NaYF4:Yb3+,Er3+@SiO2荧光纳米传感器检测牛奶中过氧化氢

摘要 采用溶剂热法合成了稀土掺杂上转换纳米材料NaYF4：Yb3+，Er3+，使用反相微乳液法对其表面进行SiO2包覆制得NaYF4：Yb3+，Er3+@SiO2。采用透射电镜、X 射线衍射和傅里叶红外光谱对此材料进行了表征，并基于NaYF4：Yb3+，Er3+@SiO2 与方酸铁（SQA-Fe3+）之间的荧光猝灭原理构建了NaYF4：Yb3+，Er3+@SiO2-SQA-Fe3+荧光纳米传感器，用于微量过氧化氢（H2O2）的检测。在最佳实验条件下，本方法检测H2O2 的线性范围为1.8～84.0 μmol/L， 检出限（3σ）为0.47 μmol/L， 牛奶样品中H2O2 的加标回收率为98.4%～99.7%。本方法具有检出限低、稳定性好以及抗干扰能力强等优点，可用于牛奶样品中H2O2 残留的检测。

关键词 稀土掺杂上转换纳米材料；过氧化氢；荧光纳米传感器；荧光猝灭

过氧化氢（H2O2）是一种强氧化剂，具有漂白、消毒和杀菌等作用[1-2]，常用于化工生产和食品工业等领域。在食品工业中， H2O2 被用于乳制品的包装灭菌以及延长牛奶的保质期[3-4]。研究表明，当H2O2 在人体内过量存在时，不仅会损伤蛋白质、脂质和核酸，导致细胞凋亡或坏死[5]，甚至会引发阿尔兹海默病[6]、癌症[7]和心血管疾病[8]等。牛奶中残留的H2O2 对人体健康构成潜在威胁，我国明确禁止在乳制品生产中添加H2O2[9]。因此，建立牛奶中H2O2 灵敏、快速的检测方法对维护广大消费者利益和确保人体健康具有重要意义。

目前，检测H2O2 的方法主要有化学滴定分析法[10]、电化学分析法[11]、高效液相色谱法[12]、分光光度法[13]和荧光分析法[14]等。化学滴定分析法包括高锰酸钾法、碘量法和铈量法等，此类方法的灵敏度较高，但高锰酸钾法有副反应发生，会引起测量偏差；碘量法中I2 易挥发且Na2S2O3 稳定性差，影响方法的准确性；铈量法中铈盐的成本较高且方法检测范围较窄。电化学方法灵敏度高且高效，但检测结果的重复性较差且电极寿命有限。高效液相色谱法准确度高、灵敏性好，但是仪器价格昂贵，样品前处理复杂，对检测人员的操作技术要求较高，并且无法实现现场快速检测。分光光度法中的钛盐比色法为国家标准检测方法[15]，具有成本低和操作简单等优点，但稳定性有待进一步提升。基于纳米材料构建的荧光传感器具有检测时间短、灵敏度高、抗干扰能力强等优点，已成为一种新型检测手段。目前，已有研究者利用多种荧光材料构建的荧光传感器检测H2O2，如CdTe 量子点[16]和罗丹明B[17]等荧光材料。然而，量子点荧光材料具有潜在的毒性[18-19]，固态的小分子发光材料易发生荧光猝灭现象且分子结构容易发生改变[20-21]，影响荧光传感器的准确性和灵敏度。因此，开发毒性低、稳定性强和无自发荧光干扰的荧光材料构建灵敏度高、高效且便于实现快速检测的H2O2 荧光传感器具有重要意义。

稀土掺杂上转换纳米材料（Rare-earth-elements-doped upconversion nanoparticles， REEs-UCNPs）作为一种新型纳米荧光材料，遵循反Stokes 发光规律，可以被近红外光激发，发射紫外光和可见光甚至近红外光，具有发光寿命长、化学性质稳定、毒性低、表面可修饰、对生物样品的光损伤小且无自发荧光干扰等诸多优点[22-23]。本研究选择的NaYF4：Yb3+，Er3+@SiO2 荧光纳米材料具有优良的上转换发光性能， Yb 只有一个激发态能级2F7/2，吸收带在近红外区的980 nm 附近，当980 nm 光源照射Yb 时， Yb 可跃迁至激发态，并将吸收的能量传递给激活剂。采用Er 作为激活剂的REEs-UCNPs 的发射光波长在544 nm 处，与方酸铁（方酸（Squaric acid， SQA）与Fe3+的螯合物， SQA-Fe3+）的吸收光波段重叠，满足发生内滤效应的条件[24-25]。同时，采用SiO2 包裹在NaYF4：Yb3+，Er3+表面，不仅可以改善REEs-UCNPs 的水溶性和生物相容性，同时能防止检测基质对荧光的干扰，进一步提升荧光探针的稳定性[26-27]。

本研究选择NaYF4：Yb3+，Er3+@SiO2 荧光纳米材料作为荧光探针，基于REEs-UCNPs 构建了H2O2 荧光传感器，具有灵敏度高和抗干扰能力强等优势[ 28]。SQA-Fe3+在波长500 nm 左右有最大吸收，与NaYF4：Yb3+，Er3+@SiO2 荧光纳米材料的发射波长重叠，可作为荧光受体[29]。本研究以NaYF4：Yb3+，Er3+@SiO2荧光纳米材料为荧光供体、SQA-Fe3+为荧光受体，基于H2O2 的强氧化性将Fe2+氧化为Fe3+， SQA-Fe3+由于内滤效应导致NaYF4：Yb3+，Er3+@SiO2 荧光猝灭的原理，构建了NaYF4：Yb3+，Er3+@SiO2-SQA-Fe3+荧光纳米传感器用于牛奶中H2O2 的定量检测。