趙玉鳳，寧保安，張娜，范獻(xiàn)軍，姜隨意，田靜菡，高志賢

（天津理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院天津300384）

應(yīng)用于食品檢測(cè)的上轉(zhuǎn)換材料的合成與修飾

趙玉鳳，寧保安，張娜，范獻(xiàn)軍，姜隨意，田靜菡，高志賢*

（天津理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院天津300384）

鑭系元素?fù)诫s的上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米顆粒（UCNPs）因其獨(dú)特的化學(xué)和光學(xué)特性而成為了食品檢測(cè)領(lǐng)域中最具應(yīng)用前景的材料之一。發(fā)現(xiàn)該技術(shù)在布魯氏菌、鏈球菌及大腸桿菌等食品安全檢測(cè)中應(yīng)用效果極好。為了進(jìn)一步的推進(jìn)其在食品安全領(lǐng)域中的應(yīng)用，需要改進(jìn)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(yīng)用于食品檢測(cè)領(lǐng)域。

上轉(zhuǎn)換發(fā)光；食品檢測(cè)；水熱合成法；表面修飾

食品安全問題已是一件關(guān)乎社會(huì)穩(wěn)定、民族團(tuán)結(jié)及人民切身利益的大事，人們?cè)谧非蟪缘蔑?，吃的好的同時(shí)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(yán)重，既關(guān)系人們的身體健康，也嚴(yán)重影響地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)環(huán)境[1-2]。面對(duì)大量的激素類物質(zhì)，現(xiàn)場(chǎng)快速篩查技術(shù)便成為了重要的科技需求。為了加快食品產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，滿足農(nóng)產(chǎn)品和食品入境快速通關(guān)的要求，應(yīng)對(duì)食源性突發(fā)事件，為現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)高新技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)品提供支撐，UPT（上轉(zhuǎn)換技術(shù)）快速檢測(cè)系統(tǒng)的研制迫在眉睫[3-5]。

UPT又稱上轉(zhuǎn)換發(fā)光技術(shù)，是一種基于UCNPs的新興檢測(cè)技術(shù)。UCNPs即上轉(zhuǎn)換發(fā)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(gè)或多個(gè)（長波長的）低能光子而發(fā)射出一個(gè)（短波長的）高能光子，是一個(gè)非線性的光學(xué)過程。通常由基質(zhì)材料、激活劑、敏化劑組成。利用稀土元素離子亞穩(wěn)態(tài)的能級(jí)在光激發(fā)過程中發(fā)生反斯托克斯效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)光學(xué)成像[6-7]。

在過去的幾年中人們對(duì)上轉(zhuǎn)換材料的發(fā)光機(jī)制已經(jīng)有了深入研究.上轉(zhuǎn)化過程是由低能量的電子激發(fā)而產(chǎn)生高能量發(fā)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(jī)制可分為三大類：激發(fā)態(tài)吸收（excited state absorption ESA）,能量轉(zhuǎn)移（energy transfe ET）和光子雪崩（photon avalanche PA）。圖1為幾種上轉(zhuǎn)換發(fā)光過程示意圖。

激發(fā)態(tài)吸收：即為同一離子吸收兩個(gè)光子，是唯一一種發(fā)生在低濃度稀土摻雜材料中的過程。

圖1 UCNPs的主要能量轉(zhuǎn)移機(jī)制Fig.1 Generalenergy transfer typesof UCNPs

第一個(gè)光子使離子從基態(tài)進(jìn)入到一個(gè)穩(wěn)定的中間激發(fā)態(tài)，（即基態(tài)吸收，GSA）第二個(gè)光子將離子從中間態(tài)激勵(lì)至更高的激發(fā)態(tài),最后激發(fā)離子回落基態(tài)而產(chǎn)生上轉(zhuǎn)換發(fā)光。也存在稀土離子一次性吸收兩個(gè)光子的雙光子激發(fā)過程（TPAE）[9-10]。

