基于鋁酸鹽類長(zhǎng)余輝材料的Fe3+熒光探針

李珩鼎，申媛媛，李曉峰，安 燕，李雪瑩，尹衍升

(上海海事大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201306)

熒光探針作為一種檢測(cè)手段，具有靈敏度高、選擇性好、使用方便、信號(hào)易于觀察和獲取、便于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，被廣泛應(yīng)用于化學(xué)分析、環(huán)境檢測(cè)、生物醫(yī)療和工業(yè)探傷等領(lǐng)域[4-5].近年來(lái)，針對(duì)不同金屬離子的熒光探針獲得了很大發(fā)展，如Ag+、Cu2+、Hg2+、Al3+等[6-9].Fe3+在生命活動(dòng)和金屬腐蝕領(lǐng)域具有重要作用[10]，針對(duì)Fe3+的熒光探針具有重要的實(shí)際使用意義.邊延江等[11]利用1-萘甲醛和2-氨基苯硫酚合成了一種Fe3+熒光探針，該探針可在純二甲基亞砜中利用熒光淬滅現(xiàn)象檢測(cè)出Fe3+.張媛等[12]基于羅丹明類染料制備了一種“開(kāi)-關(guān)”型Fe3+熒光探針，這種探針可通過(guò)熒光強(qiáng)度和溶液顏色雙信號(hào)檢測(cè)出Fe3+，同時(shí)該探針具有良好的生物相容性，可用于生物體內(nèi)的熒光成像.但是這些Fe3+熒光探針都需要在紫外或可見(jiàn)光的激發(fā)下工作，而探針檢測(cè)的準(zhǔn)確性常常受到光源和環(huán)境穩(wěn)定性的影響.

長(zhǎng)余輝發(fā)光材料可在光源停止激發(fā)后，利用自身存儲(chǔ)的能量繼續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)光[13].SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+是常見(jiàn)的長(zhǎng)余輝發(fā)光材料，其在自然光照射下即可發(fā)出綠色磷光，并且經(jīng)過(guò)激發(fā)后可保持20 h以上的余輝.此外，SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+的發(fā)射峰位于510 nm處，與羅丹明B的吸收峰有較好的重疊，這使兩者間可能形成熒光共振能量轉(zhuǎn)移[14].將長(zhǎng)余輝材料作為內(nèi)部光源應(yīng)用于熒光探針，使探針不僅具有傳統(tǒng)熒光探針在光源激發(fā)下的檢測(cè)性能，而且具備在無(wú)光源激發(fā)條件下，利用探針余輝實(shí)現(xiàn)檢測(cè)目的，從而避免光源對(duì)探針檢測(cè)結(jié)果的影響和提高探針使用的便捷性.

本文在SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+顆粒表面包覆一層SiO2保護(hù)層[15]，通過(guò)硅烷偶聯(lián)劑將其與羅丹明B連接構(gòu)成一種新型熒光探針.采用掃描電鏡觀察其微觀形貌，利用熒光光譜儀表征探針的光學(xué)性能，并研究了酸化處理對(duì)探針性能的影響以及探針在不同條件下的檢測(cè)性能.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+的包覆改性

首先按體積比1∶4量取適量的TEOS和無(wú)水乙醇，并混合于一個(gè)燒杯內(nèi).然后用稀硝酸調(diào)節(jié)該混合液的pH值到1左右.將調(diào)節(jié)pH值后的混合溶液在水浴60 ℃的條件下加熱1 h.按包覆比0.3稱取適量的SrAl2O4∶Eu2+, Dy3+粉末.包覆比為T(mén)EOS中的SiO2含量與SrAl2O4∶Eu2+, Dy3+粉末的質(zhì)量比.在磁力攪拌并且水浴60 ℃加熱的條件下，將稱量好的SrAl2O4∶Eu2+, Dy3+粉末加入到上述調(diào)節(jié)pH值后的混合溶液中，然后將適量去離子水加入反應(yīng)體系中.保持磁力攪拌和水浴加熱條件不變直到燒杯內(nèi)形成凝膠.將形成凝膠后的燒杯靜置陳化后置于電鼓風(fēng)烘箱內(nèi)，于60 ℃的條件下烘干.待樣品烘干后，將所得樣品在馬弗爐中加熱到300 ℃，保溫2 h后取出并在空氣中冷卻.待樣品冷卻至室溫后，將其研磨至粉末獲得包覆SiO2的SrAl2O4∶Eu2+, Dy3+粉末樣品.

