木質(zhì)素磺酸鈉熒光膜的制備及其在硝基爆炸物檢測(cè)中的應(yīng)用

楊明明, 高麗坤, 李 堅(jiān), 劉守新, 李淑君, 陳志俊

(東北林業(yè)大學(xué) 生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150040)

硝基化合物是目前應(yīng)用最廣泛的爆炸物，其威力巨大且易于合成，探尋高靈敏度、選擇性檢測(cè)硝基爆炸物的方法具有重大意義[1-3]。當(dāng)前，氣相色譜-質(zhì)譜分析[4-5]、表面增強(qiáng)拉曼光譜分析[6]、X射線衍射法[7]、熱中子法[8]和離子遷移譜分析[9-11]等均可用于檢測(cè)硝基爆炸物。但這些檢測(cè)手段價(jià)格昂貴、不便攜帶，難于普遍推廣使用。熒光法檢測(cè)爆炸物具有響應(yīng)速度快、檢測(cè)限度低和易制備成便攜式儀器的特點(diǎn)，被公認(rèn)為是目前爆炸物檢測(cè)的最有效技術(shù)之一[12-13]。熒光聚合物的檢測(cè)機(jī)理是熒光發(fā)色團(tuán)單元和聚合物鏈之間的協(xié)同作用可以用來調(diào)節(jié)熒光材料的性質(zhì)，熒光聚合物可以與不同介質(zhì)相作用制備熒光傳感薄膜，實(shí)現(xiàn)器件化檢測(cè)，在爆炸物檢測(cè)中更具普及性[14-15]。

當(dāng)熒光聚合物材料與爆炸物分子接觸時(shí)，可以通過光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移(PET)[1]、Forster共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)[16]以及內(nèi)濾效應(yīng)(IFE)[17]等光物理過程，改變熒光信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)爆炸物的檢測(cè)。近年來，熒光聚合物應(yīng)用于硝基芳烴爆炸物的檢測(cè)吸引了許多科研工作者的注意。Chang等[18]研究出一種具有聚集誘導(dǎo)效應(yīng)的化合物用于2,4,6-三硝基甲苯(TNT)的檢測(cè)，表現(xiàn)出良好的熒光猝滅效果。Zhao等[19]將具有聚集誘導(dǎo)效應(yīng)的三苯胺和噻咯結(jié)合在一起并應(yīng)用于硝基芳烴的檢測(cè)，熒光猝滅效果較好。Faheem等[20]通過席夫堿反應(yīng)將蒽與四苯乙烯結(jié)合構(gòu)建了一種新型的二維雙發(fā)光共價(jià)有機(jī)骨(DL-COF)，實(shí)現(xiàn)了超痕量檢測(cè)2,4,6-三硝基苯酚。然而，以天然高分子聚合物為聚集誘導(dǎo)發(fā)射(AIE)熒光材料用于檢測(cè)硝基芳烴爆炸物鮮有報(bào)道。因此，本研究以具有聚集誘導(dǎo)發(fā)射現(xiàn)象的天然高分子聚合物木質(zhì)素磺酸鈉為原料，探討了其在乙醇/水體系中的聚集誘導(dǎo)發(fā)射效應(yīng)，以及對(duì)硝基化合物的高靈敏檢測(cè)性能，并考察了所制備的木質(zhì)素磺酸鈉熒光薄膜在硝基爆炸物檢測(cè)中的應(yīng)用，以期為簡(jiǎn)便、快速、實(shí)時(shí)檢測(cè)硝基爆炸物的傳感器開發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

木質(zhì)素磺酸鈉(LS),購(gòu)自上海阿拉丁試劑公司，無需純化處理；去離子水采用aMaster Q30UT凈水系統(tǒng)制備；聚乙烯醇1788(PVA)、硝基苯(NB)、對(duì)硝基苯酚(PNP)、間二硝基苯(m-DNB)、無水乙醇(EtOH)、苯(PhH)、甲苯(PhMe)、苯酚(PhOH)、對(duì)苯二甲酸(TPA)、對(duì)苯二甲醛(TPAL)和鄰苯二甲醛(OPA)等，均為市售分析純。

