用于即时视觉检测的激发正交型稀土上转换纳米探针、制备方法及其应用
1.本发明属于发光材料技术领域，具体涉及一种发光中心亚结构分区掺杂的用于(tnt)即时视觉检测的激发正交型稀土上转换纳米探针、制备方法及其应用。
背景技术：
2.随着纳米科学和纳米技术的快速发展，用于显示、信息存储、化学传感、生物医学和其他应用的各种刺激响应性纳米平台的设计已经引起了很多关注和兴趣。由于光在不同环境中具有快速、精确、远程和时空可控性等特点，使得其比电磁场、温度、ph值和化学反应等许多其他刺激更加具有优势。光子上转换是将低能量光子转换为高能量光子的有力手段(例如，从近红外(nir)到可见光发射)。作为上转换的理想候选者，镧系离子具有独特的电子构型和丰富的阶梯状能级结构，使其能够在nir激发下产生涵盖紫外、可见和近红外区域的上转换发光发射光谱。上转换发射具有较大的反斯托克斯位移，较窄的发射带，较长的荧光寿命，良好的光化学稳定性、较低的自发荧光和低毒性等特点，使得其在成像、光遗传学、光动力和药物控释等领域具有广阔的应用前景。特别是，基于808nm和980nm可以分别激发敏化剂nd
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和yb
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的特性，最近在一些特殊设计的纳米结构中实现了激发-发射正交型的上转换发光。正交发光是指可以根据外部刺激的变化给出相应的相应，而传统的上转换材料只能在固定波长的激发下给出单一的反应。这种正交发光进一步促进了镧系材料的智能应用，如可重写的光存储器、成像引导的按需等。
3.在正交上转换稀土纳米粒子的设计中，不同类型的激活剂离子通常通过核/ 多层壳结构分布在纳米粒子的不同空间区域中。敏化剂nd
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和yb
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对808nm和 980nm的选择性吸收和能量迁移，使得通过切换外部激发源可以激发不同的激活剂离子，并且它们的发光是相互独立的。例如，已报道的 nagdf4:yb/er@nayf4@nayf4:yb/tm@naybf4:nd@nayf4分别在808nm和 980nm激光激发下显示紫外和绿的上转换发射，实现可逆的手性反转。同样的，据文献报道liybf4:tm@ligdf4@ligdf4:yb,er@liyf4:nd,yb@ligdf
4 @lierf4:tm@ligdf4分别在808nm、980nm和1532nm激光激发下发出绿光、蓝光和红光。显然，大多数正交上转换稀土纳米粒子受限于结构复杂的nd
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和 yb
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共敏化材料，因为它需要不同种类的掺杂离子和分区掺杂。而伴随着外壳涂层的增多，必要的长程能量迁移过程将不可避免地造成激发能量的损失，导致正交发光强度的下降。因此，开发具有高发光质量和不太复杂结构的正交上转换稀土纳米粒子仍然是一个挑战。
4.最新的研究进展表明除了er
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的阶梯状能级结构、多激发波长(808nm、980 nm和1530nm)外，naerf4还可以通过高浓度er
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的自敏化来增强发光，同时是增强红输出，实现近单发光的一种有效手段；包覆惰性外壳能够减少表面缺陷从而增强发光，与此同时，也能抑制高浓度er
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带来的浓度猝灭效应，在核 /多壳结构中还能起到隔断相邻两个发光层间能量传递的作用。这些进展为开发结构简单、高发光效率的正交上转换稀土纳米粒子提供了机会。而解决正交型上转换稀土纳米粒子结构复杂、发光效率低的问题，将会有效推动
正交型上转换纳米材料在可逆光切换、超分辨率成像、双向光激活和可编程等新领域中的应用，对于提升我国在生物医学研究领域的竞争力，促进人类健康和社会进步具有重要的科学意义。