能量轉(zhuǎn)移：發(fā)生在有敏化劑摻雜的材料中，敏化劑被激發(fā)后回落至基態(tài)，能量轉(zhuǎn)移給鄰近的激活劑離子。能量吸收過程通常發(fā)生在高濃度稀土離子摻雜的材料中，且可與激發(fā)態(tài)吸收同時(shí)存在，可分為能量轉(zhuǎn)移伴隨激發(fā)態(tài)吸收（EFE）、連續(xù)能量轉(zhuǎn)移（APTE）、交叉弛豫（CR）、合作上轉(zhuǎn)換發(fā)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(chǎn)生發(fā)光效率最高的機(jī)制。首先敏化離子吸收光躍遷至第一激發(fā)態(tài)，而后再次吸收入射光子躍遷至第二激發(fā)態(tài)。處于第二激發(fā)態(tài)的敏化離子可以與鄰近的基態(tài)離子發(fā)生交叉弛豫產(chǎn)生成兩個(gè)處于第一激發(fā)態(tài)的敏化離子，這兩個(gè)敏化離子有可以再次吸收光子重復(fù)此過程產(chǎn)生四個(gè)激發(fā)態(tài)敏化離子，由此如雪崩般積累產(chǎn)生大量處于中間激發(fā)態(tài)的敏化離子而儲(chǔ)存大量能量[14]。

上轉(zhuǎn)換納米顆粒不同于量子點(diǎn)，其能級(jí)的轉(zhuǎn)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(yīng)，故不需要像合成量子點(diǎn)一樣對(duì)粒徑進(jìn)行嚴(yán)格掌控。而反應(yīng)物的均一分散和比例優(yōu)化、對(duì)稀土元素氧化態(tài)的控制是制備過程中的要點(diǎn)。激光蝕刻法和消解法可以從塊體材料得到相應(yīng)的納米顆粒，但是很難實(shí)現(xiàn)對(duì)粒徑和分散性的掌控。相對(duì)于上述物理法，化學(xué)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(zhuǎn)換發(fā)光納米顆粒其優(yōu)勢(shì)如下：（1）產(chǎn)物十分純凈（2）容易控制顆粒的粒徑結(jié)構(gòu)和形態(tài)（3）相對(duì)低的反應(yīng)溫度（4）操作過程使用設(shè)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(tuán)，所以需要后續(xù)的修飾增加水溶性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)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(yīng)釜：濟(jì)南恒化科技有限公司；烘箱：上海恒科儀器有限公司；離心機(jī)：上海安亭科學(xué)儀器廠TGL-16B；天平：梅特勒-托利多儀器有限公司；機(jī)械攪拌器：北京金北德工貿(mào)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(jī)電有限公司；熒光分光光度計(jì)：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(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 方法

方法一：油酸包覆的上轉(zhuǎn)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(gè)體系超聲混勻后轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中，120℃加熱30min后再200℃加熱適當(dāng)?shù)臅r(shí)間。待反應(yīng)體系降至室溫后，將產(chǎn)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(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)于200mL反應(yīng)釜中，并于180℃加熱條件下反應(yīng)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(zhuǎn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%~28%的氨水，將體系置于35℃加熱條件下機(jī)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(yīng)體系中。待反應(yīng)3 h后，將產(chǎn)物離心，洗滌收集。

1.2.3 上轉(zhuǎn)換納米顆粒的氨基化修飾

稱取20mg硅烷化修飾的上轉(zhuǎn)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(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)時(shí)間對(duì)上轉(zhuǎn)換納米材料粒徑及形貌的影響

圖2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)上轉(zhuǎn)納米材料粒徑及形貌的影響Fig.2 Theeffectof reaction tiMe to the sizeandMorphology of UCNPs

結(jié)果顯示，圖a中的產(chǎn)物為0.8μm×0.06μm的細(xì)棒，圖b中的產(chǎn)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(chǎn)物約為1.1μm×0.2μm的棒狀顆粒。由圖a與圖c可以發(fā)現(xiàn)，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，產(chǎn)物的粒徑得到了明顯的增加，說明增加反應(yīng)時(shí)間可以使反應(yīng)更加充分，從而使產(chǎn)物的晶核不斷地生長繼而得到較大粒徑的產(chǎn)物；由圖b與圖c可知，在120℃預(yù)加熱條件下，產(chǎn)物有兩種存在狀態(tài)即顆粒狀與棒狀，說明在溫度低于200℃時(shí)，對(duì)反應(yīng)物先進(jìn)行預(yù)加熱可以得到不同晶型不同形貌的產(chǎn)物，此點(diǎn)也在文獻(xiàn)——中得到驗(yàn)證。

綜上可知，反應(yīng)時(shí)間是影響產(chǎn)物粒徑及形貌的重要因素，此外，反應(yīng)溫度也可以至關(guān)重要的影響產(chǎn)物的晶型及晶貌。

