熒光探針技術在金屬初期腐蝕檢測中的研究進展

劉 蔚,劉 斌,徐大偉,石澤耀

(北京化工大學 材料科學與工程學院 材料電化學過程與技術北京市重點實驗室，北京 100029)

腐蝕是金屬在周圍環境介質作用下發生破壞的一種現象，其本質是金屬界面上發生化學或電化學反應，使金屬轉入氧化(離子)狀態。早期腐蝕遠超出肉眼能夠觀察的范圍，當肉眼可觀察到腐蝕現象時，例如銹跡、腐蝕坑等，說明腐蝕已經發展到一定程度，并造成了一定程度的破壞[1]。如果金屬結構發生腐蝕卻未能及時發現，則可能對金屬結構產生嚴重的破壞，進而引發各類事故。因此，對金屬腐蝕尤其是初期腐蝕進行及時、準確的檢測，可大幅降低腐蝕故障，提高金屬結構的安全性，減少直接和間接經濟損失，降低腐蝕維護成本[2]。

近年來，熒光探針由于具有獨特的光致發光特性，在很多學科領域得到了廣泛的應用，包括生物成像、環境檢測、聚合物的性質研究等[2-4]。與傳統的色譜、電化學、化學發光和流動注射分析等技術相比，熒光探針為實現快速、高靈敏度、無損和原位檢測開辟了新的途徑。性能得到不斷改善的各種熒光基團，包括有機分子、半導體量子點(QDS)、碳量子點(CQDS)、金屬納米團簇等，可用于檢測金屬離子Al3+、 Fe3+。與傳統的失重法、電化學、噪聲、X射線法、超聲導波等腐蝕檢測方法相比，熒光探針可檢測初期腐蝕，且具有原位、直觀、靈敏度高等特點。因此，作為一種新型、靈敏度高的初期無損腐蝕檢測方法，熒光探針技術被應用于鋁合金、鋼鐵的腐蝕檢測中[5-7]。熒光探針通過與腐蝕生成的金屬離子或H+/OH-離子結合所產生的熒光信號變化來指示腐蝕的發生。另外，熒光增強信號比熒光減弱信號更易觀察，所以在腐蝕區域應用熒光增強探針好于熒光猝滅探針。

1 熒光探針的構成及其檢測機理

1.1 熒光探針的構成和分類

熒光探針的構成可以簡單分為三個部分：第一部分稱為識別基團(recognition)，起到識別作用；第二部分稱為熒光基團(fluorophore)，用來傳遞信息即信號系統(signal system)；第三部分稱為連接基團(spacer)，用來連接以上兩者。當熒光分子與被測物作用后,通過連接基團把這一信息傳遞給熒光基團，熒光基團獲得響應，使得熒光信號發生變化。用熒光分析被測物時，識別基團和被測物接觸后，光物理性質被影響，從而使熒光基團輸出的熒光信號發生變化，如熒光強度的減弱或增強、熒光光譜的紅移或者藍移、熒光壽命的改變等，通過這些變量實現識別和檢測被測物[8]。

熒光探針的分類有多種方法。按照熒光基團的作用，可將其劃分為兩種類型，即：熒光增強探針和熒光減弱探針。當分子中含有較大的共軛體系，分子結構具有較好的平面性和剛性,分子中含有與共軛體系直接相連的供電子基團時，可形成熒光增強探針。而分子中僅含與共軛體系直接相連的吸電子基團或者含有可能導致熒光猝滅的基團時，可形成熒光減弱探針。如果按照熒光探針的組成，可將其分為傳統的小分子熒光探針、量子點熒光探針、聚合物熒光探針等，它們的應用領域各不相同。

1.2 光誘導電子轉移(PET)機理

PET體系是一個可以選擇性識別客體同時又有光信號變化的超分子體系，它通過連接基團連接包含電子供體的識別基團和熒光基團而構建。PET熒光探針的熒光基團與識別基團存在光誘導電子轉移，對熒光有很強的猝滅作用[9]。這種探針在沒有結合目標物質之前，熒光很弱甚至不發射熒光，一旦識別基團與被測物質結合，光誘導電子轉移作用就會受到了抑制，甚至完全被禁止，使熒光基團發出強烈的熒光。馬國春[10]設計、合成了萘酰亞胺類的PET熒光探針用于檢測金屬離子，通過光譜滴定驗證了它是一個良好的Fe3+選擇性熒光分子探針，由于Fe3+的加入，PET效應受到了阻斷，使得熒光增強。

