一種具有多色發光光譜的復合上轉換納米探針及其制備方法與應用的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種具有多色發光光譜的復合上轉換納米探針及其制備方法與應用。通過將PEI-NaYF4:Yb,Tm和PAA-NaYF4:Yb,Er按3:1的質量比混合均勻，得到具有多色發光光譜的復合上轉換納米探針，該探針為稀土基上轉換發光納米材料，它具有多個可見發光帶光譜，因此可以實現比例熒光可視化檢測。利用該探針作為主體材料制備的TNT檢測試紙，在波長為980nm光源的激發下，通過試紙的熒光顏色是否改變來判斷TNT是否存在。這種上轉換發光材料是基于近紅外光源激發的，它能夠很好地克服背景熒光干擾，從而使檢測靈敏度得到很大程度的提高；本發明使用的主體材料合成方法簡單易行，試紙基底價格低廉，此TNT檢測試紙及其激發光源便于攜帶，操作簡單以及可靠性高，因此它非常適合應用于安檢現場。
【專利說明】一種具有多色發光光譜的復合上轉換納米探針及其制備方 法與應用
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種具有多色發光光譜的復合上轉換納米探針及其制備方法與應用， 屬于化學檢測領域。 技術背景
[0002] 根據媒體報道，最近世界各種涉及爆炸的恐怖襲擊事件頻繁發生。由于三硝基甲 苯（TNT)爆炸能量高，價格便宜，因此常被恐怖襲擊分子作為爆炸物使用。通常恐怖襲擊分 子把爆炸物隱藏在隱秘的地方會捆綁在人質或自己身上，這樣對TNT的及時檢測帶來了極 大的困難。但是，即使很小心地隱藏爆炸物，還有會有極少量的TNT殘留在包裹炸藥的包裝 袋或者攜帶者的衣服上，所以亟需發展一種能夠便捷地對少量TNT進行現場檢測的方法。
[0003] 近年來，TNT檢測技術雖然取得了很大的進展，但是檢測方法仍然停留在需要依賴 大型檢測儀器或復雜檢測器件的水平上，這些檢測技術涉及的儀器復雜昂貴，而且樣品檢 測需要在實驗室條件下進行，不能實現現場實時檢測，因此這些傳統方法還很難達到實用 化的程度。由于恐怖襲擊事件經常發生于封閉性的公共場所，比如火車站、地鐵站、銀行等， 所以在公共場所的安檢過程中，迫切需要開發一種便攜簡單的高靈敏度、高選擇性的TNT 檢測技術。
[0004] 中國專利《一種TNT比色熒光檢測探針及其應用方法》，申請號201310252703. 9, 公開了一種牛血清白蛋白功能化的金納米簇作為比色和雙重檢測探針，將稀釋后的 BSA-GNPs溶液被作為納米檢測探針，與待測的樣品按體積比為1 : 1的量混合反應，觀察 TNT的顏色變化。還可以作為比色檢測探針，在普通的日光條件下即可通過比色法檢測出 TNT的存在。但這種方法存在背景熒光干擾，而由于在安檢等環境復雜的場合，TNT附著表 面環境復雜，所以對于發展一種能有效克服背景熒光從而提高檢測靈敏度的方法是非常有 必要的。
【發明內容】
[0005] 本發明要解決的問題是提供一種簡單便攜的高靈敏度的TNT檢測技術來對TNT進 行現場實時檢測，而且能使這種檢測技術應用于批量的工業生產，從而可以廣泛應用于實 際生活中。
[0006] 本發明提供一種具有多色發光光譜的復合上轉換納米探針及其制備方法，另外提 供一種基于復合上轉換納米探針的TNT檢測試紙。
