1∶1的體系中，而后加入一定量NaF，待體系為均一溶液后將其轉于200mL反應釜中，并于180℃加熱條件下反應4 h。待體系降至室溫后，離心棄上清，并用無水乙醇和去離子水洗滌沉淀兩遍。

1.2.2 上轉化納米顆粒的硅烷化修飾

稱取40mg OA-UCNPs于250mL圓底燒瓶中并向其中加入120mL異丙醇，超聲令其分散均勻，而后向其中加入2mL質量分數為25%~28%的氨水，將體系置于35℃加熱條件下機械攪拌，取50μL的TEOS并將其加入至40mL異丙醇中，震蕩均勻后將其逐滴加入至反應體系中。待反應3 h后，將產物離心，洗滌收集。

1.2.3 上轉換納米顆粒的氨基化修飾

稱取20mg硅烷化修飾的上轉換納米顆粒并將其分散至足量的無水乙醇中，而后加入100μL的APTES并將體系置于90℃回流加熱條件下磁力攪拌24 h，而后離心棄上清，將沉淀用無水乙醇及去離子水洗滌2遍。

2 結果與討論

2.1 反應時間對上轉換納米材料粒徑及形貌的影響

圖2 反應時間對上轉納米材料粒徑及形貌的影響Fig.2 Theeffectof reaction tiMe to the sizeandMorphology of UCNPs

結果顯示，圖a中的產物為0.8μm×0.06μm的細棒，圖b中的產物為1.2μm×0.2μm的棒狀與粒徑約為100 nm的顆粒狀混合體，圖c中的產物約為1.1μm×0.2μm的棒狀顆粒。由圖a與圖c可以發現，隨著反應時間的延長，產物的粒徑得到了明顯的增加，說明增加反應時間可以使反應更加充分，從而使產物的晶核不斷地生長繼而得到較大粒徑的產物；由圖b與圖c可知，在120℃預加熱條件下，產物有兩種存在狀態即顆粒狀與棒狀，說明在溫度低于200℃時，對反應物先進行預加熱可以得到不同晶型不同形貌的產物，此點也在文獻——中得到驗證。

綜上可知，反應時間是影響產物粒徑及形貌的重要因素，此外，反應溫度也可以至關重要的影響產物的晶型及晶貌。

2.2 NaF的用量在制備上轉換納米材料中的影響

圖3 NaF的用量在制備上轉換納米材料中的影響Fig.3 TheUCNPsprepared w ith differentaMountof NaF

由TEM表征圖顯示，d圖中為0.4μm×2μm的棒狀產物，e圖中為0.1μm×1μm的棒狀產物，f圖中為80 nm左右的顆粒狀產物，g圖中為60 nm左右的顆粒狀產物。由此可見，在其他條件都相同時，NaF的用量對產物的粒徑及形貌有著至關重要的作用，產物的粒徑隨著NaF用量的減少而減小。

2.3 硅烷化表面修飾的表征

圖4 硅烷化表面修飾的表征Fig.4 Characterization of UCNPswith silanemodified

結果顯示，無論是何種晶型及形貌的上轉換材料，都能夠在其表面進行硅烷化修飾，可以看到上轉換材料的表面被包覆了一層顯而易見的薄層，且產物在水中的分散性得到了提高，大大增加了其應用范圍，這也為后續的在上轉換表面修飾氨基等功能集團做了鋪墊。

2.4 氨基化表面修飾后的紅外表征圖

結果顯示，氨基化修飾后的上轉換發光納米材料在3 401cm-1左右有一個較為尖銳的吸收峰，此為NH的伸縮振動；在1 633 cm-1左右有較弱的吸收峰，此為NH的面內彎曲振動；在799 cm-1左右有較強的吸收峰，此為NH的面外彎曲振動。