1.2 探針的制備

稱取制備SiO2包覆SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+樣品，并將其分散于無(wú)水乙醇中.向上述溶液中滴加2 mL的硝酸.0.5 h后將含酸溶液離心分離出樣品，并用無(wú)水乙醇溶液洗滌2次，獲得酸化的SiO2包覆SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+樣品.將所獲得的樣品分散于乙醇和去離子水的混合溶液中(乙醇和去離子水體積比1∶1).在磁力攪拌的條件下，向上述溶液中逐滴滴加硅烷偶聯(lián)劑.接著將有機(jī)染料加入到此溶液中.在磁力攪拌的條件下反應(yīng)0.5 h.反應(yīng)結(jié)束后，離心獲得樣品，并用無(wú)水乙醇和去離子水分別洗滌2次.將離心產(chǎn)物放置于電鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，在80 ℃的條件下烘干，獲得粉末狀的熒光探針樣品并收集備用.

1.3 樣品的表征

采用日本電子株式會(huì)社的JSF 7 500F場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)探針的形貌進(jìn)行觀察，并用電鏡配套的能譜對(duì)探針元素進(jìn)行分析.采用英國(guó)愛(ài)丁堡儀器公司的FLS920型熒光光譜儀測(cè)定探針的熒光光譜，測(cè)試時(shí)采用360 nm的光源激發(fā)樣品.

2 結(jié)果與討論

2.1 探針的表征

如圖1(a)所示，包覆SiO2的SrAl2O4∶Eu2+, Dy3+連接羅丹明B構(gòu)成的探針粒徑在幾微米～幾十微米.大部分顆粒的粒徑在十幾微米，有少部分幾微米的顆粒和極少數(shù)大于20微米的顆粒.說(shuō)明制備的探針粒徑分布較為均勻，尺寸較小.圖1(b)為圖1(a)中某顆粒的電鏡照片.該探針顆粒的粒徑在10 μm左右，呈不規(guī)則的形狀.其表面粗糙，表面分布著不規(guī)則的孔洞結(jié)構(gòu).對(duì)其部分表面進(jìn)行能譜測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖1(c)所示.結(jié)果表明，該探針顆粒的表面成分除了SrAl2O4∶Eu2+, Dy3+所含有的Sr、Al、O、Si以外，還含有少量的C元素和N元素存在，這說(shuō)明羅丹明B通過(guò)硅烷偶聯(lián)劑連接在SrAl2O4∶Eu2+, Dy3+的表面上.

2.2 酸化處理的影響

圖2 是SiO2包覆的SrAl2O4∶Eu2+, Dy3+酸化前后分別與羅丹明B連接的發(fā)射光譜.從圖中可見(jiàn)，未經(jīng)酸化處理的SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+與羅丹明B連接后，屬于SrAl2O4∶Eu2+, Dy3+的發(fā)射峰略有藍(lán)移.同時(shí)，樣品在560 nm～650 nm內(nèi)發(fā)射峰的形狀與SrAl2O4∶Eu2+, Dy3+相同范圍內(nèi)的不同. 說(shuō)明SrAl2O4∶Eu2+,

Dy3+和羅丹明B之間存在微弱的熒光共振能量轉(zhuǎn)移.而經(jīng)過(guò)酸化處理后，SrAl2O4∶Eu2+, Dy3+與羅丹明B連接后的發(fā)射光譜存在兩個(gè)明顯的峰.這說(shuō)明酸化處理很大程度上提高了SrAl2O4∶Eu2+, Dy3+與羅丹明B連接的能力.酸化處理增加了SiO2包覆層表面的活性羥基數(shù)量，使更多的羅丹明B能夠與SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+相連接，增加了熒光共振能量轉(zhuǎn)移效率.