[0007] 本發明所提供的技術方案具體如下： 一種具有多色發光光譜的復合上轉換納米探針的制備方法，包括以下步驟：將聚醚酰 亞胺修飾的NaYF4: Yb，Tm納米顆粒溶解于水中，形成PEI-NaYF4: Yb，Tm水溶液；將聚丙烯酸 修飾的NaYF4:Yb，Er納米顆粒溶解于水中，形成PAA-NaYF4:Yb，Er水溶液；然后按聚醚酰亞 胺修飾的NaYF4: Yb，Tm和聚丙烯酸修飾的NaYF4: Yb，Er質量比為3:1將PEI-NaYF4: Yb，Tm水 溶液和PAA-NaYF4:Yb，Er水溶液混合均勻，即得到具有多色發光光譜的復合上轉換納米探 針。
[0008] 所述的聚醚酰亞胺修飾的NaYF4:Yb，Tm納米顆粒，通過以下方法制備：分別準確量 取8. 15、1. 8、0. 05 mL濃度為0. 2 Μ的氯化釔、氯化鐿、氯化銩溶液混合均勻，然后加入10 mL 0. 2 Μ的氯化鈉溶液、20 mL質量分數為5%的聚乙烯亞胺溶液及60 mL乙醇，充分攪拌；然后 加入12 mmol氟化銨固體，室溫下充分攪拌10分鐘后，將混合液轉移到水熱釜中，水熱釜置 于200°C下反應24小時，自然冷卻至室溫后離心，產物再用乙醇與水將產物分別洗滌3遍， 最后將洗凈的產物分散在水中，即得到聚醚酰亞胺修飾的NaYF4:Yb，Tm納米顆粒。
[0009] 所述的聚丙烯酸修飾的NaYF4:Yb, Er納米顆粒，通過以下方法制備：將30 mL二甘 醇和300 mg PAA-1800加入三口圓底燒瓶中，在氬氣保護下將溫度升至110 ° C，同時將100 mg油酸修飾的NaYF4:Yb，Er納米顆粒分散于10 mL甲苯-三氯甲烷的混合溶液中，甲苯和 三氯甲烷的體積比為1:1 ;待反應溶液呈透明狀，將混合溶液逐滴加入到燒瓶中，在氬氣保 護下反應1時后將反應溫度升至240 ° C，在氬氣保護下繼續反應1.5小時，停止加熱，繼續 攪拌冷取至室溫后，將反應產物轉移至離心管，加入乙醇將產物析出，離心；然后用體積比 為1:1的乙醇和水將產物洗滌3遍，最后將洗凈的產物分散在水中，即得到聚丙烯酸修飾的 NaYF4:Yb, Er納米顆粒。
[0010] 所述的油酸修飾的NaYF4:Yb，Er納米顆粒，通過以下方法制備：準確稱取0. 78 mmol三氟乙酸紀、0. 2 mmol三氟乙酸鐿、0. 02 mmol三氟乙酸鉺、lmmol三氟乙酸鈉于三口 圓底燒瓶中，再加入4 mL油酸和3 mL十八碳烯；在氬氣保護下將溫度升至120 ° C攪拌 反應0. 5小時，接著將溫度繼續升至340 ° C反應0. 5小時；停止加熱，繼續攪拌使反應 裝置自然冷卻至室溫；將反應產物轉移至離心管中，加入乙醇使產物析出，離心得到產物； 用環己烷和乙醇洗滌三次，離心得到的固體產物在60 ° C下干燥過夜，即得到油酸修飾的 NaYF4:Yb, Er納米顆粒。
[0011] 一種具有多色發光光譜的復合上轉換納米探針，通過上述的制備方法制備得到。
[0012] 上述的復合上轉換納米探針在TNT檢測領域中的應用。
[0013] 一種TNT檢測試紙的制備方法，包括以下步驟：將防水墊片黏在干凈的白色硬紙 小片上，然后在防水墊片上貼上用于檢測的濾紙圓片，將上述具有多色發光光譜的復合上 轉換納米探針均勻固定到濾紙圓片上，得到TNT檢測試紙。
[0014] 本發明所提供的TNT檢測試紙屬于熒光試紙，在980 nm光源激發下，可通過試紙 熒光顏色是否改變來判斷TNT是否存在。本發明使用的主體材料為稀土基上轉換發光納米 材料，它具有多個可見發光帶光譜，因此可以實現比例熒光可視化檢測，從而使檢測靈敏度 以及準確性都可以得到保證。此外，由于這種上轉換發光材料是基于近紅外光源激發的，所 以它能夠很好地克服背景熒光干擾，從而使檢測靈敏度得到很大程度的提高。本發明近紅 外激發光源成本低，而且小型便于攜帶。