5.同样的，纳米粒子的这种正交发光特性也可用于检测tnt，并进行成像显示。对沉积在表面的微量tnt的即时现场识别，可满足包裹分拣中心、客运中心等公共场所的国土安全需求。目前检测固体表面tnt残留物的方法(如离子迁移率光谱法、气/液谱法等)通常是在非原位的，涉及昂贵的仪器、复杂的蒸汽采样和预浓缩程序，并不适用于大多数tnt的现场鉴定。因此，开发便携式、可视化和易于操作的敏感检测技术仍然是一项挑战。构建功能性正交发光传感平台作为tnt的特异性识别元件，并使用比率荧光作为视觉信号输出很有希望应对这一挑战。这种检测概念可以扩展到更大范围的有机分子和生物分子的视觉检测，具有很高的实际应用前景。
技术实现要素：
6.本发明的目的在于解决正交型上转换稀土纳米粒子结构复杂和tnt原位检测困难的问题，为此，我们构筑一种结构简单的新型正交上转换纳米材料并制成便携式试纸用于tnt原位检测。
7.本发明首先制备了一种结构简单的新型用于(tnt)即时视觉检测的激发正交型稀土上转换纳米探针naerf4@naluf4@nayf4:20％yb, 2％er@naluf4(oucnps)，利用高浓度er
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的自敏化实现无nd
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掺杂，从而减少了包覆壳层的数量和掺杂离子的种类，简化了oucnps的结构；内层惰性壳naluf4的引入阻断了核和发光层之间的能量传递，实现了正交发光，同时没有长程调制的能量迁移过程，激发能均局限于发光功能区，可以有效地减少能量损失；最外层惰性壳的包覆有效的避免了表面缺陷和有机配体的高频振动对发光的削弱，近一步增强了发光。基于聚乙烯亚胺(pei)修饰的oucnps与tnt 结合形成的复合体对980nm激光激发下oucnps绿光的猝灭作用，根据荧光强度的变化与tnt浓度的线性关系实现溶液中tnt的定量检测。将其制备成tnt 检测试纸，可以实现tnt的原位即时检测并同时进行成像，有利于现场初步筛查。该试纸适用于大多数情况下tnt现场识别，具有较高的实际应用价值。
8.本发明所述的一种发光中心亚结构分区掺杂的激发正交型稀土上转换纳米探针的制备方法，其步骤如下：
9.1、核/多壳结构的naerf4@naluf4@nayf4:20％yb,2％er@naluf4正交上转换稀土纳米粒子的合成：利用氯化物溶剂热法制备粒径～32nm的naerf4裸核，接着用奥斯瓦尔德熟化法在裸核上逐层外延生长naluf4、nayf4:20％yb,2％er 和naluf4，得到粒径～56nm的naerf4@naluf4@nayf4:20％yb,2％er@naluf4正交上转换稀土纳米粒子(oucnps)，最后将其分散到环己烷溶液中；上述成分中百分数的单位是摩尔量；
10.2、oucnps@pei荧光探针的制备：将0.125mmol的oucnps通过盐酸质子化的方法去除其表面的油酸分子配体，然后加入0.15～0.20g的pei搅拌20～30 小时，通过静电吸附作用在oucnps的表面包覆一层为1.5～3.0nm厚的pei，形成亲水性的oucnps@pei荧光探针溶液；
11.3、溶液中tnt检测：将oucnps@pei荧光探针溶液与不同浓度的tnt 乙腈溶液混合，
最终检测体系中oucnps@pei的浓度为0.52μmol/ml，tnt的浓度范围为0～4000μm，测量各份混合液在980nm激光激发下的上转换发光发射光谱；可以发现，随着tnt浓度的增加，500～575nm波段的绿光积分强度逐渐减弱，绘制绿光积分强度与tnt浓度的关系曲线；然后将oucnps@pei荧光探针溶液与未知浓度的tnt乙腈溶液混合，测量混合液在980nm激光激发下的上转换发光发射光谱，将500～575nm波段的绿光积分强度代入上述关系曲线，计算得到tnt浓度，从而实现了对tnt的定量检测；进一步，tnt的线性检测范围为5～60μm，检测下限可达3.04μm；
12.4、原位即时tnt检测：通过将纸条(任意纸条均可，对于不同纸条，大体上呈现出表面越粗糙，制备的试纸发光越亮)放入oucnps@pei荧光探针溶液中浸泡来制备tnt检测试纸，然后用制备好的试纸条来刮擦带有tnt的固体表面；最后在980nm激光激发下，试纸条的颜随tnt浓度的增加呈现出由绿到黄再到红的转变，从而实现了tnt原位即时检测。
13.本发明的原理：本发明以简化核/多壳结构和实现正交发光为切入点，利用高浓度er
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的自敏化达到无nd
