应用于食品检测的上转换材料的合成与修饰

赵玉凤，宁保安，张娜，范献军，姜随意，田静菡，高志贤

（天津理工大学材料科学与工程学院天津300384）

应用于食品检测的上转换材料的合成与修饰

赵玉凤，宁保安，张娜，范献军，姜随意，田静菡，高志贤*

（天津理工大学材料科学与工程学院天津300384）

镧系元素掺杂的上转换发光纳米颗粒（UCNPs）因其独特的化学和光学特性而成为了食品检测领域中最具应用前景的材料之一。发现该技术在布鲁氏菌、链球菌及大肠杆菌等食品安全检测中应用效果极好。为了进一步的推进其在食品安全领域中的应用，需要改进其的合成方法与表面修饰方法。本文利用水热法合成了不同表面包覆剂包覆的UCNPs并且探讨了几种修饰UCNPs的方法，使其能够更好地应用于食品检测领域。

上转换发光；食品检测；水热合成法；表面修饰

食品安全问题已是一件关乎社会稳定、民族团结及人民切身利益的大事，人们在追求吃得饱，吃的好的同时又要求吃的更安全，吃的更放心。然而食品中激素类污染物造成的危害日益严重，既关系人们的身体健康，也严重影响地区的经济发展和社会环境[1-2]。面对大量的激素类物质，现场快速筛查技术便成为了重要的科技需求。为了加快食品产业的健康发展，满足农产品和食品入境快速通关的要求，应对食源性突发事件，为现场快速检测高新技术和相关产品提供支撑，UPT（上转换技术）快速检测系统的研制迫在眉睫[3-5]。

UPT又称上转换发光技术，是一种基于UCNPs的新兴检测技术。UCNPs即上转换发光纳米颗粒，主要是指掺杂了稀土元素的固体化合物，可以通过吸收两个或多个（长波长的）低能光子而发射出一个（短波长的）高能光子，是一个非线性的光学过程。通常由基质材料、激活剂、敏化剂组成。利用稀土元素离子亚稳态的能级在光激发过程中发生反斯托克斯效应来实现光学成像[6-7]。

在过去的几年中人们对上转换材料的发光机制已经有了深入研究.上转化过程是由低能量的电子激发而产生高能量发射的非线性过程，由于过程为双光子或多光子过程，违背斯托克斯定律，因而也称为反斯托克斯过程[8]。其机制可分为三大类：激发态吸收（excited state absorption ESA）,能量转移（energy transfe ET）和光子雪崩（photon avalanche PA）。图1为几种上转换发光过程示意图。

激发态吸收：即为同一离子吸收两个光子，是唯一一种发生在低浓度稀土掺杂材料中的过程。

图1 UCNPs的主要能量转移机制Fig.1 Generalenergy transfer typesof UCNPs

第一个光子使离子从基态进入到一个稳定的中间激发态，（即基态吸收，GSA）第二个光子将离子从中间态激励至更高的激发态,最后激发离子回落基态而产生上转换发光。也存在稀土离子一次性吸收两个光子的双光子激发过程（TPAE）[9-10]。

能量转移：发生在有敏化剂掺杂的材料中，敏化剂被激发后回落至基态，能量转移给邻近的激活剂离子。能量吸收过程通常发生在高浓度稀土离子掺杂的材料中，且可与激发态吸收同时存在，可分为能量转移伴随激发态吸收（EFE）、连续能量转移（APTE）、交叉弛豫（CR）、合作上转换发光（C0L）、合作敏化（C0S）等常见类型[11-13]。

光子雪崩（PA）：也成为吸收雪崩，是产生发光效率最高的机制。首先敏化离子吸收光跃迁至第一激发态，而后再次吸收入射光子跃迁至第二激发态。处于第二激发态的敏化离子可以与邻近的基态离子发生交叉弛豫产生成两个处于第一激发态的敏化离子，这两个敏化离子有可以再次吸收光子重复此过程产生四个激发态敏化离子，由此如雪崩般积累产生大量处于中间激发态的敏化离子而储存大量能量[14]。

上转换纳米颗粒不同于量子点，其能级的转化主要定域于敏化剂和激活剂之间，通过偶极矩或者相互作用的改变来传递能量，不显示量子定域效应，故不需要像合成量子点一样对粒径进行严格掌控。而反应物的均一分散和比例优化、对稀土元素氧化态的控制是制备过程中的要点。激光蚀刻法和消解法可以从块体材料得到相应的纳米颗粒，但是很难实现对粒径和分散性的掌控。相对于上述物理法，化学法是更好的合成路径：如共沉淀法，溶胶-凝胶法，热分解法等法，水热合成法等[15-16]。

