光激發(fā)氧敏納米纖維材料的制備及其性能*

陳美萍，姚紀(jì)文，李 蓉，盧雪峰,郭 亞

(1. 江南大學(xué) 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214122； 2. 江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122)

0 引 言

溶解氧的檢測(cè)在醫(yī)學(xué)、水產(chǎn)養(yǎng)殖及日常生活中具有極其重要的作用。例如對(duì)于水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)而言，水中溶解氧含量降低會(huì)導(dǎo)致魚(yú)蝦類運(yùn)動(dòng)量減少，生命活力下降；而當(dāng)水解氧含量過(guò)高時(shí)，水中魚(yú)蝦可能會(huì)氧氣中毒而大量死亡，從而導(dǎo)致大量減產(chǎn)，造成經(jīng)濟(jì)損失[1].因此，尋找一種簡(jiǎn)單高效、精準(zhǔn)度高的溶解氧測(cè)定方法有著重要的意義。

溶解氧測(cè)定方法主要有碘量法、目視比色法、電化學(xué)分析法、分光光度法、色譜分析法和熒光法等[2-9]。其中，熒光法憑借其安全、穩(wěn)定性高、測(cè)定效率高、靈敏性好、測(cè)定結(jié)果精準(zhǔn)度高、能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)，在眾多溶解氧測(cè)定方法中脫穎而出，成為了測(cè)定溶解氧的主要方法[10-12]。蔣亞琪等[13]制備了包含熒光指示劑的溶膠-凝膠氧傳感膜，發(fā)現(xiàn)[Ru(dpp)3]2+作為熒光探針，將有助于制備對(duì)氧響應(yīng)靈敏的氧傳感膜。Haoran Zhang等[14]通過(guò)化學(xué)鍵將熒光指示劑固定在硅烷偶聯(lián)劑上，繼而制備出具有響應(yīng)速度快、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)的溶解氧傳感膜，且使用過(guò)程中不發(fā)生指示劑泄露。Manohar Prasad Koduri等[15]以F127為模板，制備出氧敏納米顆粒，用于測(cè)試細(xì)胞中的氧濃度梯度，該納米顆粒可在海藻酸鹽水凝膠球體中使用5天以上。

增加氧敏傳感器的的比表面積有利于提高其靈敏度[16-18]。近年來(lái)，科研工作者嘗試增大氧敏傳感器的比表面積，如將其制備成多孔薄膜、納米微球等，但納米微球在環(huán)境中難以回收利用，造成資源的浪費(fèi)和環(huán)境的二次污染?；诖?，本論文將氧敏熒光指示劑Ru(dpp)3Cl2摻雜到二氧化硅納米粒子中，再與醋酸纖維素混合，采用靜電紡絲技術(shù)得到藍(lán)光激發(fā)氧敏納米纖維材料。通過(guò)掃描電鏡、透射電鏡等對(duì)摻雜后的納米二氧化硅顆粒進(jìn)行表征，采用掃描電鏡觀察納米纖維材料的微觀結(jié)構(gòu)，測(cè)試了納米纖維材料在不同溶解氧濃度下的熒光強(qiáng)度變化。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

三(4,7-聯(lián)苯-1,10-鄰啡啰啉)二氯化釕購(gòu)于上海百靈威科技有限公司，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，其他材料和溶劑購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)。

圖1 Ru(dpp)3Cl2的分子結(jié)構(gòu)式Fig 1 Chemical structure of Ru(dpp)3Cl2

JEM-2100型透射電鏡，日本JEOL公司；TM3030掃描電子顯微鏡，日本日立有限公司；熒光分光光度計(jì)，美國(guó)Perkin Elmer公司；紫外分光光度計(jì)，島津(中國(guó))有限公司。