1.3 分子內電荷轉移(ICT)機理

分子內電荷轉移機理(ICT)也稱為光誘導電荷轉移(PCT)機理。ICT熒光分子探針的熒光基團與識別基團直接連接，推電子基和吸電子基、熒光基團共軛相連。在光激發的情況下，電荷從供體向受體轉移，熒光基團所處的微環境變化使得熒光光譜發生Stokes位移。ICT熒光探針的識別基團與受體結合時，會增強或者減弱分子內的電荷轉移，從而導致熒光光譜的強度和位移發生變化。熒光光譜隨著吸收光譜變化的方向而變化，位移的改變也會影響熒光的產率和壽命。

1.4 熒光共振能量轉移(FRET)機理[11-14]

熒光共振能量轉移(FRET)是一種非輻射能量轉移，激發的供體熒光基團可通過電子偶極間的相互作用將能量轉移到附近的受體熒光基團，被激發的受體可以通過發射光子(熒光)返回其基態。為了使能量有效轉移，供體的熒光發射光譜必須與受體的激發光譜重疊,同時兩個分子必須保證一定的距離(通常<10 nm)。另外，供體分子與受體分子作用時的向量必須滿足一定條件。

1.5 激發單體-激基締合物機理

當兩個相同的熒光基團連接到一個受體分子的合適位置時，其中一個被激發的熒光基團就會和另一個處于基態的熒光基團形成分子內激基締合物，其發射光譜不同于單體發射光譜，是一種強而寬且沒有精細結構的發射峰。熒光基團間的距離是激基締合物形成和破壞的關鍵，所以形成這種激基締合物需要激發態分子與基態分子達到約35nm的“碰撞”距離，可以利用分子間的作用力改變熒光基團間的距離，以此達到合適的“碰撞”距離[15]。

1.6 螯合增強熒光(CHEF)機理[16-18]

螯合增強熒光機理是指，通過熒光基團上的N、O、S等雜原子與金屬離子絡合阻止主體分子的光誘導轉移過程，使熒光基團發出熒光，實現對金屬離子的識別。基于CHEF原理的熒光探針識別過程與PET型熒光探針相類似，由熒光基團、連接基團和識別基團三部分組成。熒光基團大多是含有大共軛結構的體系，例如萘、蒽、芘等。

2 熒光探針在鋁合金初期腐蝕檢測中的應用

相比于其他合金，鋁合金具有密度小和耐蝕性好等特性，廣泛應用于船舶和飛機的結構構件。常用的鋁合金腐蝕檢測方法有電阻傳感器、石英晶體微天平技術、電化學傳感器等，但這些方法大多操作繁瑣且成本較高。關于熒光探針檢測鋁合金初期腐蝕的方法可以分為兩種：一種是根據陰極pH變化產生響應，通過熒光探針與H+和OH-形成發光物質來判斷腐蝕程度[19]；另一種是利用腐蝕過程中陽極生成的Al3+與熒光探針的某些基團結合形成螯合物，Al3+含量增加,熒光增強，據此來判斷腐蝕程度。目前，比較常見的熒光探針是8-羥基喹啉(8-HQ)，它對Al3+有較好的吸引力。當它與Al3+結合，形成一種鋁離子的三配體螯合物8-羥基喹啉鋁，可在紫外燈下觀測到熒光[20]。

2.1 pH響應型鋁合金熒光探針

BüCHLER等[21]使用熒光染料桑色素、槲皮素研究了6061鋁合金在0.1 mol/L KCl溶液中的腐蝕行為。結果表明,在短時間內，可通過熒光顯微鏡觀察熒光環的產生，進而檢測到陽極溶解點處的陽離子，即腐蝕點的位置。該研究驗證了熒光探針對于裸露金屬初期腐蝕檢測的可行性，在此基礎上，一些研究者也陸續開展了更具實用性和創新性的工作。

隨著金屬防護涂層的研制與應用，熒光探針不僅被用于檢測裸露金屬的早期腐蝕，也開始被用于丙烯酸或者環氧樹脂涂層覆蓋金屬的初期腐蝕檢測。劉建華等[22]將酸性染料類的熒光探針加入到有機硅丙烯酸清漆中，然后涂覆在LC4鋁合金基材表面，通過陽極pH升高導致的熒光強度變化，檢測鋁合金初期腐蝕的位置，同時間接顯示了腐蝕引起的形貌變化。他們采用恒電流極化法測量從開始施加電流到出現熒光這段時間所通過的電量，再利用法拉第定律求得腐蝕微孔的半徑，結果表明該熒光探針可檢測的最小平均微孔半徑為44.82 μm。有些研究者嘗試在鋁板的環氧底漆中使用pH響應型熒光探針，但該探針過早地產生了熒光，原因在于熒光探針與涂層的胺基固化劑之間過早發生了化學反應，導致熒光探針電離[23-24]。盡管pH響應型熒光探針在透明丙烯酸和聚氨酯涂層系統中的應用效果較好，但在其他涂層體系中組分之間的反應可能會造成過早產生熒光，因此該類熒光探針在其他涂層中的穩定性還有待進一步研究。