本文利用水热法合成了上转换发光纳米颗粒其优势如下：（1）产物十分纯净（2）容易控制颗粒的粒径结构和形态（3）相对低的反应温度（4）操作过程使用设备简单。但由于水热合成法的限制使生成的纳米颗粒表面大多都存在疏水基团，所以需要后续的修饰增加水溶性。

1 实验

1.1 实验试剂与仪器

氯化钠（NaCl）、氯化钇水合物（YCl3·7H2O）、氯化饵水合物（ErCl3·6H2O）、氟化钠（NaF）、氯化镱水合物（Yb·6H2O）、氟化铵（NH4F）、油酸（Oleic acid）、乙二醇（Ethylene Glycol）、四乙氧基硅烷（Tetraethoxysilane）、氢氧化钠（NaOH）、去离子水、无水乙醇（ethyl alcohol absolute）、氯化钆（GdCl3）25%~28%的氨水（Ammoniawater）、氢氧化钠（NaOH）。

反应釜：济南恒化科技有限公司；烘箱：上海恒科仪器有限公司；离心机：上海安亭科学仪器厂TGL-16B；天平：梅特勒-托利多仪器有限公司；机械搅拌器：北京金北德工贸有限公司SH-3；水浴锅：天津欧诺仪器有限公司；真空干燥箱：天津天宇机电有限公司；荧光分光光度计：日立F-4500；透射电子显微镜镜：TECNAIG220 S-TWIN；扫描电子显微镜LEO-1530VP、红外光谱仪：Bio-rad FTS6000。

1.2 实验方法

1.2.1 方法

方法一：油酸包覆的上转换纳米颗粒的制备：称取4 gNaOH，0.6 gYCl3·7H2O，184mgYb·6H2O，18.31 mg ErCl3·6H2O，并将其加入至20mL去离子水，34mL无水乙醇，68mL油酸的混合液中，超声使其成为均一溶液，而后向其中加入17mL含0.42 g的NaF的水溶液待整个体系超声混匀后转移至反应釜中，120℃加热30min后再200℃加热适当的时间。待反应体系降至室温后，将产物分装于离心管中而后离心弃上清，并用无水乙醇及去离子水洗涤沉淀2遍。

方法二：PAA包覆的上转换纳米材料的制备：按照比例（Y∶Yb∶Er=0.78∶0.2∶0.02）称取2mmol LnCl3，0.7mmol EDTA-Na2，3mLPAA，将上述反应物溶于乙醇∶水=1∶1的体系中，而后加入一定量NaF，待体系为均一溶液后将其转于200mL反应釜中，并于180℃加热条件下反应4 h。待体系降至室温后，离心弃上清，并用无水乙醇和去离子水洗涤沉淀两遍。

1.2.2 上转化纳米颗粒的硅烷化修饰

称取40mg OA-UCNPs于250mL圆底烧瓶中并向其中加入120mL异丙醇，超声令其分散均匀，而后向其中加入2mL质量分数为25%~28%的氨水，将体系置于35℃加热条件下机械搅拌，取50μL的TEOS并将其加入至40mL异丙醇中，震荡均匀后将其逐滴加入至反应体系中。待反应3 h后，将产物离心，洗涤收集。

1.2.3 上转换纳米颗粒的氨基化修饰

称取20mg硅烷化修饰的上转换纳米颗粒并将其分散至足量的无水乙醇中，而后加入100μL的APTES并将体系置于90℃回流加热条件下磁力搅拌24 h，而后离心弃上清，将沉淀用无水乙醇及去离子水洗涤2遍。

2 结果与讨论

2.1 反应时间对上转换纳米材料粒径及形貌的影响

图2 反应时间对上转纳米材料粒径及形貌的影响Fig.2 Theeffectof reaction tiMe to the sizeandMorphology of UCNPs

结果显示，图a中的产物为0.8μm×0.06μm的细棒，图b中的产物为1.2μm×0.2μm的棒状与粒径约为100 nm的颗粒状混合体，图c中的产物约为1.1μm×0.2μm的棒状颗粒。由图a与图c可以发现，随着反应时间的延长，产物的粒径得到了明显的增加，说明增加反应时间可以使反应更加充分，从而使产物的晶核不断地生长继而得到较大粒径的产物；由图b与图c可知，在120℃预加热条件下，产物有两种存在状态即颗粒状与棒状，说明在温度低于200℃时，对反应物先进行预加热可以得到不同晶型不同形貌的产物，此点也在文献——中得到验证。