Zetasizer Nano ZS型激光粒度分析儀，英國(guó)Mavern公司;FluoroMax- 4熒光光譜儀，美國(guó)Horiba公司。

1.2 木質(zhì)素磺酸鈉熒光薄膜的制備

1.2.1溶液配制 木質(zhì)素磺酸鈉(LS)溶于水-乙醇(體積比分別為9 ∶1, 8 ∶2, 7 ∶3, 6 ∶4, 5 ∶5, 4 ∶6, 3 ∶7, 2 ∶8, 9 ∶1和10 ∶0)溶液中配制質(zhì)量濃度為0.01 g/L的LS溶液。木質(zhì)素磺酸鈉溶于水配制成質(zhì)量濃度為10 g/L 的LS溶液。將硝基苯(NB)溶于乙醇配制成質(zhì)量濃度為60 g/L的硝基苯溶液。對(duì)硝基苯酚(PNP)、間二硝基苯(m-DNB)分別溶于乙醇中配制質(zhì)量濃度為5 g/L的對(duì)硝基苯酚和間二硝基苯溶液。苯(PhH)、甲苯(PhMe)、苯酚(PhOH)分別溶于乙醇中配置質(zhì)量濃度為44、 44和54 g/L的溶液，對(duì)苯二甲酸(TPA)、對(duì)苯二甲醛(TPAL)、鄰苯二甲醛(OPA)分別溶于乙醇中配置成質(zhì)量濃度為5 g/L 的溶液。

1.2.2木質(zhì)素磺酸鈉熒光薄膜的制備 稱取2 g PVA置于圓底燒瓶中，加入10 mL去離子水和1 mL木質(zhì)素磺酸鈉溶液(木質(zhì)素磺酸鈉與水之比為10 ∶1,g ∶L)，90 ℃攪拌至完全溶解。將溶解后的透明棕色溶液倒在玻璃表面皿中，流延成均勻的一層溶液，自然干燥后得到木質(zhì)素磺酸鈉熒光薄膜。將此熒光薄膜裁成3 cm×3 cm的小塊，取3張分別浸泡于2 mL 60.25 g/L硝基苯/乙醇(NB/EtOH)、 5 g/L間二硝基苯/乙醇(m-DNB/EtOH)和5 g/L對(duì)硝基苯酚/乙醇(PNP/EtOH)溶液中30 s, 將膜取出干燥，制得木質(zhì)素磺酸鈉熒光薄膜。

1.3 分析與表征

1.3.1熒光光譜分析 分別移取2.5 mL 0.01 g/L不同溶劑比例(V(水) ∶V(乙醇)為10 ∶0, 9 ∶1, 8 ∶2, 7 ∶3, 6 ∶4, 5 ∶5, 4 ∶6, 3 ∶7, 2 ∶8和1 ∶9)的木質(zhì)素磺酸鈉溶液于石英皿中，以365 nm為激發(fā)波長(zhǎng)，激發(fā)和發(fā)射狹縫寬度5 nm，在熒光光譜儀上記錄380～650 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的發(fā)射光譜。將1.2節(jié)干燥后的3張膜進(jìn)行熒光光譜測(cè)量，測(cè)定條件相同。測(cè)定均在常溫(23 ℃)下進(jìn)行。

1.3.2激光粒度分析 用激光粒度分析儀對(duì)0.01 g/L木質(zhì)素磺酸鈉溶液進(jìn)行測(cè)試，選擇4個(gè)不同比例(V(水) ∶V(乙醇))=10 ∶0, 9 ∶1, 7 ∶3, 3 ∶7)的木質(zhì)素磺酸鈉溶液，觀察隨著乙醇(不良溶劑)比例的增加，木質(zhì)素磺酸鈉分子粒徑的尺寸大小變化。

1.4 猝滅試驗(yàn)

1.4.1熒光猝滅試驗(yàn) 移取2.5 mL由乙醇/水(體積比9 ∶1)制備的0.01 g/L木質(zhì)素磺酸鈉溶液于石英比色皿中，分別加入100 μL NB/EtOH(60 g/L)、m-DNB/EtOH(5 g/L)、PNP/EtOH(5 g/L)、PhH/EtOH(44 g/L)、PhMe/EtOH(44 g/L)、PhOH/EtOH(54 g/L)混合均勻后測(cè)量熒光發(fā)射光譜。同樣移取2.5 mL上述木質(zhì)素磺酸鈉溶液于石英比色皿中，分別加入100 μL TPA/EtOH(5 g/L)、TPAL/EtOH(5 g/L)和OPA/EtOH(5 g/L)3種溶液， TPA/EtOH(5 g/L)、TPAL/EtOH(5 g/L)和OPA/EtOH(5 g/L)光譜測(cè)定條件同1.3.1節(jié)。

