一种基于上转换荧光内滤效应检测Ni（Ⅱ）的方法

摘要

本发明公开一种基于上转换荧光内滤效应检测Ni(II)的方法，当Ni(II)存在时，丁二酮肟与其发生络合反应，反应产物DMG‑Ni(II)络合物可与稀土掺杂上转换纳米材料NaYF4：Yb，Tm之间发生有效的荧光内滤效应，不需要进行标记材料的偶联，直接通过荧光信号猝灭的程度对Ni(II)进行定量分析。该方法的优点主要有：1、操作简便，不需要昂贵复杂的设备仪器；2、具有良好的选择性和高灵敏度；3.对Ni(II)具有高的特异性和抗干扰能力，有望用于复杂样本的检测；4、使用过程所需的原料不会对环境造成二次污染，清洁环保，有利于该方法进一步的开发与利用，在未来环境重金属离子的污染预警分析中有潜在的实际应用价值。

权利要求

1.一种基于上转换荧光内滤效应检测Ni(Ⅱ)的方法，其特征在于，建立Ni(Ⅱ)标准曲线，以PAA‑UCNPs@NaGdF4为荧光探针，在待测液中加入所述荧光探针、碘液和丁二酮肟碱性溶液，混合反应，测定反应液的荧光强度，根据测得的荧光强度定量检测所述待测液中的Ni(Ⅱ)；

所述PAA‑UCNPs@NaGdF4的制备方法为：

(1)OA‑UCNPs的合成：将稀土硬脂酸盐、NaF、油酸、十八烯混合置于氩气氛围中回流加热至140℃，保持30min进行脱水脱气；然后迅速升温至312‑314℃，保持反应45min后冷却至室温，所得产物经11000rpm离心后弃去上清液，沉淀物用乙醇、环己烷、蒸馏水离心洗涤至无NaF成分，70℃真空干燥，即得OA‑UCNPs；

(2)UCNPs@NaGdF4的制备：将油酸、十八烯、NaF、Gd硬脂酸盐和所得OA‑UCNPs置于氩气氛围下回流加热至140℃，保持30min进行脱水脱气；然后迅速升温至312‑314℃，保持反应

50min后冷却至室温，所得产物经11000rpm离心3min后弃去上清液，添加乙醇使产物沉降，并用环己烷、蒸馏水洗涤离心，70℃真空干燥，即得UCNPs@NaGdF4；

(3)PAA‑UCNPs@NaGdF4的制备：将所得UCNPs@NaGdF4与氯仿溶液混合，超声分散，然后加入聚丙烯酸溶液，封口，搅拌，洗涤，所得产物经11000rpm离心后弃去上清液，沉淀物70℃真空干燥2h，得到PAA‑UCNPs@NaGdF4；

取250μL2mg/mL的PAA‑UCNPs@NaGdF4水溶液分别与100μL不同浓度的Ni(Ⅱ)水溶液混合，再加入20μL碘液与580μL超纯水，摇匀，随后加入50μL含有氨水的DMG溶液，摇匀，混合体系的终体积为1mL，使Ni(Ⅱ)的终浓度为2μM‑55μM；室温反应20min，用荧光分光光度计进行2

检测，激发功率2W/cm，电压500V；

所述50μL含有氨水的DMG溶液制备方法为：0.5g丁二酮肟溶解于50mL氨水中，待溶解完全后转入100mL的容量瓶中，用超纯水定容至刻度线；

Ni(Ⅱ)浓度与UCNPs在478nm处的荧光猝灭程度呈现良好的线性关系，线性方程为F0/F＝0.04293C+0.94942，F0/F，F0表示无Ni(Ⅱ)时溶液初始荧光强度，F表示添加Ni(Ⅱ)后溶液的荧光强度，C为Ni(Ⅱ)的浓度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述稀土硬脂酸盐为Y硬脂酸盐、Yb硬脂酸盐、Tm硬脂酸盐，其中稀土元素的摩尔比为：Y:Yb:Tm＝79.5:20:0.5。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述稀土硬脂酸盐与NaF的摩尔比为0.8:28，油酸和十八烯的摩尔为12:8；步骤(2)所述油酸与十八烯的摩尔比为1:1，NaF与Gd硬脂酸盐和OA‑UCNPs的摩尔比为1:1:1。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述UCNPs@NaGdF4与氯仿溶液质量体积比为50mg:1mL。