综上可知，反应时间是影响产物粒径及形貌的重要因素，此外，反应温度也可以至关重要的影响产物的晶型及晶貌。

2.2 NaF的用量在制备上转换纳米材料中的影响

图3 NaF的用量在制备上转换纳米材料中的影响Fig.3 TheUCNPsprepared w ith differentaMountof NaF

由TEM表征图显示，d图中为0.4μm×2μm的棒状产物，e图中为0.1μm×1μm的棒状产物，f图中为80 nm左右的颗粒状产物，g图中为60 nm左右的颗粒状产物。由此可见，在其他条件都相同时，NaF的用量对产物的粒径及形貌有着至关重要的作用，产物的粒径随着NaF用量的减少而减小。

2.3 硅烷化表面修饰的表征

图4 硅烷化表面修饰的表征Fig.4 Characterization of UCNPswith silanemodified

结果显示，无论是何种晶型及形貌的上转换材料，都能够在其表面进行硅烷化修饰，可以看到上转换材料的表面被包覆了一层显而易见的薄层，且产物在水中的分散性得到了提高，大大增加了其应用范围，这也为后续的在上转换表面修饰氨基等功能集团做了铺垫。

2.4 氨基化表面修饰后的红外表征图

结果显示，氨基化修饰后的上转换发光纳米材料在3 401cm-1左右有一个较为尖锐的吸收峰，此为NH的伸缩振动；在1 633 cm-1左右有较弱的吸收峰，此为NH的面内弯曲振动；在799 cm-1左右有较强的吸收峰，此为NH的面外弯曲振动。

图5 氨基化修饰后的UCNPs红外光谱表征Fig.5 FTIR spectruMof theUCNPswhich wasmodified w ith-NH

由此可见，上转换发光材料经硅烷化修饰后可以成功地修饰上氨基。当表面修饰氨基后，上转换发光材料便可以与许多带有羧基的小分子如生物素和抗体等进行偶联，以实现对食品中有毒有害小分子的检测。

2.5 上转换纳米材料的荧光性能表征

图6 UCNPs的荧光光谱表征Fig.6 The luMinescencespectra ofdifferet concentration of UCNPs

图显示，当激光器功率设置一定且荧光分光光度计参数设置一定时，上转换发光材料的荧光强度随着其浓度的增大而增强。材料有较强的发射峰及明显的主副峰光强差，较窄的半峰宽，较好的荧光性能。当用980nm的激光器作为光源照射材料时，材料可以发射出肉眼可见的绿光。因此该上转换发光材料在用于食品检测时可以完全实现可视化。

3 总结与展望

本文利用经典的水热法合成了油酸及PAA包覆的上转换发光材料，并对其进行了一系列的硅烷化及氨基化的表面修饰，增加了其水溶性且扩大了其应用范围。用荧光分光光度计对其的荧光性能进行了表征，结果显示良好。

上转换发光纳米材料较之于荧光染料蛋白及量子点具有背景荧光低，反斯托克斯位移大，不易光漂白，荧光稳定及低毒性等特点，因此其在成像及光学检测上有着绝无仅有且不可替代的作用。

虽然取得了很大的进步，但是依然存在着很多问题有待我们解决。比如，（1）我们使用的一些UCNPs在980 nm的吸收峰与水的吸收峰是重叠的，这就造成了不利于我们进行成像研究的热效应。因此，这就需要我们研究一种新的发射波长在700 nm到900 nm的UCNPs。（2）关于活体成像和药物传送中，要想利用一个效的尿排泄来把体内的纳米颗粒移除到体外，需要把纳米颗粒的尺寸控制在6 nm之内。然而，缩小UCNPs的尺寸后，往往导致其发光效率变低，因为其表面的荧光猝灭效应是由尺寸决定的。因此，单分散性的小尺寸纳米结构且发射强荧光的UCNPs的新的设计及合成方法也是我们所需要的研究的。（3）一般的显微镜和活体成像系统需要被个性化制作来使其适应UCNPs特有的激发和发射特性。因此，商业设备及系统的发展对加快UCNPs的应用有着至关重要的作用。（4）对于用于食品检测中的上转换发光材料，其水溶性与表面修饰程度直接影响着其检测范围与灵敏度。

总之，上转换发光材料因其独特的光学及化学特性，不仅在成像，导药及治疗领域发挥着巨大作用，还成为了食品检测领域中最具应用前景的材料之一。

[1]林敏,赵英,董宇卿,周丽宏,等.稀土上转换发光纳米材料的制备及生物医学应用研究进展[J].西安：中国材料进展,2012,24-26

[2]贾国超,职爱民,宋春美,等.上转换荧光技术在食品安全检测中的应用[J].北京：食品安全质量检测学报,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，FAN 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

国家科技支撑计划（2012BAK08B06）；国家自然科学基金重点项目（81030052）

赵玉凤（1989—），女（汉），硕士研究生，研究方向：上转换发光纳米材料的制备及生物传感器的研制。

*通信作者：高志贤（1963—），男，研究员，博士生导师。