1.4.2寫字猝滅試驗(yàn) 取4張1.2節(jié)制備的熒光膜(3 cm×3 cm)，用鋼筆吸取適量NB/EtOH(60.25 g/L)在1號(hào)膜上書寫 “Y”，吸取適量m-DNB/EtOH(5 g/L)在2號(hào)膜上書寫 “M”，吸取適量PNP/EtOH(5 g/L)在3號(hào)張膜上書寫“M”。待筆跡晾干后，在365 nm紫外燈照射下拍攝4張膜的照片。

2 結(jié)果與分析

2.1 木質(zhì)素磺酸鈉的形態(tài)及光學(xué)性質(zhì)分析

木質(zhì)素磺酸鈉(LS)的聚集誘導(dǎo)發(fā)射熒光光譜如圖1(a)所示。由圖可知，不同溶劑比例制備的LS在440 nm處均有較強(qiáng)的熒光強(qiáng)度。隨著溶劑中乙醇(不良溶劑)比例的增加，LS的熒光發(fā)射峰強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，發(fā)射峰位置發(fā)生了微弱紅移，從445 nm增加到450 nm。說明LS的化學(xué)結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化，且隨著不良溶劑的增加，產(chǎn)生了聚集誘導(dǎo)發(fā)射熒光增強(qiáng)的現(xiàn)象。為了證實(shí)隨著不良溶劑的增加LS產(chǎn)生了聚集現(xiàn)象，通過激光粒度分析儀(DLS)來驗(yàn)證納米聚集體的存在。選擇乙醇/水混合溶劑體系來觀察LS的納米尺寸，結(jié)果見圖1(b)。

圖1 不同比例乙醇/水制備的木質(zhì)素磺酸鈉的光譜分析(a)和粒徑分析(b) Fig.1 Spectral analysis of sodium lignin sulfonate(a) and particle size analysis(b)

由圖可知，LS在不同比例乙醇/水(體積比0 ∶10、 1 ∶9、 3 ∶7和7 ∶3)下的粒徑的納米尺寸分別為380、 511、 915和1 055 nm。隨著混合溶劑中乙醇體積分?jǐn)?shù)逐漸增加，分子內(nèi)部環(huán)境變化較小，分子之間發(fā)生緩慢聚集，形成的聚集體顆粒變大。在高乙醇含量下，溶液的溶劑化效應(yīng)迅速下降，分子由于溶劑化作用的降低迅速聚集，形成了尺寸更大的聚集體顆粒。DLS表征結(jié)果與聚集誘導(dǎo)發(fā)射熒光光譜分析結(jié)果相吻合。因此，本研究選擇體積比9 ∶1乙醇/水用于后續(xù)研究。通過熒光發(fā)射光譜及DLS表征結(jié)果可以證明LS具有聚集誘導(dǎo)發(fā)射(AIE)的性質(zhì)。

2.2 化合物與木質(zhì)素磺酸鈉相互作用的熒光光譜

2.2.1化合物對(duì)木質(zhì)素磺酸鈉的熒光猝滅作用 為了進(jìn)一步探索LS芳香骨架材料對(duì)NB、m-DNB和PNP的敏感性，取3份2.5 mL乙醇/水(體積比9 ∶1)制備的0.01 g/L LS溶液，分別加入100 μL的NB/EtOH、m-DNB/EtOH和PNP/EtOH，其熒光發(fā)射光譜如圖2所示。由圖可知，LS對(duì)NB、m-DNB和PNP均具有非常高的靈敏度。當(dāng)加入NB/EtOH或PNP/EtOH后LS的熒光猝滅程度高達(dá)到90%; 當(dāng)加入m-DNB/EtOH后，LS的熒光猝滅程度也能達(dá)到56%。這種優(yōu)異的靈敏度歸因于LS芳香骨架材料上多苯環(huán)的結(jié)構(gòu)能夠有效聚集硝基化合物分子。當(dāng)硝基化合物與LS混合后，帶負(fù)電性的—NO2基團(tuán)與具有共軛結(jié)構(gòu)的苯環(huán)骨架通過庫(kù)侖作用相互接觸，—NO2基團(tuán)吸引芳香骨架上的激子發(fā)生遷移，從而增強(qiáng)了熒光猝滅性能。以上結(jié)果表明：在低濃度的硝基化合物存在下，LS作為生物質(zhì)熒光探針就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)硝基化合物的痕量檢測(cè)。