AUGUSTYNIAK等[25-26]發現螺旋[1H-異吲哚-1,9-[9H]黃原膠]-3(2H)-1,3,6-雙(二乙胺)-2-[(1-甲基乙二胺)氨基](簡稱FD1)的熒光會隨著pH的降低而顯著增強，可作為pH響應型熒光探針。而且，FD1沒有能與環氧樹脂涂料所用固化劑反應的官能團，可以避免探針在環氧樹脂涂料中應用時過早產生熒光的問題。用手持紫外燈照射鋁板表面含有FD1的環氧樹脂涂層，就可以很容易地發現發出明亮橙色熒光的點蝕區域。該檢測過程是無損的，不會對涂層造成破壞。

SIBI等[27-28]將熒光試劑探針摻雜在涂覆于2024 T3鋁合金表面的環氧樹脂/聚酰胺底漆中，在0.5 mol/L NaCl腐蝕環境中，通過熒光顯微鏡觀察腐蝕溶液的熒光發射強度變化，間接研究了環氧樹脂/聚酰胺保護涂層下鋁合金的腐蝕行為。在腐蝕初期，隨暴露時間的延長，腐蝕溶液的熒光發射強度逐漸增強，但這種變化趨勢在4周后由于Al(OH)3的形成而變緩。這也說明，形成的氫氧化鋁可以作為鋁合金的保護膜抑制腐蝕的進一步發展。

2.2 其他類型鋁合金熒光探針

近年來，基于Al3+形成螯合物使熒光增強這一機理的熒光探針也被應用于鋁合金的早期腐蝕檢測研究中。劉建華等[29]利用7-羥基香豆素作為熒光探針，通過熒光斑點的顯現時間分析不同含量熒光探針的響應情況，指出了涂層中熒光探針的摻雜含量與腐蝕檢測的靈敏度相關。高立新等[30]將合成的喹啉-2-甲醛作為熒光探針，該熒光探針是一種沒有熒光出現的平面分子結構，其分子中含有的-CHO官能團可能導致熒光猝滅,基于螯合增強熒光(CHEF)效應，當鋁合金發生腐蝕時,產生的Al3+和喹啉-2-甲醛形成螯合物,可以打開熒光。同時,通過電化學噪聲和電化學阻抗驗證了此時腐蝕的發生。

鞠鵬飛等[31]將8-羥基喹啉等物質作為熒光探針，研究了其對涂層下Al3+的熒光響應。8-羥基喹啉作為熒光探針的檢出限較低，在熒光點直徑約為20 μm即有響應。將8-羥基喹啉摻雜在溶膠凝膠/環氧樹脂雙涂層體系的上層涂層中也可實現對腐蝕的檢測，但是由于雙涂層體系的物理阻隔性能好，監測的靈敏度會受到影響。該研究結果進一步證實了8-羥基喹啉對鋁合金早期腐蝕的監測作用，因為8-羥基喹啉具有大共軛鍵的平面剛性結構，在紫外線的照射下會發出能被觀察到的一定強度的熒光。同時，該研究還分析了8-羥基喹啉在環氧樹脂涂層中的適應情況，有利于進一步開展熒光探針在涂層中穩定性的研究。

3 熒光探針在鋼初期腐蝕檢測中的應用

鋼是工業上應用較為廣泛的金屬材料之一。長期以來，研究人員致力于鋼初期腐蝕檢測方法的突破，熒光探針作為一種新型、高效的檢測方法具有一定的應用前景[32-33]。根據熒光效應，檢測金屬鐵離子的熒光探針可分為兩種類型，即熒光猝滅探針和熒光增強探針。用于檢測水溶液中鐵離子的熒光探針大多為熒光猝滅探針，在生物領域應用較為廣泛。鋼腐蝕時，能被觀察到的熒光猝滅現象不是很明顯，而可與亞鐵或鐵離子形成復合物的熒光增強探針在鋼腐蝕檢測中具有較好的應用效果。涂層中摻雜熒光探針后，鋼未發生腐蝕時熒光處于關閉狀態，一旦鋼發生微弱的腐蝕，腐蝕生成的鐵離子與熒光探針的某種基團結合而打開熒光。在金屬腐蝕的初期，就可明顯觀測到熒光探針的指示，相比于其他檢測方法，熒光探針法更為靈敏，有利于提早采取防護措施。熒光探針在鋼初期腐蝕檢測中的應用比在鋁合金中的起步晚，還有待進一步的深入研究。