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掺杂的目的，从而简化了材料结构；内层惰性壳 naluf4的引入阻断了核和发光层之间的能量传递，实现正交发光的目标。经pei 修饰的oucnps与tnt结合形成的复合体，能够猝灭980nm激光激发下的绿光，根据荧光强度的变化与tnt浓度的线性关系实现溶液中tnt的定量检测。将其制备成试纸，可以实现tnt的原位即时检测并同时进行成像显示，有利于现场筛查。
14.本发明所述的一种结构简单的新型正交上转换纳米探针及tnt检测具有以下优点：
15.(1)在没有nd
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掺杂的情况下实现了808nm的激发，避免了多层复杂的掺杂模式，同时也简化了合成。
16.(2)没有长距离调制的能量迁移过程，避免了长距离迁移和反向能量转移造成的能量损失，进而最大限度地约束了激发光能量，减少了能量损失。
17.(3)将两个不同的发光过程(naerf4和nayf4:20％yb,2％er)集成在同一个纳米粒子中，且通过惰性壳层naluf4分隔在不同的子结构中，实现它们各自的功能而不互相干扰：naerf4核内100％的高浓度er
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掺杂,在808nm激光激发下，显示近单的红发射；在980nm激光激发下，显示深绿发射。
18.(4)最外层惰性壳的包覆钝化了纳米粒子表面，有效的避免表面配体及溶剂对发光的影响，近一步增强了发光。
19.(5)oucnps@pei作为自参照荧光探针，能够实现对tnt的特异性识别，并使用比荧光作为视觉信号输出来表示tnt的存在，检测下限可达3.04μm。
20.(6)制成的tnt检测试纸具有便携、可视化、检测灵敏和易于操作等优点，适用于大多数tnt的现场识别，同时能够进行成像显示。
21.(7)这种结构简单的新型正交上转换纳米平台具有十分广阔的应用前景。同时，这种比率荧光检测概念可以扩展到更大范围的有机分子和生物分子的视觉检测，具有很高的实际应用前景。
附图说明
22.图1：本发明实施例1制备的oucnps的透射电子显微图像。
23.图2：本发明实施例1制备的oucnps分别在808nm和980nm激光激发下的发射光谱。
24.图3：检测例1中oucnps@pei荧光探针在980nm激光激发下上转换发光发射光谱随tnt浓度的变化曲线，其中发光强度在652nm处进行了归一化处理。
25.图4：检测例1中oucnps@pei荧光探针在980nm激光激发下上转换发光发射光谱中500～575nm波段的绿光积分强度与tnt浓度的关系曲线；插图表示，500～575nm波段的绿光积分强度与tnt浓度在5～60μm范围内具有良好的线性关系；
26.图5：检测例2中，tnt检测试纸的制备及应用过程示意图。
具体实施方式
27.实施例1：naerf4@naluf4@nayf4:20％yb,2％er@naluf4正交上转换稀土纳米粒子的合成
28.我们对已报道的氯化物溶剂热法(li,z.,zhang,y.,nanotechnology,2008.19, 345606)做适当调整，合成了尺寸均匀、具有良好单分散性的β相(六角相) naerf4裸核纳米粒子。通过奥斯瓦尔德熟化法进行壳层包覆，形成核/多壳结构的正交上转换稀土纳米粒子。由于在胶体体系中，具有更大的表面体积比的小颗粒的能量更不稳定，在高温时小颗粒溶解后沉积在大颗粒表面，该过程称为熟化过程。也就是说，在高温条件下，可以让小粒径的壳前体快速溶解并沉积在大粒径的核纳米粒子表面上，最终制备出壳厚可控、尺寸均匀的核壳纳米粒子。
29.(1)naerf4纳米核的制备
30.首先将ercl3·
6h2o(1.00mmol)、15ml十八烯(ode)和6ml油酸(oa) 在50ml烧瓶中混合并搅拌30分钟。将上述溶液升温到160℃，持续30分钟，然后冷却到50℃以下。加入8ml含有naoh(2.50mmol)和nh4f(4.00mmol) 的甲醇溶液，并加热至75℃反应30min蒸发甲醇。然后将上述混合物升温到300℃，反应90min，待反应结束后冷却到50℃，用丙酮和无水乙醇洗涤离心，离心6min(6000r/min)。最后，将得到的naerf4裸核分散在8ml的环己烷中待用。整个实验过程都是在氮气保护和搅拌下进行的。
31.(2)naluf4惰性壳前体的制备
32.将0.544g cf3coona
·
3h2o(4mmol)、2.272g(cf3coo)3lu
·
3h2o(4mmol)、 12ml的油酸、12ml的油胺和20ml的十八烯倒入100ml的三颈烧瓶中，120℃下搅拌30min除水，然后将反应体系升温至290℃，反应45分钟。反应结束后降至室温，用无水乙醇洗涤离心(6min,6000r/min)。最后，将得到的产物分散在 10ml的十八烯中待用。