1.2 氧敏指示劑摻雜納米二氧化硅顆粒的合成

采用改進(jìn)的Stober方法[19]合成摻雜熒光指示劑的納米二氧化硅顆粒，具體過(guò)程如下：在250 mL燒杯中加入150 mL乙醇、12 mL 25%氨水及15、30、45和60 mg Ru(dpp)3Cl2，在室溫下攪拌10 min使其完全溶解。將6 mL TEOS，逐滴加入到上述體系中并在室溫下攪拌24 h。反應(yīng)完畢后，采用高速離心機(jī)在6 000 r/min的轉(zhuǎn)速下離心15 min，用去離子水和乙醇對(duì)沉淀進(jìn)行重復(fù)洗滌5～6次，直至離心液無(wú)色透明，得到藍(lán)光激發(fā)氧敏指示劑摻雜納米二氧化硅顆粒，將合成產(chǎn)物分別標(biāo)記為SiO2-15、SiO2-30、SiO2-45和SiO2-60。將納米二氧化硅顆粒放入烘箱中干燥，以備后續(xù)使用。

1.3 氧敏納米纖維材料的制備

將醋酸纖維素溶于體積比為2∶1的丙酮/DMF溶液中配置成10%的醋酸纖維素溶液，再在上述溶液中加入100 mg藍(lán)光激發(fā)氧敏指示劑摻雜納米二氧化硅顆粒，室溫下攪拌使納米粒子均勻分散在溶液中。控制接收距離為16 cm，注射泵的推進(jìn)速度設(shè)置為0.5 mL/h，電源電壓設(shè)置為20 kV，進(jìn)行靜電紡絲，得到藍(lán)光激發(fā)氧敏納米纖維材料，分別標(biāo)記為SiO2-15/CA、SiO2-30/CA、SiO2-45/CA和SiO2-60/CA。

1.4 測(cè)試與表征

1.4.1 紫外光譜

將藍(lán)光激發(fā)氧敏指示劑摻雜納米二氧化硅顆粒與Ru(dpp)3Cl2分別分散到乙醇和水為1∶1的溶液中，使用紫外分光光度計(jì)測(cè)試紫外光譜，測(cè)試范圍為200～900 nm。

1.4.2 表面形態(tài)分析

藍(lán)光激發(fā)氧敏指示劑摻雜納米二氧化硅顆粒的形態(tài)采用透射電鏡及掃描電鏡進(jìn)行觀察，主要表征其形態(tài)、粒徑大小、分散情況等。藍(lán)光激發(fā)氧敏納米纖維材料的形態(tài)、連續(xù)性及尺寸均勻性采用掃描電鏡觀察。

1.4.3 表面元素分析

藍(lán)光激發(fā)氧敏指示劑摻雜納米二氧化硅顆粒的表面元素采用EDS進(jìn)行定性分析，分析Ru(dpp)3Cl2與二氧化硅粒子的摻雜情況.

1.4.4 溶解氧測(cè)試

將藍(lán)光激發(fā)氧敏納米纖維材料固定在流通池中，通過(guò)流量控制器控制氧濃度，以450 nm藍(lán)光作為激發(fā)光照射到納米纖維材料上，測(cè)定其熒光強(qiáng)度，記錄不同氧濃度下的峰值。

2 結(jié)果與討論

2.1 藍(lán)光激發(fā)氧敏指示劑摻雜納米二氧化硅顆粒的表征

2.1.1 紫外光譜

Ru(dpp)3Cl2和Ru(dpp)3Cl2摻雜納米二氧化硅顆粒(SiO2-15)的紫外光譜如圖2所示。從圖2可知，Ru(dpp)3Cl2和Ru(dpp)3Cl2摻雜納米二氧化硅顆粒的紫外光譜吸收譜圖相似，均在450 nm附近出現(xiàn)吸收峰，由此可以看出，Ru(dpp)3Cl2已經(jīng)成功摻雜到納米二氧化硅顆粒中。同時(shí)，選擇450 nm的激發(fā)光源作為后續(xù)溶解氧測(cè)試的激發(fā)光。

