基于稀土發(fā)光納米粒子熒光能量轉(zhuǎn)移分析新方法研究.pdf

1、熒光分析法由于具有靈敏度高，選擇性好，可測(cè)定的參數(shù)多等特點(diǎn)，在分析領(lǐng)域中得到了非常廣泛的應(yīng)用。在熒光分析中，熒光（發(fā)光）試劑的性能和所選擇的分析方法對(duì)檢測(cè)的靈敏度和選擇性具有非常重要的影響。發(fā)展新的合成方法，制備出具有優(yōu)良性質(zhì)的發(fā)光試劑（探針），如具有良好的穩(wěn)定性，高的量子產(chǎn)率，良好的水溶性和生物相容性等等，成為熒光分析方法研究中的前沿和熱點(diǎn)。人們?cè)缙谘芯康臒晒獠牧现饕怯袡C(jī)染料。有機(jī)熒光染料由于分子量小，易與生物分子連接，連接后生物的

2、活性基本不變，目前仍被廣泛地用于生物標(biāo)記、化學(xué)和生物傳感以及生物成像等領(lǐng)域。然而，有機(jī)染料具有一些缺陷，如熒光壽命短，激發(fā)光譜窄，發(fā)射光譜寬且對(duì)稱性差，易漂白，生物相容性（生物毒性）差等缺點(diǎn)。近年來，量子點(diǎn)作為發(fā)光試劑受到科學(xué)界極大的關(guān)注。與有機(jī)熒光染料相比，量子點(diǎn)具有獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)，如量子尺寸效應(yīng)，激發(fā)波長寬，發(fā)射波長窄等優(yōu)點(diǎn)。不同于有機(jī)染料和量子點(diǎn)，稀土離子摻雜的發(fā)光納米材料，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，斯托克斯位移大，生物毒性低，沒有閃

3、爍現(xiàn)象，抗光漂白性好等優(yōu)點(diǎn)，而且發(fā)射光譜窄和熒光壽命長。另外，一些稀土摻雜納米材料具有奇特的上轉(zhuǎn)換發(fā)光性質(zhì)。因此，制備具有優(yōu)良發(fā)光性能的稀土摻雜納米材料，利用熒光光譜技術(shù)，結(jié)合熒光能量轉(zhuǎn)移原理，建立高靈敏度、高選擇性的分析新方法，勢(shì)必具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。
　　 本論文中，我們采用水熱法制備了下轉(zhuǎn)換綠色發(fā)光CePO4∶Tb3+納米粒子，利用同步熒光光譜技術(shù)，并結(jié)合稀土發(fā)光納米粒子熒光能量轉(zhuǎn)移原理和熒光內(nèi)濾效應(yīng)原理分別建立

4、了二價(jià)鐵離子以及鋁離子的檢測(cè)的新方法。采用溶劑熱法制備了上轉(zhuǎn)換-可見光發(fā)光NaYF4∶Yb3+，Er3+納米粒子，利用上轉(zhuǎn)換發(fā)光技術(shù)，并結(jié)合熒光內(nèi)濾效應(yīng)和熒光共振能量轉(zhuǎn)移原理建立了六價(jià)鉻選擇性的檢測(cè)以及生物巰基化合物（半胱氨酸、同型半胱氨酸）檢測(cè)的新方法。主要的研究工作包括以下幾個(gè)方面:
　　 1)采用簡(jiǎn)便的水熱法制備了具有良好水溶性和穩(wěn)定性的CePO4∶Tb3+綠色發(fā)光納米粒子，并通過透射電鏡和電子衍射能譜進(jìn)行了表征。CePO

5、4∶Tb3+納米粒子發(fā)光機(jī)理是顆粒內(nèi)能量轉(zhuǎn)移，即作為基質(zhì)的Ce3+吸收能量后轉(zhuǎn)移給Tb3+，Tb3+吸收能量后電子實(shí)現(xiàn)5D4-7F6和5D4-7F5的躍遷，返回基態(tài)時(shí)發(fā)出綠色熒光。當(dāng)把二價(jià)鐵離子加入到CePO4∶Tb3+納米粒子-H2O2混合體系時(shí)，二價(jià)鐵離子和過氧化氫發(fā)生Fenton反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的羥基自由基會(huì)把Ce3+氧化成Ce4+，而Ce4+不能吸收激發(fā)能，因此，Ce3+和Tb3+之間能量轉(zhuǎn)移被破壞，從而導(dǎo)致體系的熒光強(qiáng)度降低。而三價(jià)