33.(3)nayf4:20％yb,2％er壳前体的制备
34.将0.272g cf3coona
·
3h2o(2mmol)、0.752g(cf3coo)3y
·
3h2o(1.56 mmol)、0.226g(cf3coo)3yb
·
3h2o(0.4mmol)、0.022g(cf3coo)3er
·
3h2o (0.04mmol)、6ml的油酸、6ml的油胺和10ml的十八烯倒入50ml的三颈烧瓶中，120℃下搅拌30min除水，然后将其升至290℃，反应45分钟。反应结束后将其降至室温，用无水乙醇洗涤离心(6min,6000r/min)。最后，将得到的产物分散在8ml的十八烯中待用。
35.(4)oucnps的制备
36.首先，将含有0.25mmol naerf4裸核纳米粒子的环己烷溶液(2.0ml)加入到含有15ml的十八烯和6ml油酸的50ml三颈瓶中。然后，在通氩气保护下，将混合液加热到90℃，并
保持30分钟以除去环己烷溶剂。接着，将混合物以 20℃/min的速率加热到305℃。此时，向三颈烧瓶注射0.75mmol的naluf4壳前体，平均分成两次注射，时间间隔为30分钟；40分钟后，将1mmol的 nayf4:20％yb,2％er壳前体平均分成两次注射，时间间隔为30分钟；反应40min 后，再次将1.5mmol的naluf4壳前体平均分三次注射到三颈烧瓶中，时间间隔为30min，在最后一次注射后，反应1h。然后将体系降至室温，用丙酮和无水乙醇各洗涤离心一次，时间为6分钟，转速为6000转/分钟。最后，将得到的 naerf4@naluf4@nayf4:20％yb,2％er@naluf4纳米粒子(oucnps)分散在4 ml环己烷中待用。oucnps的透射电子显微图像如图1所示，其平均尺寸为56 nm。图2为oucnps分别在808nm和980nm激发下的正交发射光谱：808nm 激发下发射红光；980nm激发下发射绿光(虽然有红光成分，但人眼对绿光更敏感，观察到的是较强的绿光)。
37.实施例2：oucnps的表面修饰
38.通过实施例1制备的oucnps表面配体为疏水性的油酸(oa)配体，检测需要将油相材料转移到水相中。这里，我们对文献报道(bogdan,n.,vetrone,f., ozin,g.a.,capobianco,j.a.,nano letters,2011,11,835～840.)的盐酸质子化方法稍加调整，采用两步法，即先去除油酸配体得到无配体oucnps，再用需要的官能团进行表面修饰，制备了pei修饰的表面为氨基配体的oucnps@pei。得到的纳米粒子不仅在水相溶剂中具有良好的分散性，而且表面的氨基配体可以与 tnt结合为接下来tnt的检测奠定了基础。具体过程如下：
39.(1)将实施例1制备的2ml oucnps环己烷溶液和2ml环己烷一起加入到4ml的hcl(ph＝4)溶液中。剧烈搅拌12h后，原来分散在上层环己烷中的oucnps转移到了下层的盐酸水溶液中；将下层的盐酸水溶液抽入离心管中，并加入丙酮进行沉化离心，离心20min，10000r/min。将得到的离心产物分散到 4ml水中，得到无配体的oucnps@free水溶液。
40.(2)取170mg pei加入到上述的无配体的oucnps水溶液中，室温下温和搅拌24h；离心10min，10000r/min，通过静电吸附作用得到在oucnps的表面包覆一层2.0nm厚的pei形成荧光探针(oucnps@pei)，离心两次之后重新分散于4ml乙腈中，得到oucnps@pei乙腈溶液，oucnps@pei荧光探针的浓度为31.3μmol/ml。
41.检测例1、oucnps@pei对tnt的定量检测
42.将50μl实施例3制备的oucnps@pei乙腈溶液和不同浓度的tnt乙腈溶液混合，得到3ml不同浓度tnt的混合液(混合液中tnt的终浓度分别为0 μm、5μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、40μm、50μm、60μm、 70μm、80μm、90μm、100μm、200μm，400μm、500μm，1000μm、2000 μm、3000μm和4000μm)。然后测量各混合液在980nm激光激发下的上转换发光发射光谱。结果见图3所示，随着tnt浓度的增加，绿光强度逐渐减弱。同时如图4所示，tnt浓度与500～575nm波段的绿光积分强度在5～60μm之间具有较好的线性关系，满足i＝14.0595-0.0604c(μm)线性方程(其中i为500～575 nm波段的绿光积分强度，c为tnt浓度，单位为μm)。
43.检测例2、oucnps@pei制备成试纸来检测tnt粉末