[0015] 本發明具有以下優點和有益效果： (1)本發明提供的復合上轉換納米材料熒光探針靈敏度高、準確性和選擇性好，檢測線 低。
[0016] ( 2 )本發明不需要使用大型儀器設備，檢測結果裸眼可見。
[0017] (3)本發明使用的主體材料合成方法簡單易行。
[0018] (4)本發明主體材料容易合成，發光效率高，所需用量少。
[0019] (5)本發明試紙基底價格低廉，可以實現對此檢測試紙進行批量生產。
[0020] (6)本發明TNT檢測試紙便于攜帶，操作簡單以及可靠性高，因此它非常適合應用 于安檢現場。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021] 圖1為復合上轉換納米熒光探針的熒光光譜圖。
[0022] 圖2為復合上轉換納米熒光探針對TNT及TNT類似物檢測的紫外-可見光譜圖。
[0023] 圖3為TNT檢測試紙的制作流程圖。
[0024]
【具體實施方式】
[0025] 下面結合實施例及附圖對本發明做進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限 于此。
[0026] 實施例1 (1)表面功能化的具有藍色熒光發射的上轉換發光主體納米材料（PEI包覆的摻雜Yb 和1'111的似￥?4觀1-似￥?4:￥13，1'111)的制備：主要合成步驟參照文獻報道的方法[1 &叩？， Liu X G, Upconversion Multicolor Fine-Tuning: Visible to Near-Infrared Emission from Lanthanide-Doped NaYF4 Nanoparticles [J]. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130 (17): 5642 - 5643.]。合成的PEI-NaYF4:Yb，Tm具有一定的光譜特性：上轉換熒光發射峰在477 nm處與808 nm處的比例為2:1。
[0027] 本發明通過調控摻雜比例合成了具有上述光譜性質的PEI_NaYF4:Yb，Tm納米顆 粒。具體實驗步驟如下：用移液槍分別準確量取8. 15、1. 8、0. 05 mL濃度為0. 2 Μ的氯化釔、 氯化鐿、氯化銩溶液于200 mL燒杯中；然后向燒杯中加入10 mL 0. 2 Μ的氯化鈉溶液、20 mL 質量分數為5%的聚乙烯亞胺（PEI)溶液以及60 mL乙醇，充分攪拌；然后加入12 mmol氟化 銨固體，室溫下充分攪拌10分鐘后，將混合液轉移到100 mL的水熱釜中，然后將水熱釜擰 緊，放入烘箱中，將溫度設置到200 ° C反應24小時；待反應完成后，打開烘箱將溫度自然 冷卻至室溫，離心得到產物，再用乙醇與水將產物分別洗滌3遍，最后將洗凈的產物分散在 水中，即得到PEI修飾的NaYF4:Yb，Tm納米顆粒。PEI-NaYF4:Yb，Tm納米顆粒的外面被PEI 包覆，溶于水；顆粒尺寸均勻，粒徑為200 nm左右，晶相為立方相；熒光發射光譜中，477 nm 與808 nm處的峰強為I477/I8Q8=2:1 ;在980 nm光源激發下，PEI-NaYF4:Yb，Tm納米材料發出 藍色熒光。