圖1 探針的電鏡照片(a)(b)及能譜數(shù)據(jù)(c)

Fig.1 SEM images of the fluorescent probe (a),(b), and its EDS data (c)

圖2 SiO2包覆的SrAl2O4∶Eu2+, Dy3+酸化前后分別與羅丹明B連接的發(fā)射光譜

Fig.2 Fluorescence emission spectra of SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+connecting rhodamine B before and after acidification

2.3 探針對(duì)不同金屬離子的響應(yīng)

將SiO2包覆的SrAl2O4∶Eu2+, Dy3+連接羅丹明B構(gòu)成的探針稀釋于乙醇溶液中后，向溶液中滴加不同種類的金屬離子(金屬離子的濃度均為1 mmol/L)并分別測(cè)得其發(fā)射光譜.從圖3中可以看到，滴加金屬離子前的探針，具有2個(gè)明顯的發(fā)射峰.2個(gè)發(fā)射峰的位置分別位于510和564 nm處，并且564 nm處的發(fā)射峰的強(qiáng)度比510 nm處的發(fā)射峰要略高一些.當(dāng)含有Ni+的溶液被滴加到含有探針的乙醇溶液中后，探針的2個(gè)發(fā)射峰的強(qiáng)度發(fā)生變化，564 nm處的發(fā)射峰強(qiáng)度變得比510 nm處發(fā)射峰低一些，但2個(gè)峰在發(fā)射光譜中均較明顯.與Ni+類似，向含有探針的乙醇溶液中滴加Fe2+后，564 nm處的發(fā)射峰也會(huì)有所降低但該處的發(fā)射峰仍較為明顯.向含有探針的乙醇溶液中滴加Al3+后，564 nm處的發(fā)射峰降低程度較大但該處的發(fā)射峰仍較為明顯.滴加Zn2+后的探針的發(fā)射光譜與未滴加金屬離子的探針的光譜類似，兩處發(fā)射峰的強(qiáng)度較為接近，基本相同.滴加Cu2+后的探針的發(fā)射光譜中的2個(gè)發(fā)射峰中，564 nm處的發(fā)射峰也會(huì)略有所降低.與滴加其他金屬離子不同的是，F(xiàn)e3+在滴加到含探針的乙醇溶液中后，探針的發(fā)射光譜在564 nm處發(fā)射峰強(qiáng)度有著顯著地降低，并且遠(yuǎn)低于510 nm處發(fā)射峰的強(qiáng)度.

圖3 羅丹明B型探針滴加不同種類的金屬離子的熒光發(fā)射光譜

Fig.3 Fluorescence emission spectra of the probe with different kinds of metal ion

這說(shuō)明SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+連接羅丹明B構(gòu)成的探針對(duì)Fe3+具有很好的識(shí)別作用.并且與其他金屬離子相比，探針對(duì)Fe3+的響應(yīng)有著特殊的信號(hào)，即564 nm處的發(fā)射峰強(qiáng)度會(huì)有明顯降低.這使得該探針能夠檢測(cè)溶液中的Fe3+.

從圖4可以看出，多種金屬離子都會(huì)導(dǎo)致F564 nm/F510 nm的比值降低.未滴加任何金屬離子前，該比值為1.046，兩個(gè)發(fā)射峰的強(qiáng)度大抵相同.Zn2+對(duì)該比值的影響最小，僅下降了13%.而Cu2+和Ni+對(duì)該比值的影響稍大一些，該比值分別下降了19%和21%.Al3+會(huì)使得該比值下降25.4%，F(xiàn)e2+會(huì)使得該比值下降28.8%，其影響比Cu2+和Ni+都大一些.但是，這幾種常見(jiàn)的金屬離子導(dǎo)致的該比值下降程度均不超過(guò)30%.而Fe3+滴加后，該比值大幅下降，僅為0.607，說(shuō)明此時(shí)SiO2包覆的SrAl2O4∶Eu2+, Dy3+和羅丹明B之間的熒光共振能量轉(zhuǎn)移受到很大的阻礙.與滴加前相比，該比值下降達(dá)到42%，超過(guò)上述其他金屬離子.因此，SiO2包覆的SrAl2O4∶Eu2+, Dy3+連接羅丹明B構(gòu)成的探針對(duì)Fe3+有著很好的識(shí)別與檢測(cè)作用，但在使用過(guò)程中應(yīng)避免其他金屬離子的干擾.