说明书

一种基于上转换荧光内滤效应检测Ni(II)的方法

技术领域

[0001] 本发明属于分析化学及纳米技术领域，具体涉及一种基于上转换荧光内滤效应检测Ni(II)的方法。

背景技术

[0002] 镍是呼吸系统、生物合成和代谢等生物系统中必不可少的微量元素。金属镍及其化合物已广泛用于现代工业。镍化合物可用于电镀以及生产镍镉电池和电子设备，镍合金(例如不锈钢)可用于生产工具，器械等等。然而，镍的高使用率不可避免地导致环境污染，每天摄入可溶性镍250mg会引起中毒，在体内的积累会导致肺纤维化和肾脏疾病。因此，环境当中的Ni(II)检测十分重要。

[0003] 迄今为止，大多数Ni(II)传感器都是基于电位法，这些传感器普遍存在选择性较差的问题。目前，稀土上转换纳米材料(UCNPs)因其独特的光学性能，已经被成功地广泛应用于重金属离子的检测。

[0004] 内滤效应(IFE)是荧光光谱法中的一种非辐射能量转换模型，是由检测体系中的吸收剂吸收激光或可见光，或同时吸收两者而产生的现象。IFE的优点在于：(1)能量受体与供体之间不需要共价连接，简化了荧光材料的合成，避免了复杂探针的制备；(2)由于传感器的吸光度变换转换为指数形式的荧光强度的变换，因此与吸收方法相比，分析的灵敏度更高。但是，仅当吸收剂的吸收光谱与荧光剂的激发光谱或发射光谱，或与两者同时发生谱带重叠时，才发生IFE。此外，两种材料不应当自发发生化学反应，且不会对荧光性质产生干扰。

发明内容

[0005] 针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于上转换荧光内滤效应检测Ni(II)的方法。本发明以UCNPs为荧光探针，利用上转换荧光强度的变化，来实现对Ni(II)的高灵敏检测与高选择性检测。丁二酮肟与Ni(II)形成酒红色的可溶性络合物，该络合物与UCNPs发生内滤效应从而猝灭UCNPs的荧光，通过丁二酮肟与Ni(II)之间的络合而导致的荧光强度的变化即可实现对Ni(II)的定量检测。

[0006] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0007] 一种基于上转换荧光内滤效应检测Ni(II)的方法，建立Ni(II)标准曲线，以PAA‑UCNPs@NaGdF4为荧光探针，在待测液中加入所述荧光探针、碘液和丁二酮肟碱性溶液，混合反应，测定反应液的荧光强度，根据测得的荧光强度定性检测所述待测液中的Ni(II)。

[0008] 进一步地，所述PAA‑UCNPs的制备方法为：

[0009] (1)OA‑UCNPs的合成：将稀土硬脂酸盐、NaF、油酸、十八烯混合置于氩气氛围中回流加热至140℃，保持30min进行脱水脱气；然后迅速升温至312‑314℃，保持反应45min后冷却至室温，所得产物经11000rpm离心后弃去上清液，沉淀物用乙醇、环己烷、蒸馏水离心洗涤至无NaF成分，70℃真空干燥，即得OA‑UCNPs(OA为油酸)；

[0010] (2)UCNPs@NaGdF4的制备：将油酸、十八烯、NaF、Gd硬脂酸盐和所得OA‑UCNPs置于氩气氛围下回流加热至140℃，保持30min进行脱水脱气；然后迅速升温至312‑314℃，保持反应50min后冷却至室温，所得产物经11000rpm离心3min后弃去上清液，添加乙醇使产物沉降，并用环己烷、蒸馏水洗涤离心，70℃真空干燥，即得UCNPs@NaGdF4；