[0028] (2)表面功能化的具有綠色熒光發射的上轉換發光主體納米材料(油酸（0A)包覆 的摻雜Yb和Er的NaYF4 : 0A-NaYF4 :Yb，Er)根據文獻報道的方法制備[Mai Η X，Zhang Y ff, Si R, Yan Z G, Sun L D, You L P, Yan C H, High-quality sodium rare-earth fluoride nanocrystals: controlled synthesis and optical properties [J]. J. Am. Chem. Soc. 2006，128 (19) : 6426 - 6436.]，具體合成方法如下：準確稱取0. 78 mmol三氟乙酸釔、0. 2 mmol三氟乙酸鐿、0.02 mmol三氟乙酸鉺、lmmol三氟乙酸鈉于50 mL的三口圓底燒瓶中， 再量取4 mL油酸和3 mL十八碳烯于上述燒瓶中；在氬氣保護下將溫度升至120 ° C攪拌 反應0. 5小時，接著將溫度繼續升至340 ° C反應0. 5小時；停止加熱，繼續攪拌使反應裝 置自然冷卻至室溫；將反應產物轉移至離心管中，加入乙醇使產物析出，離心得到產物；用 環己烷和乙醇洗滌三次，離心得到的固體產物在60 ° C下干燥過夜，即得到干燥的油酸修 飾的NaYF4:Yb, Er納米顆粒。OA-NaYF4:Yb, Er納米顆粒外面被油酸包覆，不溶于水，溶于環 己烷；顆粒尺寸均勻，粒徑為260 nm左右，晶相為立方相；突光發射光譜中，具有多個可見 光譜帶，分別是545 nm處的綠光光譜帶和658 nm處的紅色光譜帶；在980 nm光源激發下， OA-NaYF4:Yb，Er納米顆粒發出綠色熒光。
[0029] (3)包覆聚丙烯酸（PAA)的具有綠色熒光發射的上轉換發光主體納米材料(聚丙烯 酸修飾的 NaYF4:Yb，Er 納米材料）根據文獻[Xiong L Q，Yang T S，Yang Y，Xu C J，Li F Y， Long-term in vivo biodistribution imaging and toxicity of polyacrylic acid-coated upconversion nanophosphors· Biomaterials 2010，31 (27): 7078 - 7085·]制備，其具體 合成方法如下：將30 mL二甘醇和300 mg PAA-1800加入100 mL三口圓底燒瓶中，在氬氣保 護下將溫度升至110 ° C，同時將100 mg步驟（2)得到油酸修飾的NaYF4:Yb，Er納米顆粒分 散于10mL甲苯和三氯甲烷的混合溶液（V￥￥: VH|(TOS=1:1)中；待反應溶液呈透明狀，將混 合溶液逐滴加入到燒瓶中，在氬氣保護下反應1小時后將反應溫度升至240 ° C，在氬氣保 護下繼續反應1. 5小時，停止加熱，繼續攪拌冷取至室溫后，將反應產物轉移至離心管，力口 入乙醇將產物析出，離心；然后用體積比為1:1的乙醇和水將產物洗滌3遍，最后將洗凈的 產物分散在水中，即得到PAA修飾的NaYF4:Yb，Er納米顆粒。PAA-NaYF4:Yb，Er納米顆粒外 面被PAA包覆，表面修飾羧基，易溶于水。
[0030] (4)具有多色發光光譜的復合上轉換納米探針的制備：將步驟（1)所制備的聚醚 酰亞胺修飾的NaYF4:Yb，Tm納米顆粒溶解于水中，形成濃度為1 mg/mL的PEI-NaYF4:Yb，Tm 水溶液；將步驟（3)制備的聚丙烯酸修飾的NaYF4:Yb，Er納米顆粒溶解于水中，形成濃度為 1 mg/mL 的 PAA-NaYF4: Yb, Er 水溶液；然后將 PEI-NaYF4: Yb, Tm水溶液和 PAA-NaYF4: Yb, Er 水 溶液按3:1的體積比混合均勻，即得到具有多色發光光譜的復合上轉換納米探針。該復合 納米探針中的PEI包覆的NaYF4:Yb，Tm能選擇性地與TNT結合，而PAA包覆的NaYF4:Yb，Er 則不能與TNT結合。該復合納米探針具有多個可見光譜帶，分別是477 nm處的藍光光譜帶、 545 nm處的綠光光譜帶和658 nm處的紅色光譜帶。在980 nm光源激發下，復合納米材料發 出青色熒光(見附圖1)。
