基于上轉(zhuǎn)換納米材料的pH傳感器研究

劉映++胡益輝+++彭俊梅

摘要：基于上轉(zhuǎn)換納米材料（NaGdF4：Yb/Tm）在近紅外區(qū)980nm波長激發(fā)下于475nm處有較強(qiáng)的發(fā)射峰，可與異硫氰酸熒光素（FITC）發(fā)生熒光能量共振轉(zhuǎn)移，且FITC對在475nm處的熒光淬滅程度依賴于pH的變化，該實驗設(shè)計、合成了一個基于上轉(zhuǎn)換熒光猝滅的新型生物傳感器，實驗結(jié)果表明，構(gòu)建的新型納米材料可有效避免干擾物的熒光背景，在不同的pH環(huán)境中，響應(yīng)值具有相應(yīng)的變化，其中，pH3-5范圍內(nèi)的響應(yīng)敏感度較高，該材料生物相容性較好，可實現(xiàn)對pH的快速、簡單、靈敏的檢測，為上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料的應(yīng)用提供了新思路。

關(guān)鍵詞：上轉(zhuǎn)換納米材料 pH 傳感器

中圖分類號：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

稀土上轉(zhuǎn)換納米粒子作為一種新型熒光納米材料，其主要的特點就是可以在 980 nm 紅外光激發(fā)下發(fā)射出可見光[1]，與傳統(tǒng)的有機(jī)熒光染料和量子點相比較而言，上轉(zhuǎn)換納米粒子具有毒性低，分辨率高，可在紅外光下激發(fā)等特點，該材料更適合活體成像，因此，上轉(zhuǎn)換材料的應(yīng)用引起了社會各界廣泛關(guān)注。目前，上轉(zhuǎn)換材料主要應(yīng)用于光動力學(xué)治療、光學(xué)成像（細(xì)胞組織成像、器官動物成像；擴(kuò)散光學(xué)斷層掃描；多模式成像等）和熒光分析（熒光/冷光能量共振轉(zhuǎn)移均相分析等[2]。但是，對于上轉(zhuǎn)換納米材料的應(yīng)用依然處于初級階段，因此有必要進(jìn)一步深入的研究其長遠(yuǎn)發(fā)展。

在 475 nm 處，上轉(zhuǎn)換納米材料（NaGdF4：Yb/Tm）有較強(qiáng)的發(fā)射峰，會與異硫氰酸熒光素（FITC）產(chǎn)生熒光能量共振轉(zhuǎn)移，而FITC的相對熒光強(qiáng)度受氫離子濃度影響，是一種氫離子傳感器[3]，基于此原理，設(shè)計了一個基于上轉(zhuǎn)換熒光猝滅的新型傳感器，實現(xiàn)了對 pH 的檢測。

1材料與方法

1.1 材料

六水合三氯化銩、六水合三氯化鐿、水合氯化釓、氟化銨、氫氧化鈉、油酸、3-氨丙基三乙氧基硅烷、1-十八烯等試劑購買于 Sigma-Aldrich公司。氨水、三乙胺、異丙醇、正硅酸乙酯購買于北京鼎國生物技術(shù)有限公司。二水合磷酸二氫鈉、十二水合磷酸氫二鈉、異硫氰酸熒光素購買于上海生工生物有限公司。無特殊說明所有試劑均為分析純。

1.2 儀器

UV-2450紫外可見光譜儀（日本，東京）；EM-2100透射電鏡（日本，JEOL）；FE 20 Five Easy Plus pH 計（中國，北京）；Fluoromax-4熒光光譜儀（日本，日立）； JLNG-T88濃縮干燥器（中國，太倉）。

1.3 實驗方法

溶劑熱法合成油酸包裹的核-殼稀土上轉(zhuǎn)換納米顆粒[4]。配置稀土離子的水溶液，其中稀土離子的摩爾比例為Gd：Yb：Tm=74.7%：25%：0.3%，將油酸和含有 0.5 mmol 的稀土離子的水溶液以3：2的比例混合，在150 ℃下油浴30 min；加入1-十八烯繼續(xù)反應(yīng) 30 min后，靜置冷卻反應(yīng)溶液至室溫，加入5 mL含有1.0 mmol 氫氧化鈉和1.1 mmol 氟化銨的甲醇溶液，室溫攪拌，待完全蒸發(fā)除去甲醇后升溫至 300 ℃，氬氣保護(hù)下反應(yīng) 90 min，加無水乙醇沉淀得到顆粒。洗滌、溶解在環(huán)己烷溶液中用于下一步合成待用。按照類似的步驟進(jìn)行殼包覆。

按 FITC與3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES ）的摩爾濃度比值為 1：1 ，在DMF有機(jī)溶劑 中反應(yīng)過夜即可獲得 FITC-APTES 的復(fù)合前體[5]，隨后將油酸包裹的上轉(zhuǎn)換納米顆粒分散于異丙醇中并進(jìn)行超聲，分散好后向其中加入H2O和NH4OH ，35 ℃下劇烈攪拌10 min，之后向反應(yīng)液中逐滴加入含有FITC-APTES前體的異丙醇，再在35 ℃條件下反應(yīng) 8 h后，繼續(xù)加入20 mL含有正硅酸乙酯（TEOS） 的異丙醇，繼續(xù)35 ℃下反應(yīng) 4 h，反應(yīng)完成后得到硅殼包裹的核殼上轉(zhuǎn)換納米顆粒，且硅殼中摻雜了 FITC 的復(fù)合納米顆粒。

