基于內濾效應的納米傳感器對廢水中Fe3+的檢測研究

＊朱俊君 莫茜云

（1.廣東省茂名市質量計量監(jiān)督檢測所 廣東 525000 2.廣東誠高實驗室技術服務有限公司 廣東 525000）

引言

快速城市化和工業(yè)化導致水體和沉積物中Fe3+濃度的顯著變化，從而影響水生態(tài)系統(tǒng)平衡，污水中Fe3+檢測對于促進生態(tài)環(huán)境保護和提高水污染治理效果有著重要的意義。目前Fe3+的檢測方法，主要有分光光度法、原子吸收光譜法、電感耦合等離子體質譜法和伏安法[1]，但樣品制備繁瑣、檢測過程復雜和需要大型儀器。此外，大多數(shù)Fe3+熒光探針都基于有機染料[2]、量子點料[3]等組成，通常由紫外或可見光激發(fā)，背景熒光較大，光穩(wěn)定性較低，信號較弱，化學或熱不穩(wěn)定。因此，亟需檢測效率高、光學性質穩(wěn)定和毒性低的替代熒光材料，以用于Fe3+的檢測。

上轉換納米材料（UCNPs）可吸收多個能量較低的近紅外光（NIR）光子，并發(fā)射由反斯托克斯位移轉換為能量較高的可見光、紫外光和近紅外發(fā)射光子，具有獨特的上轉換發(fā)光（UCL）特性。由于減少了光散射，不僅降低了光損傷效應，而且近紅外光的激發(fā)在生物環(huán)境中提供了較低的自發(fā)熒光背景和較深的穿透深度。具有尖銳的發(fā)射帶寬（＜10nm）、大的反斯托克斯位移（大于100～200nm）、延長的發(fā)射衰減時間（1ms～ls范圍）、很好的化學/熱穩(wěn)定性、非凡的光穩(wěn)定性、低毒性和強的抗光閃爍/漂白能力等優(yōu)點。

本文采用高溫裂解法，以稀土硬脂酸鹽為前驅體，合成了形貌規(guī)則、尺寸均一、發(fā)光性能優(yōu)異的NaYF4:Yb,Er納米晶，并通過鹽酸溶液去除UCNPs表面的油酸配體增加材料的親水性，基于UCNPs和竹紅菌乙素（HB）的內濾效應，設計便捷的納米傳感器用于快速檢測廢水中的Fe3+。

1.方法與步驟

(1)實驗試劑

表1 實驗試劑

(2)稀土上轉換納米材料的制備

①稀土硝酸鹽乙醇溶液的制備

取適量稀土氧化物（RE2O3），加足量稀硝酸(1:1 v/v)溶解，磁力攪拌加熱至稀土氧化物溶解，繼續(xù)加熱至多余的硝酸完全揮發(fā)，得到稀土硝酸鹽固體，自然冷卻后加入適量乙醇，密封室溫攪拌2h后可得到完全溶解的稀土硝酸鹽乙醇溶液。

②稀土硬脂酸鹽前驅體的制備

將稀土硝酸鹽乙醇溶液與十八酸在70℃乙醇中混合攪拌回流至均一溶液，緩慢逐滴加入119g/L的NaOH溶液，待溫度升至78℃，回流攪拌30min；然后減壓抽濾，分別用蒸餾水和乙醇洗滌2次；最后將濾餅在60℃的烘箱中干燥12h，得到白色粉末狀稀土硬脂酸鹽前驅體。

③NaYF4:Yb,Er上轉換納米顆粒的制備

取100mL三頸燒瓶，加入適量油酸和1-十八烯及一定比例的NaF與Er稀土硬脂酸鹽、Y稀土硬脂酸鹽和Yb稀土硬脂酸鹽，置于氬氣氛圍中常溫磁力攪拌10min后升溫至140℃，加回流裝置，保持30min，排出水和氧氣；然后迅速升溫至312℃，保持反應45min后冷卻至室溫，離心后棄去上層清液，后用乙醇-環(huán)己烷、蒸餾水離心洗滌至無NaF成分，70℃真空干燥4h以除去殘留的溶劑，可得純凈的稀土離子摻雜的NaYF4納米晶（NaF/RE=28/0.8）。

(3)UCNPs表面油酸的去除

由于高溫裂解法合成的上轉換納米晶的表面帶有疏水性的油酸配體，在水中的溶解性較差，本文采用的去除油酸的方法具體步驟如下：100mg的UCNPs分散在10mL的蒸餾水中，然后加入150μL HC1（37% w/v），室溫攪拌3h，然后加入約10mL乙醚攪拌5min萃取解離的油酸，然后靜置分層，吸取乙醚層，此過程重復三次，乙醚成合并，加入約5mL水萃取，收集水層合并，然后加入2倍量的丙酮沉淀顆粒，顆粒15000rpm離心20min，去除上清液，沉淀用丙酮洗三次，即可得后續(xù)實驗需要用到的上轉換納米晶。