[0031] 實施例2 :上述復合上轉換納米探針用于TNT檢測 (1)選擇性 在檢驗基于復合上轉換熒光納米探針檢測TNT選擇性實驗中，將與TNT結構相似的爆 炸物2, 4-二硝基苯（DNT)和硝基苯（NB)作為檢測對象，來考察檢測探針的選擇性：分別取 濃度為1 mM的2, 4-二硝基苯和硝基苯10 μ L和lmg/mL的熒光探針于離心管中，然后加水 稀釋至TNT類似物濃度為40 μ M。將反應溶液分別進行紫外-可見光譜檢測(見附圖2)， 從紫外吸收光譜圖中可以看出只有滴加 ΤΝΤ的溶液在450 nm處有吸收，同時能觀察到只有 加入TNT的溶液變成了橙黃色，這說明只有TNT能選擇性地與探針表面的氨基形成絡合物 從而產生吸收。在980 nm激光照射下，觀察到只有加入TNT的溶液熒光強度發生了明顯減 弱。故該熒光探針對TNT有很好的選擇性。
[0032] (2)靈敏度 在檢驗基于復合上轉換熒光納米探針檢測TNT靈敏度實驗中，分別將10'10'10' ΚΓ6和1(Γ5Μ的TNT溶液滴在固定有復合上轉換熒光納米探針的硅片基底上，在實驗結果 中，我們可以觀察到隨著ΤΝΤ濃度的降低，硅片基底的熒光強度逐漸增強，說明以硅片為基 底的ΤΝΤ檢測器件能對ΤΝΤ進行有效的高靈敏度檢測。因此，這種復合上轉換熒光納米探 針對ΤΝΤ的檢測靈敏度高，可檢測到濃度低至10_9Μ的ΤΝΤ。
[0033] 實施例3 :ΤΝΤ檢測試紙的制備 將干凈的白色硬紙片剪成5X5 cm的小片作為吸附基底，然后將6X6 mm的防水墊片黏 在白色硬紙小片上，形成5X5的陣列，其中，每兩個防水墊片的間距為4mm ;然后在防水墊 片上貼上直徑為5mm用于檢測的濾紙圓片，形成檢測區域；將濃度為0. 1 mg ml/1的復合上轉 換納米探針均勻滴加到到上述濾紙圓片上（2 μ L)，將其置于60°C下干燥1小時，從而復合 上轉換納米探針均勻固定到了濾紙圓片上形成檢測區域(見圖3)。這種TNT檢測試紙制作 簡單方便，成本低廉，使用方法也簡便，便于批量生產。
[0034] 將1 μ L濃度為40 μ Μ的TNT溶液滴在試紙上，然后用980 nm激光器照射，觀察 到試紙熒光顏色由青色變成了綠色，熒光顏色的變化屬于肉眼可見的可視化檢測，這種可 視化檢測能大大提高檢測的簡便性和準確性。因此，這種TNT檢測試紙可以對TNT進行現 場實時可視化檢測。
[0035] 上面結合附圖對本發明的實施方式作了詳細說明，但是本發明并不限于上述實施 方式，在本領域的普通技術人員所具備的知識范圍內，還可以在不脫離本發明宗旨的前提 下做出各種變化。
【權利要求】
1.. 一種具有多色發光光譜的復合上轉換納米探針的制備方法，其特征在于，包括以下 步驟：將聚醚酰亞胺修飾的NaYF4:Yb，Tm納米顆粒溶解于水中，形成PEI-NaYF4:Yb，Tm水溶 液；將聚丙烯酸修飾的NaYF4:Yb，Er納米顆粒溶解于水中，形成PAA-NaYF4:Yb，Er水溶液； 然后按聚醚酰亞胺修飾的NaYF4: Yb，Tm和聚丙烯酸修飾的NaYF4: Yb，Er質量比為3:1將 PEI-NaYF4:Yb，Tm水溶液和PAA-NaYF4:Yb，Er水溶液混合均勻，即得到具有多色發光光譜的 復合上轉換納米探針。