圖5 氨基化修飾后的UCNPs紅外光譜表征Fig.5 FTIR spectruMof theUCNPswhich wasmodified w ith-NH

由此可見，上轉換發光材料經硅烷化修飾后可以成功地修飾上氨基。當表面修飾氨基后，上轉換發光材料便可以與許多帶有羧基的小分子如生物素和抗體等進行偶聯，以實現對食品中有毒有害小分子的檢測。

2.5 上轉換納米材料的熒光性能表征

圖6 UCNPs的熒光光譜表征Fig.6 The luMinescencespectra ofdifferet concentration of UCNPs

圖顯示，當激光器功率設置一定且熒光分光光度計參數設置一定時，上轉換發光材料的熒光強度隨著其濃度的增大而增強。材料有較強的發射峰及明顯的主副峰光強差，較窄的半峰寬，較好的熒光性能。當用980nm的激光器作為光源照射材料時，材料可以發射出肉眼可見的綠光。因此該上轉換發光材料在用于食品檢測時可以完全實現可視化。

3 總結與展望

本文利用經典的水熱法合成了油酸及PAA包覆的上轉換發光材料，并對其進行了一系列的硅烷化及氨基化的表面修飾，增加了其水溶性且擴大了其應用范圍。用熒光分光光度計對其的熒光性能進行了表征，結果顯示良好。

上轉換發光納米材料較之于熒光染料蛋白及量子點具有背景熒光低，反斯托克斯位移大，不易光漂白，熒光穩定及低毒性等特點，因此其在成像及光學檢測上有著絕無僅有且不可替代的作用。

雖然取得了很大的進步，但是依然存在著很多問題有待我們解決。比如，（1）我們使用的一些UCNPs在980 nm的吸收峰與水的吸收峰是重疊的，這就造成了不利于我們進行成像研究的熱效應。因此，這就需要我們研究一種新的發射波長在700 nm到900 nm的UCNPs。（2）關于活體成像和藥物傳送中，要想利用一個效的尿排泄來把體內的納米顆粒移除到體外，需要把納米顆粒的尺寸控制在6 nm之內。然而，縮小UCNPs的尺寸后，往往導致其發光效率變低，因為其表面的熒光猝滅效應是由尺寸決定的。因此，單分散性的小尺寸納米結構且發射強熒光的UCNPs的新的設計及合成方法也是我們所需要的研究的。（3）一般的顯微鏡和活體成像系統需要被個性化制作來使其適應UCNPs特有的激發和發射特性。因此，商業設備及系統的發展對加快UCNPs的應用有著至關重要的作用。（4）對于用于食品檢測中的上轉換發光材料，其水溶性與表面修飾程度直接影響著其檢測范圍與靈敏度。

總之，上轉換發光材料因其獨特的光學及化學特性，不僅在成像，導藥及治療領域發揮著巨大作用，還成為了食品檢測領域中最具應用前景的材料之一。

[1]林敏,趙英,董宇卿,周麗宏,等.稀土上轉換發光納米材料的制備及生物醫學應用研究進展[J].西安：中國材料進展,2012,24-26

[2]賈國超,職愛民,宋春美,等.上轉換熒光技術在食品安全檢測中的應用[J].北京：食品安全質量檢測學報,2012：107-109

[3]Xie L X,Qin Y,Chen H Y.Direct Fluorescent Measurement of Blood PotassiuMwith Polymeric Optical Sensors Based on UpconvertingNanomaterials.Anal.Chem,2013,85,2617-2622

[4]Ma R L,Bullock E,Maynard P,etal.Fingermark detection on nonporous and semi-porous surfaces using NaYF4：Er,Yb up-converter particles.Forensic Science International.2011,207：145-149

[5]Xu W,Zhao H,Li Y X,et al.Optical temperature sensing through the upconversion luminescencefroMHo3+/Yb3+codoped CaWO4.Sensor.Actuat.BChem,2013,188：1096-1100