圖4 滴加不同金屬離子后含羅丹明B探針的乙醇溶液的發(fā)射光譜的2個(gè)發(fā)射峰比值

Fig.4 Ratios of two emission peaks of the probe with different kinds of metal ions

2.4 探針對(duì)不同濃度Fe3+的檢測(cè)

為了研究SiO2包覆的SrAl2O4∶Eu2+, Dy3+連接羅丹明B構(gòu)成的探針對(duì)Fe3+的檢測(cè)范圍，含不同濃度Fe3+的溶液被滴加到含探針的乙醇溶液中.從圖5可以看到，未滴加鐵離子溶液時(shí)的探針有2個(gè)明顯的發(fā)射峰，分別位于510和564 nm處，且564 nm處的發(fā)射峰強(qiáng)度比510 nm處的發(fā)射峰強(qiáng)度略高.向該溶液中滴加濃度100 μmol/L的三價(jià)鐵離子溶液后，發(fā)射光譜仍然有2個(gè)明顯的發(fā)射峰，并且發(fā)射峰的位置沒(méi)有明顯變化.不同的是，564 nm處的發(fā)射峰強(qiáng)度于比未滴加鐵離子前相比略有下降，并且此時(shí)564 nm處的發(fā)射峰強(qiáng)度低于510 nm處的發(fā)射峰強(qiáng)度.隨著向含探針的乙醇溶液中滴加鐵離子溶液濃度的升高，510 nm處的發(fā)射峰強(qiáng)度會(huì)略有降低，而564 nm處的發(fā)射峰強(qiáng)度會(huì)大幅降低，并在鐵離子濃度達(dá)到1 mmol/L時(shí)下降到?jīng)]有明顯的發(fā)射峰出現(xiàn).

圖5 滴加不同濃度的三價(jià)鐵離子溶液后的含探針的乙醇溶液的發(fā)射光譜

Fig.5 Fluorescence emission spectra of probe with different concentrations of Fe3+

從圖6(a)可以看到，隨著滴加的Fe3+濃度的增加，兩個(gè)發(fā)射峰強(qiáng)度的比值F564 nm/F510 nm逐步降低.圖6(a)中隨著滴加的鐵離子濃度從0～500 μmol/L的變化，2個(gè)發(fā)射峰強(qiáng)度的比值F564 nm/F510 nm的降低幅度大致相同，而鐵離子濃度從500 μmol/L變化到600 μmol/L時(shí)，F(xiàn)564 nm/F510 nm的降低幅度明顯變小.當(dāng)鐵離子濃度從600 μmol/L變化到1 mmol/L時(shí)，該比值的下降很少，1 mmol/L處的比值幾乎與600 μmol/L處的比值持平.并且從6(b)可以看到，滴加的鐵離子濃度從0～500 μmol/L時(shí)存在著線性關(guān)系；而當(dāng)?shù)渭拥蔫F離子濃度增加到600 μmol/L后，該線性關(guān)系將不存在.因此，該探針可以利用此線性關(guān)系，定量地檢測(cè)出溶液中100～500 μmol/L范圍內(nèi)的Fe3+的濃度.

2.5 利用探針余輝檢測(cè)Fe3+

將制備的SiO2包覆的SrAl2O4∶Eu2+, Dy3+連接羅丹明B構(gòu)成的探針?lè)稚⒃跓o(wú)水乙醇溶液中，并在360 nm光源的激發(fā)下測(cè)得其發(fā)射光譜.然后停止光源的激發(fā)，從停止激發(fā)的一刻起計(jì)時(shí)，分別測(cè)得停止激發(fā)后1、2和3 min的發(fā)射光譜.從圖7可以看到，探針?lè)稚⒂跓o(wú)水乙醇溶液中后，在光源的激發(fā)下，其發(fā)射光譜有2個(gè)明顯的發(fā)射峰，分別位于510和564 nm處.當(dāng)停止光源的激發(fā)后，測(cè)得探針的發(fā)射光譜仍然具有兩個(gè)明顯的發(fā)射峰. 并且兩個(gè)發(fā)射峰都沒(méi)有發(fā)生藍(lán)移或者紅移. 但是停止光源的激發(fā)1 min后，探針發(fā)射光譜中的2個(gè)發(fā)射峰發(fā)光強(qiáng)度明顯低于在光源激發(fā)的狀態(tài)下測(cè)得的發(fā)射光譜中2個(gè)發(fā)射峰，發(fā)光強(qiáng)度僅為后者的1/10左右.這說(shuō)明探針在光源停止激發(fā)后的余輝強(qiáng)度比探針在光源激發(fā)條件下的發(fā)光強(qiáng)度大幅下降.停止光源激發(fā)后，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，探針的發(fā)射光譜沒(méi)有因?yàn)闀r(shí)間的變化而發(fā)生發(fā)射峰位置的變化，但發(fā)光強(qiáng)度不斷降低.同時(shí)，探針在光源激發(fā)下和停止光源激發(fā)后的不同時(shí)間測(cè)得的發(fā)射光譜2個(gè)發(fā)射峰的強(qiáng)度比值F564 nm/F510 nm都在0.85左右，這說(shuō)明探針?lè)稚⒂跓o(wú)水乙醇溶液中后，停止光源的激發(fā)對(duì)2個(gè)發(fā)射峰發(fā)光強(qiáng)度的比值影響不大.