圖2 Ru(dpp)3Cl2和SiO2-15的紫外吸收光譜Fig 2 UV-Vis spectra of Ru(dpp)3Cl2 and SiO2-15

2.1.2 形貌分析

Ru(dpp)3Cl2摻雜納米二氧化硅顆粒的合成過(guò)程中僅Ru(dpp)3Cl2的添加量不同，因此僅選取其中一個(gè)樣品(SiO2-15)進(jìn)行TEM和SEM測(cè)試，觀察其形態(tài)、粒徑大小、分散情況，得到的結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，Ru(dpp)3Cl2摻雜納米二氧化硅顆粒外觀圓潤(rùn)，呈規(guī)則球形，粒徑分布較為均勻，大約為200 nm左右，粒子之間無(wú)團(tuán)聚現(xiàn)象，分散性良好。

圖3 SiO2-15的TEM(A)和SEM(B)圖像Fig 3 TEM and SEM images of SiO2-15

2.1.3 表面元素分析

Ru(dpp)3Cl2摻雜納米二氧化硅顆粒采用EDS進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，Ru(dpp)3Cl2中C、Ru、N、Cl等元素均勻地分布于納米二氧化硅顆粒的表面，說(shuō)明Ru(dpp)3Cl2均勻地?fù)诫s于納米二氧化硅顆粒中，同時(shí)還含有二氧化硅主體中的Si、O元素。EDS測(cè)試中，樣品面掃描圖像顏色越亮代表其含量越高，其色彩分布代表的是元素的分布密度。從圖像中也可以看出，O元素圖像最亮，Si元素次之，而C、Ru、N、Cl元素圖像則相對(duì)較暗，說(shuō)明摻雜后的納米二氧化硅顆粒中Ru(dpp)3Cl2的含量相對(duì)較少。

圖4 SiO2-15的EDS表面元素分析圖像Fig 4 EDS images of SiO2-15

2.2 藍(lán)光激發(fā)氧敏納米纖維材料的SEM

傳統(tǒng)的氧敏傳感膜為平面膜結(jié)構(gòu)，其比表面積較小，并不利于氧與Ru(dpp)3Cl2的充分接觸，其對(duì)氧的響應(yīng)能力也降低。而微納纖維結(jié)構(gòu)賦予納米纖維薄膜較大的比表面積，便于氧與納米纖維薄膜中的Ru(dpp)3Cl2接觸，從而提高納米纖維薄膜的氧敏感性。SiO2-15/CA、SiO2-30/CA、SiO2-45/CA和SiO2-60/CA的掃描電鏡圖如圖5所示。制備的納米纖維材料呈明顯的纖維結(jié)構(gòu)，伴有少量顆粒結(jié)構(gòu)，可能是由未完全分散的SiO2顆粒團(tuán)聚而成。從圖中還可以觀察到，纖維尺寸相對(duì)均勻，大約在幾百納米到幾微米之間，纖維之間混亂交織形成薄膜。

圖5 納米纖維材料的SEM圖(A)SiO2-15/CA；(B)SiO2-30/CA；(C)SiO2-45/CA；(D)SiO2-60/CAFig 5 SEM images of SiO2-15/CA (A), SiO2-30/CA (B), SiO2-45/CA (C) and SiO2-60/CA (D)

2.3 藍(lán)光激發(fā)熒光光譜

為了研究所制備的藍(lán)光激發(fā)氧敏納米纖維材料能否被藍(lán)光有效激發(fā)，選擇450 nm的藍(lán)光作為激發(fā)光源對(duì)SiO2/CA進(jìn)行照射，測(cè)定其熒光光譜，結(jié)果如圖6所示。從圖6中可以看出，經(jīng)過(guò)藍(lán)光激發(fā)后，SiO2/CA納米纖維分別在610和710 nm左右出現(xiàn)較強(qiáng)的熒光。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，熒光指示劑Ru(dpp)3Cl2在450 nm激發(fā)光下僅在600 nm附近出現(xiàn)熒光。與文獻(xiàn)值比較，本論文中的反射峰出現(xiàn)了紅移現(xiàn)象，該現(xiàn)象可以用表面成核機(jī)理和生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)來(lái)解釋[20]，熒光指示劑Ru(dpp)3Cl2由于摻雜在SiO2顆粒中，這使得光電子的傳播途徑發(fā)生了變化，導(dǎo)致其熒光發(fā)生紅移。此外，從圖中還可以看出，在710 nm附近也出現(xiàn)了較強(qiáng)的熒光。這可能是因?yàn)樗铣傻亩趸杓{米粒子與熒光指示劑之間發(fā)生等離子表面共振，而這種現(xiàn)象能對(duì)熒光產(chǎn)生增強(qiáng)效果，同時(shí)，許多物質(zhì)在700 nm附近都有熒光。