JY 熒光光譜儀上掃描發(fā)射光譜（980 nm 的激光強(qiáng)度為 2.0 W，發(fā)射光狹縫寬度 5.0 nm）；透射電子顯微鏡對合成的納米顆粒進(jìn)行結(jié)構(gòu)觀察（JEM-2100，加速電壓為 200 KV）；通過不同 pH 的 PB 緩沖溶液與FITC-UCNPs 復(fù)合材料混合，使用Fluoromax-4熒光光譜儀驗證納米顆粒對pH的響應(yīng)。

2結(jié)果與討論

該傳感器設(shè)計的原理是基于上轉(zhuǎn)換納米顆粒于近紅外980nm波長激發(fā)下，在475nm處發(fā)生較強(qiáng)的發(fā)射，而在475nm處FITC隨 pH 的變化出現(xiàn)不同程度的吸收。通過 FITC不同程度的吸收上轉(zhuǎn)換納米顆粒在475nm的熒光，實現(xiàn)了對 pH的響應(yīng)。據(jù)此，我們構(gòu)建了這樣一個簡單、快速檢測 pH 的化學(xué)傳感器。

2.1 上轉(zhuǎn)換納米顆粒的表征

透射電鏡掃描圖片顯示，如圖1中A所示，合成的上轉(zhuǎn)換顆粒為均勻的六邊形，粒徑約為20nm，圖B為 FITC-UCNPs 復(fù)合納米顆粒的高分辨透射電子顯微鏡圖（HRTEM），可以明顯看出該實驗成功地在上轉(zhuǎn)換納米顆粒上包了一層厚度約為2nm硅殼。

A B

圖 1 （A）分散在環(huán)己烷中的油酸包裹上轉(zhuǎn)換納米顆粒TEM圖，顆粒直徑約 20nm；（B）分散在水中的 FITC-UCNPs 復(fù)合納米顆粒HRTEM圖，硅殼厚度約 2nm

2.2 基于 FITC-UCNPs 復(fù)合材料對 pH 響應(yīng)的原理驗證

通過掃描不同pH中FITC的吸收光譜圖發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)ITC在475nm處的吸收隨 pH的變化而變化，如圖2中A所示。pH 為9時FITC 有較強(qiáng)的吸收，其曲線很大部分與上轉(zhuǎn)換納米顆粒在 475nm處的發(fā)射的相互重疊，符合能量轉(zhuǎn)移理論的條件，如圖2中B所示。為進(jìn)一步驗證該傳感器在實際應(yīng)用中有較高的可行性，該實驗對FITC-UCNPs 復(fù)合納米顆粒在不同 pH 中的響應(yīng)情況進(jìn)行了檢測，如圖3所示，在980nm的激發(fā)光源和不同的pH 條件下，上轉(zhuǎn)換納米顆粒在 475nm處的發(fā)射存在顯著差異，這一結(jié)果證實了該研究中構(gòu)建的pH傳感器在實際應(yīng)用中可行性較高。

A B

圖 2 （A）FITC在不同pH中的吸收曲線，其中a、b、c、d、e分別表示pH為3、5、7、9、13時的吸收曲線；（B）a為上轉(zhuǎn)換納米顆粒在980nm激發(fā)光源下的發(fā)射光譜圖，b為FITC在pH為9時的吸收曲線圖

圖 3 980nm激發(fā)光源下，F(xiàn)ITC-UCNPs復(fù)合納米顆粒對pH的響應(yīng)曲線圖，a、b、c分為pH為3、5、9時的發(fā)射光譜圖

2.3 FITC-UCNPs 復(fù)合材料對 pH 的檢測

檢測制備的 FITC-UCNPs 復(fù)合納米顆粒在一系列不同 pH條件下的響應(yīng)情況，從結(jié)果可以看出，該復(fù)合材料較為敏感的pH響應(yīng)范圍為3～5之間，如圖 4所示。

圖 4 不同pH條件下FITC-UCNPs復(fù)合材料的熒光響應(yīng)圖，a-f依次為pH3、4、5、7、9、13時的熒光變化曲線圖

3結(jié)語

該實驗基于熒光信號的變化，通過結(jié)合pH敏感的熒光染料FITC與稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米顆粒設(shè)計并合成了一種新穎的生物傳感器，實現(xiàn)了對pH簡單、快速、靈敏、環(huán)保的檢測。由于上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的激發(fā)光在近紅外光區(qū)（980nm），與許多傳統(tǒng)的方法相比，可較好的避免一些干擾物的熒光背景，作為 pH 檢測的輸出信號具有較強(qiáng)的抗干擾等優(yōu)點，不但操作簡便，而且避免在檢測過程中使用大型的分析儀器。除此之外，該傳感器具有生物相容性和高效環(huán)保等特點，順應(yīng)現(xiàn)代綠色化學(xué)的發(fā)展要求，為上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料在生命分析領(lǐng)域的使用開辟了新道路，提供了新方法。

參考文獻(xiàn)

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[3] 馬麗英.異硫氰酸熒光素氫離子化學(xué)傳感器的研制和應(yīng)用[D].濟(jì)南：山東師范大學(xué)，2004：39-42.

[4] Wang F，Liu X.Recent advances in the chemistry of lanthanide-doped upconversion nanocrystals[J].Chemical Society Reviews，2009，38（4）：976-989.

[5] Wang L，Tan W.Multicolor FRET silica nanoparticles by single wavelength excitation[J].Nano Letters，2006，6（1）：84-88.