圖6 探針兩個(gè)發(fā)射峰強(qiáng)度比值與滴加的Fe3+濃度關(guān)系

Fig.6 Relationship between ratios of two emission peaks of probe and concentrations of Fe3+:(a) Ratios of two emission peaks of probe with different concentrations of Fe3+;(b) Fitting linear relation of ratios of two emission peaks of probe

圖7 探針?lè)稚⒂跓o(wú)水乙醇溶液中在光源激發(fā)下及停止激發(fā)后不同時(shí)間的發(fā)射光譜

Fig.7 Fluorescence emission spectra of probe dispersed in ethyl alcohol with and without exciting light

在停止光源的激發(fā)3 min后，測(cè)得探針余輝的發(fā)射光譜，然后向溶液中分別滴加濃度為500 μmol/L和1 mmol/L的Fe3+溶液并測(cè)得其發(fā)射光譜.如圖8所示，滴加Fe3+前，探針的余輝的發(fā)射光譜具有2個(gè)明顯的發(fā)射峰，分別位于510和564 nm處.而向溶液中滴加濃度為500 μmol/L Fe3+后，探針余輝的發(fā)射光譜與滴加Fe3+前相比明顯不同，位于510 nm的發(fā)射峰強(qiáng)度略有減弱，而位于564 nm處的發(fā)射峰降低幅度較大，但發(fā)射峰仍較明顯.探針余輝在滴加濃度為1 mmol/L Fe3+后，原本位于564 nm處的發(fā)射峰消失.這說(shuō)明該探針能夠利用其余輝定性的檢測(cè)溶液中500 μmol/L以上濃度的Fe3+.

圖8 探針?lè)稚⒂跓o(wú)水乙醇溶液滴加鐵離子前后的余輝的發(fā)射光譜

Fig.8 Fluorescence emission spectra of probe without exciting light before and after injected Fe3+

圖9為探針的結(jié)構(gòu)及其檢測(cè)機(jī)理示意圖.一層SiO2包覆在SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+表面，羅丹明B通過(guò)硅烷偶聯(lián)劑連接在SiO2包覆的SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+上.在光源激發(fā)下，由于FRET效應(yīng)，SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+獲得能量并傳遞給羅丹明B.停止光源的激發(fā)后，SrAl2O4∶Eu2+, Dy3+利用存儲(chǔ)的能量繼續(xù)發(fā)光，并將部分存儲(chǔ)的能量傳遞給羅丹明B.當(dāng)羅丹明B與Fe3+接觸后，羅丹明B的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，與SrAl2O4∶Eu2+, Dy3+間的FRET被破壞，羅丹明B不再獲得能量發(fā)光，從而達(dá)到檢測(cè)溶液中Fe3+的目的.

圖9 探針的結(jié)構(gòu)及作用機(jī)理示意圖

Fig.9 Schematic diagram of the structure and mechanism of the probe

3 結(jié) 論

(1)羅丹明B能夠與SiO2包覆的SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+連接并構(gòu)成基于能量共振轉(zhuǎn)移的熒光探針.對(duì)進(jìn)行酸化處理能夠顯著提高羅丹明B連接SiO2包覆的SrAl2O4∶Eu2+, Dy3+效果.

(2)多種金屬離子都會(huì)導(dǎo)致探針的2個(gè)發(fā)射峰的強(qiáng)度比值F564 nm/F510 nm降低，其中Fe3+引起的降低幅度遠(yuǎn)大于其他金屬離子.

(3)該探針可以通過(guò)發(fā)射光譜中2個(gè)發(fā)射峰強(qiáng)度比值F564 nm/F510 nm的變化對(duì)100～500 μmol/L濃度范圍內(nèi)的Fe3+進(jìn)行定量檢測(cè)，對(duì)500 μmol/L以上濃度的Fe3+只能進(jìn)行定性檢測(cè).探針余輝性能良好，利用探針的余輝可以定性地檢測(cè)出溶液中500 μmol/L以上濃度的Fe3+.