(4)UCNPs的表征

①透射電鏡表征

超聲分散UCNPs后，將其滴在銅網上，通過透射電鏡（TEM）對其形貌與尺寸進行表征。

②熒光光譜表征

采用MDL-Ⅲ 980nm功率可調近紅外激光器作為外接激發(fā)光源，選定激發(fā)功率為1W/cm2，狹縫10nm，對各個樣品進行光譜表征。

(5)Fe3+離子檢測

在1.5mL的EP管中配置最終濃度0.05mM的HB、0.05mg/mL的UCNPs、Fe3+濃度為100μM、200μM、300 μM、400μM、500μM、600μM的樣品孵育12min，后進行熒光測定，以檢測Fe3+。

2.結果與討論

(1)基于內濾效應檢測Fe3+離子的機理

Fe3+對HB穩(wěn)定性影響較大，與Fe3+絡合后的絡合產物顏色變?yōu)樽霞t色[4]。如圖1所示，首先，通過鹽酸溶液去除UCNPs表面的油酸配體，增加UCNPs的水溶性。而后，單純的HB可通過靜電作用有效吸附在鹽酸洗后的UCNPs的表面，單純HB可通過靜電作用高效吸附在UCNPs的表面，此時熒光未發(fā)生有效改變。只有加入Fe3+離子與HB高效絡合后，紫外-可見吸收光譜發(fā)生紅移，與UCNPs的上轉換熒光發(fā)射光譜發(fā)生有效重疊，產生內濾效應導致UCNPs在545nm處的熒光猝滅，從而達到檢測Fe3+離子的目的。

圖1 UCNPs檢測Fe3+機理圖

(2)UCNPs的表征

圖2（a）為在同等比例尺（50nm）的顯示下OA-UCNPs的透射電子顯微鏡圖，圖2（b）為Free-UCNPs的透射電子顯微鏡圖，由圖可知制備的上轉換納米粒子粒徑均一，形貌良好。OA-UCNPs經過表面油酸的去除后，獲得的Free-UCNPs在水中的分散性大大增加。表明成功合成了NaYF4:Yb,Er納米晶，而且鹽酸的處理不會對UCNPs的相貌產生影響。圖2（c）為OA-UCNPs的粒徑分析圖，OA-UCNPs平均粒徑在約為（29.71±0.24）nm，納米晶粒徑的分布基本呈正態(tài)分布，體現(xiàn)的均勻性較好。

圖2 （a）OA-UCNPs的透射電子顯微鏡圖；（b）Free-UCNPs的透射電子顯微鏡圖；（c）OA-UCNPs的粒徑分析圖

油酸是一種分子結構中含有一個碳碳雙鍵的不飽和脂肪酸，是組成油精的脂肪酸。油酸的主要的官能團為羥基、亞甲基及羧酸根。由于合成的納米材料表面帶有油酸所以在水溶液帶負電，Zeta電位為23.5mV。經鹽酸-水溶液處理去除油酸后納米粒子水溶液中顯正電性，Zeta電位為23.5mV，表明成功去除表面油酸。

(3)基于內濾效應的Fe3+檢測

①UCNPs與HB-Fe3+體系的檢測

配制HB終濃度為0.05mM HB、UCNPs為0.05mg/mL、Fe3+濃度為100μM、200μM、300μM、400μM、500μM、600μM的樣品多組，進行熒光測定，作為模擬實際樣品的檢測。圖3（a）為UCNPs與HB-Fe3+的熒光猝滅的標準曲線圖，圖3（b）為UCNPs與HB-Fe3+的線性圖，當體系中的Fe3+濃度在100～600μM時，其熒光值隨Fe3+濃度的增加而線性下降，線性方程為Y=-0.423X+399.7（R=0.9908），其中Y為熒光強度值，X為體系中Fe3+的濃度，R=0.9908，表明UCNPs與HB-Fe3+在100～600μM范圍內有較高的靈敏度，LOD為28.42μM，該體系證明UCNPs具有實現(xiàn)對溶液中Fe3+離子快檢的可行性。

圖3 （a）UCNPs與HB-Fe3+熒光猝滅譜圖；（b）UCNPs與HBFe3+熒光猝滅的標準曲線圖

②選擇性考察

為進一步完善該Fe3+檢測體系，對該體系進行選擇性考察，選擇其他不同種類的金屬離子作為可能干擾的物質，其中包括Al3+、Cu2+、Ag+、Mg2+、、等。配制濃度為0.05mg/mL的UCNPs和0.05mM的HB溶液，依次加200μM的不同金屬離子，其他金屬離子相比，F(xiàn)e3+對UCNPs-HB-體系的熒光猝滅的現(xiàn)象最顯著，此外Al3+和Cu2+也會與HB絡合，但其與HB的絡合物紅移未能與UCNPs的上轉換發(fā)射光譜達到較大的有效重疊，所以熒光猝滅程度與鐵與HB的絡合物相比不夠顯著。綜合上述不同情況，表明干擾物質不會干擾Fe3+的檢測，從而說明該檢測體系對Fe3+具有良好的識別特異性。

3.結論

本文實驗結果表明，在UCNPs和HB濃度一定時，隨著Fe3+濃度的提高，上轉換納米材料熒光強度隨Fe3+濃度的增加而下降，呈良好的線性關系。Fe3+濃度檢測濃度范圍為100～600μM，檢測限（LOD）為28.42μM。通過熒光信號的變化直接對Fe3+的濃度進行快速檢測，有望建立一種簡單、經濟、高選擇性、高靈敏度檢測Fe3+離子的新型納米傳感器。