圖6 450 nm激發(fā)光下SiO2/CA的熒光光譜Fig 6 The fluorescence spectra of SiO2/CA stimulated by 450 nm excitation light

2.4 溶解氧測(cè)試

2.4.1 溫度的影響

選擇自來(lái)水作為水樣，根據(jù)調(diào)節(jié)水溫來(lái)改變水中溶解氧含量，水中溶解氧含量隨溫度提高而下降。以450 nm藍(lán)光作為激發(fā)光，選取SiO2-15/CA，測(cè)定其在不同水溫下的熒光強(qiáng)度，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，在不同水溫下，納米纖維材料的熒光強(qiáng)度不同，熒光強(qiáng)度隨著水溫升高而增大。這是因?yàn)樗疁厣撸淙芙庋鹾拷档?，從而減少了氧導(dǎo)致的熒光猝滅，熒光強(qiáng)度隨之增大。由此可以得出，所制備的氧敏納米纖維材料對(duì)氧具有良好的響應(yīng)，且可以在較為廣泛的溫度范圍內(nèi)使用。

圖7 不同水溫下SiO2-15/CA在450 nm激發(fā)光下的熒光光譜Fig 7 The fluorescence spectra of SiO2-15/CA stimulated by 450 nm excitation light under different temperature

2.4.2 氧濃度的影響

溶解氧含量與熒光強(qiáng)度的關(guān)系可以用Stern-Volmer方程[21]來(lái)表示：

I0/I=τ0/τ=1+KC

(1)

式中I0表示無(wú)氧條件下的熒光強(qiáng)度，I表示有氧條件下的熒光強(qiáng)度，τ0表示無(wú)氧條件下的熒光壽命，τ表示有氧條件下的熒光壽命，C表示溶解氧濃度，K為常數(shù)，與熒光物質(zhì)性能有關(guān)。

控制水樣中溶解氧濃度，測(cè)定樣品在各氧濃度下的熒光強(qiáng)度峰值。根據(jù)式(1)，以I0/I為縱坐標(biāo)，C為橫坐標(biāo)，作圖得到的結(jié)果如圖8所示，并得出線性回歸方程的相關(guān)系數(shù)R2。由圖8可知，所制備的氧敏納米纖維材料在所選擇的氧濃度范圍內(nèi)均具有很好的響應(yīng)效果，且相關(guān)系數(shù)R2均大于0.99，說(shuō)明其精確度較高，可適用于較大的氧濃度范圍的檢測(cè)。

圖8 納米纖維材料的熒光強(qiáng)度與溶解氧濃度的關(guān)系Fig 8 The relationship between fluorescence intensity and concentration of oxygen for nano fibers

3 結(jié) 論

采用改進(jìn)的Stober方法將Ru(dpp)3Cl2成功地?fù)诫s到納米二氧化硅顆粒中，并對(duì)其形態(tài)和表面元素進(jìn)行了分析。將制備的納米顆粒與醋酸纖維素共混后采用靜電紡絲法制備出藍(lán)光激發(fā)氧敏納米纖維材料，該材料在450 nm的激發(fā)光下，在610 nm附近有明顯的熒光性質(zhì)，且其熒光強(qiáng)度與水溶液中的弄濃度呈線性關(guān)系，表明該納米纖維材料可被藍(lán)光有效激發(fā)，且氧敏性好，可在較寬溫度及氧濃度范圍內(nèi)有效檢測(cè)溶液中的溶解氧。