NaYF4:Yb3+,Er3+@SiO2熒光納米傳感器檢測牛奶中過氧化氫

摘要 采用溶劑熱法合成了稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米材料NaYF4：Yb3+，Er3+，使用反相微乳液法對其表面進(jìn)行SiO2包覆制得NaYF4：Yb3+，Er3+@SiO2。采用透射電鏡、X 射線衍射和傅里葉紅外光譜對此材料進(jìn)行了表征，并基于NaYF4：Yb3+，Er3+@SiO2 與方酸鐵（SQA-Fe3+）之間的熒光猝滅原理構(gòu)建了NaYF4：Yb3+，Er3+@SiO2-SQA-Fe3+熒光納米傳感器，用于微量過氧化氫（H2O2）的檢測。在最佳實驗條件下，本方法檢測H2O2 的線性范圍為1.8～84.0 μmol/L， 檢出限（3σ）為0.47 μmol/L， 牛奶樣品中H2O2 的加標(biāo)回收率為98.4%～99.7%。本方法具有檢出限低、穩(wěn)定性好以及抗干擾能力強等優(yōu)點，可用于牛奶樣品中H2O2 殘留的檢測。

關(guān)鍵詞 稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米材料；過氧化氫；熒光納米傳感器；熒光猝滅

過氧化氫（H2O2）是一種強氧化劑，具有漂白、消毒和殺菌等作用[1-2]，常用于化工生產(chǎn)和食品工業(yè)等領(lǐng)域。在食品工業(yè)中， H2O2 被用于乳制品的包裝滅菌以及延長牛奶的保質(zhì)期[3-4]。研究表明，當(dāng)H2O2 在人體內(nèi)過量存在時，不僅會損傷蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和核酸，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡或壞死[5]，甚至?xí)l(fā)阿爾茲海默病[6]、癌癥[7]和心血管疾病[8]等。牛奶中殘留的H2O2 對人體健康構(gòu)成潛在威脅，我國明確禁止在乳制品生產(chǎn)中添加H2O2[9]。因此，建立牛奶中H2O2 靈敏、快速的檢測方法對維護(hù)廣大消費者利益和確保人體健康具有重要意義。

目前，檢測H2O2 的方法主要有化學(xué)滴定分析法[10]、電化學(xué)分析法[11]、高效液相色譜法[12]、分光光度法[13]和熒光分析法[14]等?；瘜W(xué)滴定分析法包括高錳酸鉀法、碘量法和鈰量法等，此類方法的靈敏度較高，但高錳酸鉀法有副反應(yīng)發(fā)生，會引起測量偏差；碘量法中I2 易揮發(fā)且Na2S2O3 穩(wěn)定性差，影響方法的準(zhǔn)確性；鈰量法中鈰鹽的成本較高且方法檢測范圍較窄。電化學(xué)方法靈敏度高且高效，但檢測結(jié)果的重復(fù)性較差且電極壽命有限。高效液相色譜法準(zhǔn)確度高、靈敏性好，但是儀器價格昂貴，樣品前處理復(fù)雜，對檢測人員的操作技術(shù)要求較高，并且無法實現(xiàn)現(xiàn)場快速檢測。分光光度法中的鈦鹽比色法為國家標(biāo)準(zhǔn)檢測方法[15]，具有成本低和操作簡單等優(yōu)點，但穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提升?；诩{米材料構(gòu)建的熒光傳感器具有檢測時間短、靈敏度高、抗干擾能力強等優(yōu)點，已成為一種新型檢測手段。目前，已有研究者利用多種熒光材料構(gòu)建的熒光傳感器檢測H2O2，如CdTe 量子點[16]和羅丹明B[17]等熒光材料。然而，量子點熒光材料具有潛在的毒性[18-19]，固態(tài)的小分子發(fā)光材料易發(fā)生熒光猝滅現(xiàn)象且分子結(jié)構(gòu)容易發(fā)生改變[20-21]，影響熒光傳感器的準(zhǔn)確性和靈敏度。因此，開發(fā)毒性低、穩(wěn)定性強和無自發(fā)熒光干擾的熒光材料構(gòu)建靈敏度高、高效且便于實現(xiàn)快速檢測的H2O2 熒光傳感器具有重要意義。

稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米材料（Rare-earth-elements-doped upconversion nanoparticles， REEs-UCNPs）作為一種新型納米熒光材料，遵循反Stokes 發(fā)光規(guī)律，可以被近紅外光激發(fā)，發(fā)射紫外光和可見光甚至近紅外光，具有發(fā)光壽命長、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、毒性低、表面可修飾、對生物樣品的光損傷小且無自發(fā)熒光干擾等諸多優(yōu)點[22-23]。本研究選擇的NaYF4：Yb3+，Er3+@SiO2 熒光納米材料具有優(yōu)良的上轉(zhuǎn)換發(fā)光性能， Yb 只有一個激發(fā)態(tài)能級2F7/2，吸收帶在近紅外區(qū)的980 nm 附近，當(dāng)980 nm 光源照射Yb 時， Yb 可躍遷至激發(fā)態(tài)，并將吸收的能量傳遞給激活劑。采用Er 作為激活劑的REEs-UCNPs 的發(fā)射光波長在544 nm 處，與方酸鐵（方酸（Squaric acid， SQA）與Fe3+的螯合物， SQA-Fe3+）的吸收光波段重疊，滿足發(fā)生內(nèi)濾效應(yīng)的條件[24-25]。同時，采用SiO2 包裹在NaYF4：Yb3+，Er3+表面，不僅可以改善REEs-UCNPs 的水溶性和生物相容性，同時能防止檢測基質(zhì)對熒光的干擾，進(jìn)一步提升熒光探針的穩(wěn)定性[26-27]。

本研究選擇NaYF4：Yb3+，Er3+@SiO2 熒光納米材料作為熒光探針，基于REEs-UCNPs 構(gòu)建了H2O2 熒光傳感器，具有靈敏度高和抗干擾能力強等優(yōu)勢[ 28]。SQA-Fe3+在波長500 nm 左右有最大吸收，與NaYF4：Yb3+，Er3+@SiO2 熒光納米材料的發(fā)射波長重疊，可作為熒光受體[29]。本研究以NaYF4：Yb3+，Er3+@SiO2熒光納米材料為熒光供體、SQA-Fe3+為熒光受體，基于H2O2 的強氧化性將Fe2+氧化為Fe3+， SQA-Fe3+由于內(nèi)濾效應(yīng)導(dǎo)致NaYF4：Yb3+，Er3+@SiO2 熒光猝滅的原理，構(gòu)建了NaYF4：Yb3+，Er3+@SiO2-SQA-Fe3+熒光納米傳感器用于牛奶中H2O2 的定量檢測。