2. 根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述的聚醚酰亞胺修飾的 NaYF4:Yb，Tm納米顆粒，通過以下方法制備：分別準確量取8. 15、1. 8、0. 05 mL濃度為0. 2 Μ 的氯化釔、氯化鐿、氯化銩溶液混合均勻，然后加入10 mL 0. 2 Μ的氯化鈉溶液、20 mL質量分 數為5%的聚乙烯亞胺溶液及60 mL乙醇，充分攪拌；然后加入12 mmol氟化銨固體，室溫下 充分攪拌10分鐘后，將混合液轉移到水熱釜中，水熱釜置于200°C下反應24小時，自然冷卻 至室溫后離心，產物再用乙醇與水將產物分別洗滌3遍，最后將洗凈的產物分散在水中，即 得到聚醚酰亞胺修飾的NaYF4:Yb, Tm納米顆粒。
3. 根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述的聚丙烯酸修飾的NaYF4:Yb，Er 納米顆粒，通過以下方法制備：將30 mL二甘醇和300 mg PAA-1800加入三口圓底燒瓶中，在 氬氣保護下將溫度升至110 ° C，同時將100 mg油酸修飾的NaYF4:Yb，Er納米顆粒分散于 10 mL甲苯-三氯甲烷的混合溶液中，甲苯和三氯甲烷的體積比為1:1 ;待反應溶液呈透明 狀，將混合溶液逐滴加入到燒瓶中，在氬氣保護下反應1時后將反應溫度升至240 ° C，在 氬氣保護下繼續反應1. 5小時，停止加熱，繼續攪拌冷取至室溫后，將反應產物轉移至離心 管，加入乙醇將產物析出，離心；然后用體積比為1:1的乙醇和水將產物洗滌3遍，最后將洗 凈的產物分散在水中，即得到聚丙烯酸修飾的NaYF4:Yb, Er納米顆粒。
4. 根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述的油酸修飾的NaYF4:Yb, Er納 米顆粒，通過以下方法制備：準確稱取0. 78 mmol三氟乙酸紀、0. 2 mmol三氟乙酸鐿、0. 02 mmol三氟乙酸鉺、lmmol三氟乙酸鈉于三口圓底燒瓶中，再加入4 mL油酸和3 mL十八碳 烯；在氬氣保護下將溫度升至120 ° C攪拌反應0. 5小時，接著將溫度繼續升至340 ° C 反應0. 5小時；停止加熱，繼續攪拌使反應裝置自然冷卻至室溫；將反應產物轉移至離心管 中，加入乙醇使產物析出，離心得到產物；用環己烷和乙醇洗滌三次，離心得到的固體產物 在60 ° C下干燥過夜，即得到油酸修飾的NaYF4:Yb，Er納米顆粒。
5. -種具有多色發光光譜的復合上轉換納米探針，通過權利要求1所述的制備方法制 備得到。
6. 權利要求5所述的復合上轉換納米探針在TNT檢測領域中的應用。
7. -種TNT檢測試紙的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：將防水墊片黏在干凈的 白色硬紙小片上，然后在防水墊片上貼上用于檢測的濾紙圓片，將權利要求5所述的具有 多色發光光譜的復合上轉換納米探針均勻固定到濾紙圓片上，即得到TNT檢測試紙。
【文檔編號】C09K11/85GK104059669SQ201410314064
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年7月3日 優先權日:2014年7月3日
【發明者】袁荃, 胡曉霞, 魏婷, 王杰 申請人:武漢大學