2.2 NaF的用量在制備上轉(zhuǎn)換納米材料中的影響

圖3 NaF的用量在制備上轉(zhuǎn)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(chǎn)物，e圖中為0.1μm×1μm的棒狀產(chǎn)物，f圖中為80 nm左右的顆粒狀產(chǎn)物，g圖中為60 nm左右的顆粒狀產(chǎn)物。由此可見，在其他條件都相同時(shí)，NaF的用量對(duì)產(chǎn)物的粒徑及形貌有著至關(guān)重要的作用，產(chǎn)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(jié)果顯示，無論是何種晶型及形貌的上轉(zhuǎn)換材料，都能夠在其表面進(jìn)行硅烷化修飾，可以看到上轉(zhuǎn)換材料的表面被包覆了一層顯而易見的薄層，且產(chǎn)物在水中的分散性得到了提高，大大增加了其應(yīng)用范圍，這也為后續(xù)的在上轉(zhuǎn)換表面修飾氨基等功能集團(tuán)做了鋪墊。

2.4 氨基化表面修飾后的紅外表征圖

結(jié)果顯示，氨基化修飾后的上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料在3 401cm-1左右有一個(gè)較為尖銳的吸收峰，此為NH的伸縮振動(dòng)；在1 633 cm-1左右有較弱的吸收峰，此為NH的面內(nèi)彎曲振動(dòng)；在799 cm-1左右有較強(qiáng)的吸收峰，此為NH的面外彎曲振動(dòng)。

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(zhuǎn)換發(fā)光材料經(jīng)硅烷化修飾后可以成功地修飾上氨基。當(dāng)表面修飾氨基后，上轉(zhuǎn)換發(fā)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(jìn)行偶聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)食品中有毒有害小分子的檢測(cè)。

2.5 上轉(zhuǎn)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(dāng)激光器功率設(shè)置一定且熒光分光光度計(jì)參數(shù)設(shè)置一定時(shí)，上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的熒光強(qiáng)度隨著其濃度的增大而增強(qiáng)。材料有較強(qiáng)的發(fā)射峰及明顯的主副峰光強(qiáng)差，較窄的半峰寬，較好的熒光性能。當(dāng)用980nm的激光器作為光源照射材料時(shí)，材料可以發(fā)射出肉眼可見的綠光。因此該上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料在用于食品檢測(cè)時(shí)可以完全實(shí)現(xiàn)可視化。

3 總結(jié)與展望

本文利用經(jīng)典的水熱法合成了油酸及PAA包覆的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料，并對(duì)其進(jìn)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(kuò)大了其應(yīng)用范圍。用熒光分光光度計(jì)對(duì)其的熒光性能進(jìn)行了表征，結(jié)果顯示良好。

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

雖然取得了很大的進(jìn)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(jìn)行成像研究的熱效應(yīng)。因此，這就需要我們研究一種新的發(fā)射波長在700 nm到900 nm的UCNPs。（2）關(guān)于活體成像和藥物傳送中，要想利用一個(gè)效的尿排泄來把體內(nèi)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(nèi)。然而，縮小UCNPs的尺寸后，往往導(dǎo)致其發(fā)光效率變低，因?yàn)槠浔砻娴臒晒忖缧?yīng)是由尺寸決定的。因此，單分散性的小尺寸納米結(jié)構(gòu)且發(fā)射強(qiáng)熒光的UCNPs的新的設(shè)計(jì)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(tǒng)需要被個(gè)性化制作來使其適應(yīng)UCNPs特有的激發(fā)和發(fā)射特性。因此，商業(yè)設(shè)備及系統(tǒng)的發(fā)展對(duì)加快UCNPs的應(yīng)用有著至關(guān)重要的作用。（4）對(duì)于用于食品檢測(cè)中的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料，其水溶性與表面修飾程度直接影響著其檢測(cè)范圍與靈敏度。

總之，上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料因其獨(dú)特的光學(xué)及化學(xué)特性，不僅在成像，導(dǎo)藥及治療領(lǐng)域發(fā)揮著巨大作用，還成為了食品檢測(cè)領(lǐng)域中最具應(yīng)用前景的材料之一。

[1]林敏,趙英,董宇卿,周麗宏,等.稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料的制備及生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究進(jìn)展[J].西安：中國材料進(jìn)展,2012,24-26

[2]賈國超,職愛民,宋春美,等.上轉(zhuǎn)換熒光技術(shù)在食品安全檢測(cè)中的應(yīng)用[J].北京：食品安全質(zhì)量檢測(cè)學(xué)報(bào),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，F(xiàn)AN 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(jì)劃（2012BAK08B06）；國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（81030052）

趙玉鳳（1989—），女（漢），碩士研究生，研究方向：上轉(zhuǎn)換發(fā)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(dǎo)師。