[0011] (3)PAA‑UCNPs@NaGdF4的制备：将所得UCNPs@NaGdF4与氯仿溶液混合，超声分散，然后加入聚丙烯酸溶液，封口，搅拌，洗涤，所得产物经11000rpm离心后弃去上清液，沉淀物70℃真空干燥2h，得到PAA‑UCNPs@NaGdF4。

[0012] 进一步地，步骤(1)所述稀土硬脂酸盐为Y硬脂酸盐、Yb硬脂酸盐、Tm硬脂酸盐以摩尔比(Y∶Yb∶Tm＝79.5∶20∶0.5)的混合物。

[0013] 进一步地，步骤(1)所述稀土硬脂酸盐与NaF的摩尔比为0.8∶28，油酸和十八烯的摩尔比为12∶8。步骤(2)所述油酸与十八烯的摩尔比为1∶1，NaF与Gd硬脂酸盐和OA‑UCNPs的摩尔比为1∶1∶1。

[0014] 进一步地，步骤(3)所述UCNPs@NaGdF4与氯仿溶液质量体积比为50mg∶1mL。

[0015] 进一步地，所述PAA‑UCNPs@NaGdF4溶液、碘液、丁二酮肟碱性溶液和Ni(II)溶液的体积比为25∶2∶5∶10。

[0016] 进一步地，Ni(II)在所述混合物中的终浓度为2μM‑55μM。

[0017] 进一步地，所述丁二酮肟碱性溶液是山丁二酮肟与氨水混合制备而成。

[0018] 进一步地，所述定量检测条件为：激发功率2W/cm2，电压500V。

[0019] 本发明的原理为：

[0020] 在氧化剂碘存在的碱性溶液当中，丁二酮肟(DMG)可与Ni(II)形成酒红色的可溶性络合物，该络合物的吸收光谱与UCNPs的发射光谱发生重叠形成有效的IFE而猝灭UCNPs的荧光，通过DMG与Ni(II)之间的络合而导致的荧光强度的变化实现对Ni(II)的高灵敏度与高选择性检测。

[0021] 本发明制备的产物属于一个核壳结构，通过稀土硬脂酸盐、NaF、油酸、十八烯制备出核结构OA‑UCNPs，再通过油酸、十八烯、NaF、Gd硬脂酸盐制备出核壳结构的UCNPs@NaGdF4，最后通过聚丙烯酸(PAA)的包覆，形成最终产物PAA‑UCNPs@NaGdF4。PAA的加入提高了PAA‑UCNPs@NaGdF4的水溶性和分散性，并且PAA的羧基容易解离为羧酸根负离子从而带负电，更好地应用于水溶液中重金属离子的检测当中。

[0022] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：

[0023] (1)稀土掺杂的上转换发光纳米材料作为荧光探针，采用近红外光激发，无背景荧光；

[0024] (2)操作简便，不需要昂贵复杂的设备仪器；具有良好的选择性和高灵敏度；

[0025] (3)对Ni(II)具有高的特异性，可用于复杂样本检测。使用过程所需的原料不会对环境造成二次污染，清洁环保，有利于该探针进一步的开发与利用；这种简便、灵敏的方法在未来环境重金属离子的污染预警分析中有潜在的实际应用价值。

附图说明

[0026] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0027] 图1为OA‑UCNPs的透射电镜图；