6、鐵離子不能和過氧化氫發(fā)生Fenton反應(yīng)?；谝陨显?，利用未經(jīng)功能化修飾的CePO4∶Tb3+納米粒子采用同步熒光光譜技術(shù)，結(jié)合Fenton反應(yīng)以及催化動(dòng)力學(xué)實(shí)現(xiàn)了對(duì)二價(jià)鐵離子、三價(jià)鐵離子的識(shí)別以及二價(jià)鐵離子的高靈敏度、高選擇性測(cè)定。我們對(duì)實(shí)驗(yàn)條件（如波長差△λ的選擇、CePO4∶Tb3+納米粒子的濃度、過氧化氫的濃度、酸度的影響、反應(yīng)的溫度與時(shí)間等）進(jìn)行了系統(tǒng)的優(yōu)化，并探討了反應(yīng)的機(jī)理。在最佳的實(shí)驗(yàn)條件下，該方法的線性范圍為3.0n

7、M-2.0μM，線性相關(guān)系數(shù)為0.999，檢出限（3σ)為2.0nM。試驗(yàn)了干擾離子的影響，K+，Na+，Mg2+，和Ca2+干擾很小;而Ni2+，Mn2+，Cu2+等金屬離子干擾相對(duì)較大，但在相同的濃度下，同步熒光強(qiáng)度的改變值小于5％。最后，將該方法應(yīng)用于水樣中二價(jià)鐵離子的測(cè)定。
　　 2)在酸性的條件下，鉻天青S(CAS)和鋁離子發(fā)生定量反應(yīng)，生成紫紅色的配合物CAS-Al3+。CAS-Al3+配合物的吸收光譜和CePO4∶

8、Tb3+納米粒子的發(fā)射光譜(發(fā)射峰為551nm)能有效重疊，滿足了內(nèi)濾效應(yīng)的有關(guān)光譜重疊的要求。同時(shí)CAS-Al3+配合物和CePO4∶Tb3+納米粒子不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)?；谝陨显?，利用未經(jīng)功能化修飾的CePO4∶Tb3+納米粒子和同步熒光光譜掃描技術(shù)，建立了基于內(nèi)濾效應(yīng)的Al3+光學(xué)傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋁離子的高靈敏度、高選擇性測(cè)定。我們對(duì)實(shí)驗(yàn)條件（如波長差△λ的選擇、CePO4∶Tb3+納米粒子的濃度、鉻天青S的濃度、緩沖溶液的影響、反

9、應(yīng)的溫度與時(shí)間等）進(jìn)行了系統(tǒng)的優(yōu)化，并探討了反應(yīng)的機(jī)理。在最佳的實(shí)驗(yàn)條件下，該方法的線性范圍為8.0ngmL-1-100.0ngmL-1，線性相關(guān)系數(shù)為0.993，檢出限(3σ)為5.3ngmL-1。該方法的靈敏度明顯的優(yōu)于鋁-鉻天青S分光光度法（線性范圍為0.02～0.14μgmL-1）。試驗(yàn)了干擾離子的影響，K+，Na+，Zn2+，Mg2+，Ca2+和Ba2+等一些可能共存的離子干擾很小。最后，將該方法應(yīng)用于水樣中鋁離子的測(cè)定。

10、r>　　 3)采用溶劑熱法合成了性質(zhì)穩(wěn)定、水溶性好、發(fā)光效率高的NaYF4∶Yb3+，Er3+上轉(zhuǎn)換綠色發(fā)光納米粒子，并通過透射電鏡、XRD以及上轉(zhuǎn)換發(fā)光光譜進(jìn)行了表征。在酸性的條件下，二苯氨基脲(DPC)和Cr(Ⅵ)發(fā)生定量反應(yīng)，生成的Cr(Ⅲ)和二苯基卡巴腙同時(shí)發(fā)生反應(yīng)生成一種紫紅色配合物(Cr(Ⅲ)-diphenylcarbazone)(需要指出的是，Cr(Ⅲ)不能直接和二苯基卡巴腙發(fā)生反應(yīng)生成紫紅色配合物）。綠色發(fā)光NaYF4