44.如图5所示，我们将剪好的滤纸(1cm
×
2cm)浸入oucnps@pei水溶液中约10分钟，oucnps@pei吸附到滤纸上，然后将它们取出并放在暗处自然晾干。重复上述操作，以获得一批相同的tnt检测试纸。在固体(信纸或布料，本实施例使用信纸)表面上，将不同浓度(0μm、5μm、15μm、20μm、25μm、 30μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm，100μm、200μm，400μm、 1000μm、
2000μm、3000μm和4000μm)的tnt乙腈溶液各滴5滴，形成大小相似的斑迹，然后用先前制备好的试纸擦刮。用980nm的激光照射样品，随着tnt浓度的增加，试纸的颜有一个由绿变黄到红的转变，实现了检测tnt 的目的。而在808nm激光激发下，这些试纸均呈红发光，肉眼观察无明显差异，可以用来进行成像显示。在实际应用中，由于tnt粉末的分布不均匀，导致部分区域的高浓度，颜变化十分明显。该tnt检测试纸具有便携、可视化、检测灵敏和易于操作等优点，适用于大多数tnt的现场识别，同时能够进行成像显示，具有较高的实际应用价值。使用试纸这种比法只能确定一个大致的范围，类似于ph试纸。
技术特征：
1.一种用于即时视觉检测的激发正交型稀土上转换纳米探针的制备方法，其步骤如下：1)核/多壳结构的naerf4@naluf4@nayf4:20％yb,2％er@naluf4正交上转换稀土纳米粒子的合成：利用氯化物溶剂热法制备粒径～32nm的naerf4裸核，接着用奥斯瓦尔德熟化法在裸核上逐层外延生长naluf4、nayf4:20％yb,2％er和naluf4，得到粒径～56nm的naerf4@naluf4@nayf4:20％yb,2％er@naluf4正交上转换稀土纳米粒子，记为oucnps，最后将oucnps分散到环己烷溶液中；上述成分中百分数的单位是摩尔量；2)oucnps@pei荧光探针的制备：将0.125mmol的oucnps通过盐酸质子化的方法去除其表面的油酸分子配体，然后加入0.15～0.20g的pei搅拌20～30小时，通过静电吸附作用在oucnps的表面包覆一层为1.5～3.0nm厚的pei，形成亲水性的oucnps@pei荧光探针溶液。2.一种用于即时视觉检测的激发正交型稀土上转换纳米探针，其特征在于：是由权利要求1所述的方法制备得到。3.权利要求1所述的一种用于即时视觉检测的激发正交型稀土上转换纳米探针在检测中的应用。4.如权利要求3所述的一种用于即时视觉检测的激发正交型稀土上转换纳米探针在检测中的应用，其特征在于：是在溶液中检测tnt。5.如权利要求4所述的一种用于即时视觉检测的激发正交型稀土上转换纳米探针在检测中的应用，其特征在于：是将oucnps@pei荧光探针溶液与不同浓度的tnt乙腈溶液混合，最终检测体系中oucnps@pei的浓度为0.52μmol/ml，tnt的浓度范围为0～4000μm，测量各份混合液在980nm激光激发下的上转换发光发射光谱；随着tnt浓度的增加，500～575nm波段的绿光强度逐渐减弱，绘制500～575nm波段的绿光积分强度与tnt浓度的关系曲线；然后将oucnps@pei荧光探针溶液与未知浓度的tnt乙腈溶液混合，测量混合液在980nm激光激发下的上转换发光发射光谱，将500～575nm波段的绿光积分强度代入上述关系曲线，计算得到tnt浓度，从而实现了对tnt的检测。6.如权利要求5所述的一种用于即时视觉检测的激发正交型稀土上转换纳米探针在检测中的应用，其特征在于：tnt浓度与500～575nm波段的绿光积分强度在5～60μm之间具有较好的线性关系，满足i＝14.0595-0.0604c线性方程，其中i为500～575nm波段的绿光积分强度，c为tnt浓度，单位为μm。7.如权利要求3所述的一种用于即时视觉检测的激发正交型稀土上转换纳米探针在检测中的应用，其特征在于：是在固体表面原位即时tnt检测。8.如权利要求7所述的一种用于即时视觉检测的激发正交型稀土上转换纳米探针在检测中的应用，其特征在于：通过将纸条放入oucnps@pei荧光探针溶液中浸泡来制备tnt检测试纸，然后用制备好的tnt检测试纸来刮擦带有tnt的固体表面；最后在980nm激光激发下，tnt检测试纸的颜随tnt浓度的增加呈现出由绿到黄再到红的转变，从而实现tnt原位即时检测。
技术总结
一种用于(TT)即时视觉检测的激发正交型稀土上转换纳米探针、制备方法及其应用，属于发光材料技术领域。本发明开发了一种结构相对简单的OUCPs(aErF4@aLuF4@aYF4:20％Yb,2％Er@aLuF4)荧光探针，aErF4核内100％的高浓度Er