[0028] 图2为OA‑UCNPs的X‑射线衍射图；

[0029] 图3为UCNPs@NaGdF4的透射电镜图；

[0030] 图4为PAA‑UCNPs@NaGdF4和OA‑UCNPs的傅里叶变换红外光谱图；

[0031] 图5为PAA‑UCNPs@NaGdF4的荧光与DMG‑Ni(II)络合物的紫外‑可见吸收的表征图；

[0032] 图6为不同浓度的Ni(II)对OA‑UCNPs荧光强度的变化图；

[0033] 图7为Ni(II)检测的拟合线性关系图；

[0034] 图8为基于UCNPs与DMG‑Ni(II)络合物荧光内滤效应(IFE)的原理图；

[0035] 图9为选择性分析图。

具体实施方式

[0036] 现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

[0037] 应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

[0038] 除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。

[0039] 在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。

[0040] 关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

[0041] 本发明所用液体原料均为直接购买的试剂。

[0042] 实施例1

[0043] 1)热分解法制备NaYF4：Yb，Tm纳米晶(OA‑UCNPs)：将0.8mmol的稀土硬脂酸盐(其中Y∶Yb∶Tm摩尔比为79.5∶20∶0.5)、28mmolNaF、12mmol油酸(OA)、8mmol十八烯(ODE)加入到100mL三颈烧瓶中；

[0044] 将体系置于氩气氛围中加热至140℃，持续30min以获得无水无氧的反应条件。随后迅速升温，保持温度在312‑314℃之间，继续反应45min后经自然冷却至室温，反应产物以11000rpm的转速离心3min，去除上清液，添加乙醇使产物沉降，并用环己烷、蒸馏水多次洗涤离心至无有机油状物和NaF成分，转移至烘箱中70℃真空干燥备用，得到β相NaYF4：Yb，Tm纳米晶(OA‑UCNPs，OA为油酸)。

[0045] OA‑UCNPs的TEM及XRD表征图如图1和图2所示。图1表明合成的OA‑UCNPs纳米粒子呈球形，分散性良好，粒径约为30nm。图2的XRD数据表明与六方相的NaYF4的谱图完全吻合，说明合成的OA‑UCNPs(NaYF4：Yb，Tm)为六方相(β相)，具有较好的荧光性能。

[0046] 2)UCNPs@NaGdF4的制备：向100ml三颈烧瓶中加入油酸(OA)6.4mmol、十八烯(ODE)6.4mmol、β相NaYF4：Yb，Tm 0.2mmol，NaF0.2mmol、Gd硬脂酸盐0.2mmol，氩气氛围下回流加热至140℃，持续30min以获得无水无氧的反应条件。随后迅速升温至312‑314℃，保持反应
50min后冷却至室温，所得产物经11000rpm离心3min后弃去上清液，添加乙醇使产物沉降，并用环己烷、蒸馏水多次洗涤离心，70℃真空干燥，得到UCNPs@NaGdF4。

[0047] UCNPs@NaGdF4的TEM表征图如图3所示。图3表明所合成的核壳结构纳米粒子呈圆球状，分散性好，粒径约为35nm。

[0048] 3)PAA‑UCNPs@NaGdF4的制备：50mg UCNPs@NaGdF4d分散在1mL氯仿溶液(若无法完全分散就加入少量乙醇)当中超声分散，随后称量1g聚丙烯酸(PAA)溶于15mL去离子水当中，并与上述溶液混合，将其封口后持续搅拌24h，在反应结束后用水‑醇(体积比1∶1)洗三次，11000rpm，离心5min，去上清液，60℃真空干燥2h，得到PAA‑UCNPs@NaGdF4d。

[0049] PAA‑UCNPs@NaGdF4和OA‑UCNPs的FT‑IR表征图如图4所示。FT‑IR光谱图表明，OA‑‑1UCNPs和PAA‑UCNPs@NaGdF4在3458cm 的地方都存在着一个很宽的峰，主要归属于‑OH的伸‑1
缩振动峰，在1550和1460cm 有油酸/聚丙烯酸的羧基(COO‑)的不对称和对称伸缩振动峰，‑1 ‑1
2851cm 和2937cm 则分别归属于油酸/聚丙烯酸分子长烷基链上的亚甲基(‑CH2‑)的对称‑1
与不对称伸缩振动峰；修饰了聚丙烯酸后，UCNPs在1725cm 处是羧基基团的C＝O的伸缩振动峰。由此可见，PAA已成功修饰到UCNPs@NaGdF4表面，从而使之具有水溶性且携带负电荷，更好地应用于水溶液中重金属离子的检测当中。