選擇性對(duì)于評(píng)估材料的檢測(cè)性能很重要。按1.4.1節(jié)方法考察LS對(duì)PhH、PhMe、PhOH、TPA、TPAL和OPA這幾種化合物的猝滅效率如圖3所示。由圖可知，在PhH、PhOH和PhMe加入與硝基化合物相同體積，TPAL、OPA和TPA加入與m-DNB、PNP相同體積和質(zhì)量濃度時(shí)，LS對(duì)無硝基化合物幾乎沒有反應(yīng)。硝基芳香族化合物是吸電子化合物，通常比非硝基化合物具有更低的最低未占軌道(LUMO) 能級(jí)，更容易從電子云密度高的化合物上通過電荷轉(zhuǎn)移得到電子。對(duì)于無硝基化合物，例如苯，苯酚等，由于沒有顯著的吸電子效應(yīng)，所以熒光猝滅效率比較低。因此與無硝基芳烴相比，LS可以選擇性地檢測(cè)硝基芳香化合物。

2.2.2熒光猝滅機(jī)理 Stern-Volmer猝滅常數(shù)(Ksv)是測(cè)量熒光材料響應(yīng)性能一個(gè)很好的參數(shù)，分析物可以系統(tǒng)地比較猝滅效率[21-23]。猝滅過程可以通過Stern-Volmer動(dòng)態(tài)猝滅方程(式(1))來進(jìn)行分析。

I0/I=1+KsvCQ

(1)

式中：I0—初始LS體系的熒光強(qiáng)度；I—加入分析物后LS體系的熒光強(qiáng)度；Ksv—Stern-Volmer猝滅常數(shù)，L/mol；CQ—分析物的質(zhì)量濃度,g/L。

根據(jù)Stern-Volmer方程可得LS與PNP、NB、m-DNB、TPAL、PhH、PhMe、OPA、PhOH、TPA的猝滅常數(shù)分別為493.7、 48.5、 27.21、 0.189 9、 0.134 4、 0.117 1、 0.102 4、 0.081 6和0.067 L/mol。由數(shù)據(jù)可知，含硝基的3種化合物對(duì)LS的熒光猝滅效率明顯高于不含硝基化合物。當(dāng)對(duì)硝基苯酚質(zhì)量濃度為5 g/L時(shí)，LS發(fā)生熒光猝滅的Ksv高達(dá)439.7 L/mol，約是非硝基化合物的5 000倍，這說明了LS對(duì)硝基化合物檢測(cè)具有高靈敏性和高響應(yīng)性。

一般基于熒光檢測(cè)的方法來檢測(cè)爆炸物的機(jī)制主要有4種;光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移(PET)、熒光共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)、內(nèi)濾效應(yīng)(IFE)和激發(fā)態(tài)二聚體。其中，PET和FRET是最常用的。PET機(jī)理為電子從富電子的熒光分子轉(zhuǎn)移到缺電子的被測(cè)物質(zhì)；FRET機(jī)理為被測(cè)物質(zhì)的紫外吸收光譜與熒光分子的熒光發(fā)射光譜之間存在一定程度的重疊。根據(jù)LS與不同化合物的猝滅常數(shù)數(shù)據(jù)，選擇熒光猝滅效率較高的硝基苯進(jìn)行分析，由2.1節(jié)可知，LS的熒光發(fā)射峰位置為450 nm，測(cè)量得知硝基苯的紫外吸收峰位置為265 nm,熒光發(fā)射光譜與紫外吸收光譜并無重疊。該結(jié)果表明：FRET沒有參與該猝滅過程。所以，二者之間發(fā)生熒光猝滅的原因應(yīng)為PET機(jī)制。電子從聚合物的LUMO能級(jí)轉(zhuǎn)移到硝基芳族化合物的LUMO能級(jí)，引起熒光物質(zhì)熒光的猝滅。因?yàn)槲娮踊南趸确窍趸衔锞哂懈偷腖UMO能級(jí)，更容易通過電荷轉(zhuǎn)移從富電子熒光化合物得到電子。而通過猝滅常數(shù)的計(jì)算可知，在含硝基化合物中，對(duì)硝基苯酚具有較低的LUMO能級(jí)，PET的驅(qū)動(dòng)力相對(duì)高于硝基苯和間二硝基苯。對(duì)于其他不含硝基的化合物(苯，甲苯等)，因其不含強(qiáng)吸電子基，所以沒有顯著的吸電子效應(yīng)，導(dǎo)致了其猝滅效率較低。綜上，光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移機(jī)制應(yīng)該是LS這種AIE高聚物分子能與含硝基化合物發(fā)生熒光猝滅的原因。

