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，可測定的參數(shù)多等特點，在分析領域中得到了非常廣泛的應用。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檢測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。人們早期研究的熒光材料主要是有機染料。有機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記、化學和生物傳感以及生物成像等領域。然而，有機染料具有一些缺陷，如熒光壽命短，激發(fā)光譜窄，發(fā)射光譜寬且對稱性差，易漂白，生物相容性（生物毒性）差等缺點。近年來，量子點作為發(fā)光試劑受到科學界極大的關注。與有機熒光染料相比，量子點具有獨特的光學性質(zhì)，如量子尺寸效應，激發(fā)波長寬，發(fā)射波長窄等優(yōu)點。不同于有機染料和量子點，稀土離子摻雜的發(fā)光納米材料，具有良好的化學穩(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，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，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，勢必具有重要的理論意義和應用價值。
　　 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，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)濾效應原理分別建立

4、了二價鐵離子以及鋁離子的檢測的新方法。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，并結(jié)合熒光內(nèi)濾效應和熒光共振能量轉(zhuǎn)移原理建立了六價鉻選擇性的檢測以及生物巰基化合物（半胱氨酸、同型半胱氨酸）檢測的新方法。主要的研究工作包括以下幾個方面:
　　 1)采用簡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行了表征。CePO

5、4∶Tb3+納米粒子發(fā)光機理是顆粒內(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+吸收能量后電子實現(xiàn)5D4-7F6和5D4-7F5的躍遷，返回基態(tài)時發(fā)出綠色熒光。當把二價鐵離子加入到CePO4∶Tb3+納米粒子-H2O2混合體系時，二價鐵離子和過氧化氫發(fā)生Fenton反應時產(chǎn)生的羥基自由基會把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，從而導致體系的熒光強度降低。而三價

6、鐵離子不能和過氧化氫發(fā)生Fenton反應?；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，結(jié)合Fenton反應以及催化動力學實現(xiàn)了對二價鐵離子、三價鐵離子的識別以及二價鐵離子的高靈敏度、高選擇性測定。我們對實驗條件（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、反應的溫度與時間等）進行了系統(tǒng)的優(yōu)化，并探討了反應的機理。在最佳的實驗條件下，該方法的線性范圍為3.0n

7、M-2.0μM，線性相關系數(shù)為0.999，檢出限（3σ)為2.0nM。試驗了干擾離子的影響，K+，Na+，Mg2+，和Ca2+干擾很小;而Ni2+，Mn2+，Cu2+等金屬離子干擾相對較大，但在相同的濃度下，同步熒光強度的改變值小于5％。最后，將該方法應用于水樣中二價鐵離子的測定。
　　 2)在酸性的條件下，鉻天青S(CAS)和鋁離子發(fā)生定量反應，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)濾效應的有關光譜重疊的要求。同時CAS-Al3+配合物和CePO4∶Tb3+納米粒子不發(fā)生化學反應。基于以上原理，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，建立了基于內(nèi)濾效應的Al3+光學傳感器，實現(xiàn)了對鋁離子的高靈敏度、高選擇性測定。我們對實驗條件（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、應的溫度與時間等）進行了系統(tǒng)的優(yōu)化，并探討了反應的機理。在最佳的實驗條件下，該方法的線性范圍為8.0ngmL-1-100.0ngmL-1，線性相關系數(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，將該方法應用于水樣中鋁離子的測定。

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，生成的Cr(Ⅲ)和二苯基卡巴腙同時發(fā)生反應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)濾效應的有關光譜重疊的要求。同時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)生化學反應?；谝陨显恚⒘艘环N內(nèi)濾效應測定Cr(Ⅵ)的新方法。我們對實驗條件(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)進行了

12、系統(tǒng)的優(yōu)化，并探討了反應的機理。在最佳的實驗條件下，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Cr(Ⅵ)（檢出限為3.80×10-8molL-1）。試驗了干擾離子的影響，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，干擾仍然很小。最后，將該方法應用于水樣中六價鉻的測定。
　　 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，導致了NaYF4∶Y

14、b3+，Er3+納米粒子的發(fā)光強度降低。當加入生物巰基化合物（如半胱氨酸、同型半胱氨酸）時，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，從而導致熒光共振能量轉(zhuǎn)移體系的熒光強度得到恢復?；谝陨显?，建立了“turn-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)移體系測定生物巰基化合物的方法。我們對實驗條件(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，反應時間等)進行了系統(tǒng)的優(yōu)化，并探討了反應的機理。在最佳的實驗條件下，該方法測定半胱氨酸的線性范圍為0.04-1.00μgmL-1，線性相關系數(shù)為0.996，檢出限(3σ)為1.24×10-2μgmL-1;測定同型半胱氨酸的線性范圍為0.06-1.80μgmL-1，線性相關系數(shù)為0.992，檢出限(3σ)為1.51×10-2μgmL-1。試驗了干擾離子的影響。結(jié)果表明，Na+，K+，C