[0050] 4)取250μL 2mg/mL的PAA‑UCNPs@NaGdF4水溶液分别与100μL不同浓度的Ni(II)水溶液混合，再加入20μL碘液与580μL超纯水，摇匀，随后加入50μL含有氨水的DMG溶液(0.5g丁二酮肟溶解于50mL氨水中，待溶解完全后转入100mL的容量瓶中，用超纯水定容至刻度线)，摇匀，混合体系的终体积为1mL，使Ni(II)的终浓度为2μM‑55μM。室温反应20min，用荧2
光分光光度计进行检测，激发功率2W/cm，电压500V。

[0051] 图5为PAA‑UCNPs@NaGdF4的荧光与DMG‑Ni(II)络合物的紫外‑可见吸收的表征图。图5的很好地验证了DMG‑Ni(II)络合物的紫外‑可见吸收与PAA‑UCNPs@NaGdF4的荧光光谱具有很好的重叠，为两者之间的荧光内滤效应(IFE)提供可行性。

[0052] 图6为不同浓度的Ni(II)对UCNPs荧光强度的变化图，可以看出，在478nm处，UCNPs的荧光强度随着Ni(II)浓度的增大而逐渐降低。

[0053] 图7为Ni(II)检测的拟合线性关系图，由图可知，Ni(II)浓度与UCNPs在478nm处的荧光猝灭程度呈现良好的线性关系，线性，方程为F0/F＝0.04293C+0.94942(F0/F，F0表示无Ni(II)时溶液初始荧光强度，F表示添加Ni(II)后溶液的荧光强度，C为Ni(II)的浓度)，根据3σ法计算出检测限(LOD)为0.32μM。

[0054] 图8为基于UCNPs与DMG‑Ni(II)络合物荧光内滤效应(IFE)的原理图。UCNPs@NaGdF4表面修饰聚丙烯酸(PAA)使其具有水溶性的同时携带负电荷。在氧化剂碘存在的碱性溶液当中，丁二酮肟(DMG)与Ni(II)形成酒红色的可溶性络合物。该络合物的紫外吸收在440nm处，是一个宽带吸收。UCNPs@NaGdF4在980nm激发光的照射下，发射出肉眼可见的波长为478nm的蓝色荧光，DMG‑Ni(II)络合物的吸收光谱与UCNPs@NaGdF4的发射光谱发生重叠形成有效的荧光内滤效应(IFE)而猝灭上转换荧光，从而实现对Ni(II)的高灵敏度与高选择性检测。

[0055] 实施例2

[0056] 同实施例1，区别在于，将步骤4)中不同浓度的Ni(II)水溶液进行替换，使混合物中该成分的终浓度分别为：35μM Ni(II)、350μM Fe(II)、350μM Fe(III)、350μM Cd(II)、350μM Cr(III)、350μM Cu(II)、350μM Ag(I)、350μM Mg(II)、350μM Zn(II)、350μM Ca(II)、350μM Na(I)、350μM K(I)，进行选择性试验，结果如图9所示。

[0057] 从图9中可以看出，Ni(II)相较其它金属离子会极大猝灭UCNPs的荧光，F0/F(F0表示无Ni(II)时溶液初始荧光强度，F表示添加Ni(II)后溶液的荧光强度)的比值最大。说明本发明设计的基于上转换荧光内滤效应检测Ni(II)的方法具有较好的选择性(黑柱所示)。考察了该探针在Ni(II)与其它重金属离子同时存在时的抗干扰能力，由图9中可以明显看出，在其它金属离子浓度十倍于Ni(II)的条件下F0/F的值仍然趋近只存在Ni(II)时的值，由此可见，高浓度的干扰离子不会造成显色剂DMG量的不足，这表明本实验Ni(II)的检测具有优异的抗干扰能力(灰柱所示)。

[0058] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。