2.3 木質(zhì)素磺酸鈉熒光膜對(duì)硝基爆炸物的檢測(cè)

為了實(shí)現(xiàn)硝基爆炸物的實(shí)時(shí)和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，進(jìn)一步研發(fā)了一種新型膜傳感器——木質(zhì)素磺酸鈉熒光膜，將木質(zhì)素磺酸鈉熒光膜分別用NB/EtOH、m-DNB/EtOH和PNP/EtOH浸泡，浸泡后的熒光光譜見圖4。由圖可知，浸泡NB/EtOH后的膜熒光猝滅程度高達(dá)89%，浸泡m-DNB/EtOH后的膜熒光猝滅程度高達(dá)78%，浸泡PNP/EtOH的膜熒光猝滅程度高達(dá)幾乎100%。熒光光譜結(jié)果顯示了硝基化合物對(duì)熒光膜的高效準(zhǔn)確的猝滅特性。利用此特性，用鋼筆吸取3種不同的硝基化合物溶液在膜上進(jìn)行書寫，研究發(fā)現(xiàn)：在紫外燈的照射下，肉眼能觀察到在有筆跡的部分有明顯的熒光猝滅現(xiàn)象，與未書寫部分對(duì)比顯著(圖5)；而在日光下卻觀察不到筆跡的存在。這種具有簡(jiǎn)單防偽、靈敏、選擇性高、制備容易的熒光傳感器件有望在爆炸物檢測(cè)領(lǐng)域獲得更為廣闊的應(yīng)用。

圖4 木質(zhì)素磺酸鈉熒光膜浸泡前后的光譜分析Fig.4 Spectral analysis before and after soaking the fluorescent membrane of sodium lignin sulfonate

涂寫液coating liquid: a.無no; b.NB/EtOH; c.m-DNB/EtOH; d.PNP/EtOH

3 結(jié) 論

3.1 以木質(zhì)素磺酸鈉(LS)為原料，聚乙烯醇為黏合劑，制備木質(zhì)素磺酸鈉熒光膜，通過熒光光譜和粒徑分布考察了溶劑為不同體積比的乙醇/水時(shí)熒光膜的光學(xué)性質(zhì)和形態(tài)，結(jié)果顯示：隨著溶劑中乙醇體積的增加，LS的結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變，熒光發(fā)射峰強(qiáng)度增加，發(fā)射峰位置微弱紅移，分子粒徑變大，出現(xiàn)了聚集誘導(dǎo)發(fā)射效應(yīng)的熒光現(xiàn)象。

3.2 不同化合物對(duì)LS的熒光猝滅試驗(yàn)表明：加入硝基苯(NB)、間二硝基苯(m-DNB)和對(duì)硝基苯酚(PNP)后，LS的熒光幾乎完全猝滅，NB和PNP猝滅程度高達(dá)90%，m-DNB猝滅程度也有56%；而加入苯、甲苯、苯酚、對(duì)苯二甲酸、對(duì)苯二甲醛和鄰苯二甲醛，LS的熒光強(qiáng)度基本不變。這說明LS對(duì)NB、m-DNB 和PNP顯示出專一、特異的高靈敏檢測(cè)性能，其中與PNP的Stern-Volmer猝滅常數(shù)(Ksv)最高，達(dá)到439.7 L/mol。研究還發(fā)現(xiàn)光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移機(jī)制是木質(zhì)素磺酸鈉能與含硝基化合物發(fā)生熒光猝滅的原因。

3.3 木質(zhì)素磺酸鈉熒光膜對(duì)硝基爆炸物的檢測(cè)試驗(yàn)表明：熒光膜經(jīng)硝基苯、間二硝基苯和對(duì)硝基苯酚溶液浸泡后的熒光猝滅程度分別為89%、 78%和100%。將硝基化合物溶液在熒光膜上涂寫，在日光下觀察不到筆跡存在，而在紫外光下能觀察到筆跡部分有明顯的熒光猝滅現(xiàn)象。