[6]Liu CY,Gao ZY,Zeng JF,etal.Magnetic/Upconversion Fluorescent NaGdF4：Yb,Er Nanoparticle-Based Dual-Modal Molecular Probes for Imaging Tiny Tumors in Vivo.ACSNano,2013,7：7227-7240

[7]Zhang Y,Tang Y R,Liu X,et al.A highly sensitive upconverting phosphors-based off-on probe for the detection ofglutathione.Sensor Actuat.B-Chem,2013,185：363-369

[8]He X X,Li Z X,Jia X K,et al.A highly selective sandwich-type FRETassay for ATPdetection based on silica coated photon upconvertingnanoparticlesand splitaptamer.Talanta2013,11：105-110

[9]Peng JH,Wang Y H,Wang JL,et al.A new biosensor for glucose determination in seruMbased on up-converting fluorescence resonanceenergy transfer.Biosens.Bioelectron,2011,28：414-420

[10]Liu Q,Peng JJ,Sun LN,etal.High-Efficiency Upconversion Luminescent Sensing and Bioimaging of Hg(II)by Chromophoric RutheniuMComplex-Assembled Nanophosphors.ACSNano,2011, 5：8040-8048

[11]DaiY L,Yang DM,Ma PA,etal.Doxorubicin conjugated NaYF4：Yb3+/Tm3+nanoparticles for therapy and sensing of drug delivery by luminescence resonance energy transfer.Biomaterials,2012,33：8704-8713

[12]Xu ZH,Ma PA,Li C X,et al.Monodisperse coreeshell structured up-conversion Yb(OH)CO3@YbPO4：Er3+hollow spheresasdrugcarriers.Biomaterials,2011,32：4161-4173

[13]Qiu X B,Liu CC,Mauk MG,etal.A portable analyzer for pouchactuated,immunoassay cassettes.Sensor.Actuat.B Chem,2011, 160：1529-1535

[14]Corstjens PAM,Zuiderwijk M,Tanke H J.A user-friendly,highly sensitive assay to detect the IFN-γsecretion by T cells.Clin Biochem,2008,41：440-444

[15]HongW Y,Huang L H,Wang H R,et al.Development of an upconverting phosphor technology-based 10-channel lateral flow assay for profiling antibodies against Yersinia pestis.J.Microbiol Meth,2010,83：133-140

[16]QTChen,XWang,FH Chen,etal.,Functionalization ofupconverted luminescent NaYF(4)：Yb/Er nanocrystals by folic acid-chitosan conjugates for targeted lung cancer cell imaging,J.Mater. Chem,21(2011)7661-7667

The Synthesis and Modification of Upconversion Materials Applied to the Detection of Food

ZHAOYu-feng，NINGBao-an，ZHANGNa，FAN Xian-jun，JIANGSui-yi，TIAN Jing-han，GAOZhi-xian*
（Schoolof Science，Tian jin Universityof Technology，Tianjin 300384，China）

Lanthanide-doped upconvertingnanoparticles（UCNPs）areoneof themostpromisingmaterials for the food safety detestion due to their unique chemical and optical properties.Itwas found that the UCNPs had a favorable effect on brucellastreptococcus and escherichia coli.To enhanced its application in the field of food safety detection，the synthesis technology and surfacemodificationmethods should be improvemented.Here，we successfully synthesized the UCNPs with different coating agent by the hydrothermal synthesismethod and discussed thedifferentmethods tomodify the surfaceof theUCNPs，which can enable itbetter tobeapplicated in the field ofthe food safetydetection.

upconversion luminescence；the food safety detection；hydrothermalsensitivity；surfacemodification

10.3969/j.issn.1005-6521.2014.18.018

2014-09-15

國家科技支撐計劃（2012BAK08B06）；國家自然科學基金重點項目（81030052）

趙玉鳳（1989—），女（漢），碩士研究生，研究方向：上轉換發光納米材料的制備及生物傳感器的研制。

*通信作者：高志賢（1963—），男，研究員，博士生導師。