11、∶Yb3+，Er3+納米粒子的發(fā)光光譜和Cr(Ⅲ)-diphenylcarbazone配合物的吸收光譜能有效重疊，滿足了內(nèi)濾效應(yīng)的有關(guān)光譜重疊的要求。同時(shí)Cr(Ⅲ)-diphenylcarbazone配合物和NaYF4∶Yb3+，Er3+上轉(zhuǎn)換綠色發(fā)光納米粒子不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。基于以上原理，建立了一種內(nèi)濾效應(yīng)測(cè)定Cr(Ⅵ)的新方法。我們對(duì)實(shí)驗(yàn)條件(NaYF4∶Yb3+，Er3+納米粒子濃度的影響、二苯氨基脲濃度的影響和酸度的影響等)進(jìn)行了

12、系統(tǒng)的優(yōu)化，并探討了反應(yīng)的機(jī)理。在最佳的實(shí)驗(yàn)條件下，該方法的線性范圍為7.00×10-8-1.00×10-5molL-1，線性相關(guān)系數(shù)為0.995，檢出限(3σ)為2.40×10-8molL-1。該方法的靈敏度明顯的優(yōu)于二苯氨基脲分光光度法檢測(cè)Cr(Ⅵ)（檢出限為3.80×10-8molL-1）。試驗(yàn)了干擾離子的影響，K+，Na+，Ca2+，Mg2+，Cu2+，Ni2+，Pb2+等常見的可能共存的金屬離子干擾很小。特別需要指出的是，即使

13、Cr(Ⅲ)的濃度為Cr(Ⅵ)濃度200倍時(shí)，干擾仍然很小。最后，將該方法應(yīng)用于水樣中六價(jià)鉻的測(cè)定。
　　 4)由于表面帶正電荷的NaYF4∶Yb3+，Er3+上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料的發(fā)射光譜和表面帶負(fù)電荷的金納米粒子的吸收光譜重疊，而且二者之間的靜電引力相互吸引拉近了供體-NaYF4∶Yb3+，Er3+上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米粒子和受體-金納米粒子的距離，滿足了熒光共振能量轉(zhuǎn)移的條件。因此，二者之間發(fā)生了熒光共振能量轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致了NaYF4∶Y

14、b3+，Er3+納米粒子的發(fā)光強(qiáng)度降低。當(dāng)加入生物巰基化合物（如半胱氨酸、同型半胱氨酸）時(shí)，金納米粒聚集，其吸光度下降，破壞了NaYF4∶Yb3+，Er3+納米粒子-金納米粒子熒光共振能量轉(zhuǎn)移體系，從而導(dǎo)致熒光共振能量轉(zhuǎn)移體系的熒光強(qiáng)度得到恢復(fù)?；谝陨显恚⒘恕皌urn-on”型NaYF4∶Yb3+，Er3+上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料-金納米粒子熒光共振能量轉(zhuǎn)移體系測(cè)定生物巰基化合物的方法。我們對(duì)實(shí)驗(yàn)條件(NaYF4∶Yb3+，Er3+上

15、轉(zhuǎn)換發(fā)光納米粒子的濃度，金納米粒子的濃度，緩沖溶液，反應(yīng)時(shí)間等)進(jìn)行了系統(tǒng)的優(yōu)化，并探討了反應(yīng)的機(jī)理。在最佳的實(shí)驗(yàn)條件下，該方法測(cè)定半胱氨酸的線性范圍為0.04-1.00μgmL-1，線性相關(guān)系數(shù)為0.996，檢出限(3σ)為1.24×10-2μgmL-1;測(cè)定同型半胱氨酸的線性范圍為0.06-1.80μgmL-1，線性相關(guān)系數(shù)為0.992，檢出限(3σ)為1.51×10-2μgmL-1。試驗(yàn)了干擾離子的影響。結(jié)果表明，Na+，K+，C