3.1 羅丹明類鋼熒光探針

羅丹明類熒光探針具有羧基，羧基可與伯氨反應生成獨特的五元環內酰胺結構。該結構使羅丹明在閉環的時候幾乎不會產生熒光，只有當識別基團與金屬離子發生作用使內酰胺鍵斷裂形成穩定的剛性共軛結構時，才會產生強的熒光，故該類熒光探針常用于生物學、分析化學和醫學等領域的離子檢測[34-35]。在可見光區，羅丹明類化合物具有吸收系數高、熒光范圍廣、熒光量子產率高、光穩定性好等優點[36]。羅丹明的主要改性方式是，使用合適的連接基團將含有N、O、S等雜原子的識別基團與羅丹明類的熒光基團母體相連，其關鍵在于選擇含有合適基團的配體。同時，熒光探針的設計要考慮多方面的因素，包括對特定離子的高選擇性、水溶性、抗其他離子的干擾性及穩定性等。DUJOLS等[37]在1997年設計合成了基于羅丹明分子的熒光探針，其熒光團衍生物中存在某種特定的識別基團，當識別基團與金屬離子結合可以使熒光增強。該熒光探針在羅丹明類化合物的發射波長下具有很高的選擇性和信號強度。這是關于羅丹明類熒光探針在金屬離子檢測中應用的較早研究，此后越來越多的研究者將其用于金屬離子的檢測。由于Fe3+具有順磁性，大多用來檢測Fe3+的熒光探針都是熒光猝滅型的，這不利于早期腐蝕的觀測，而羅丹明類熒光探針在接觸Fe3+后可產生熒光增強效應，使其在鋼初期腐蝕檢測方面得到了廣泛關注[38]。

國內一些學者相繼開展了羅丹明類熒光探針在鋼初期腐蝕檢測中的研究。ZHANG等[39]研制了一種以羅丹明為基礎的熒光化合物螺桿[1H-異吲哚-1,9-[9H]黃原膠]-3(2H)-1,6-雙(二乙胺)-2-[(1-甲基乙二酮)-氨基](簡稱RB1)，并用于檢測3% NaCl溶液中耐高溫鋼的腐蝕。結果表明，RB1在Fe3+存在時表現出熒光發射開啟，腐蝕質量損失和熒光強度呈正相關。孟宇等[40]采用羅丹明B與水合肼反應，制備了能夠在酸性介質中檢測20鋼腐蝕情況的羅丹明B酰肼(簡稱RHBH)。在HCl溶液中，RHBH顯示為無熒光或弱熒光，當溶液中存在Fe3+時，閉環被打開形成螯合物而產生熒光[41]，因此RHBH對Fe3+具有很好的熒光識別能力。朱力華等[42]將負載羅丹明B酰肼的氧化鋅微球加入環氧樹脂中制成復合涂層，涂覆了該復合涂層的Q235碳鋼在浸泡12 h后，在其劃痕處及劃痕周圍均能觀測到熒光，這表明腐蝕從劃痕處向四周擴展，該結果與光學顯微鏡觀測到的腐蝕產物形貌一致。趙貴征等[43]通過合成的羅丹明類熒光探針FD1二[N，N′-雙(羅丹明B)內酰胺-乙基]胺對T91鋼進行了檢測，結果表明鋼的腐蝕質量損失與溶液的熒光強度呈正相關。以上研究結果表明，羅丹明類熒光探針對鋼的腐蝕產物Fe3+響應靈敏，可檢測到鋼的初期腐蝕行為，且熒光強度與腐蝕程度存在相關性。

目前，一些新合成的羅丹明類熒光探針被用于水溶液中Fe3+的檢測。CHEN等[44-45]通過在羥化羅丹明(羅丹明羥胺)中引入乙酰保護和無乙酰保護的D-葡萄糖基團合成了兩種探針RDG1和RDG2；KUANG等[46]通過二氧化硅嵌入的CdTe量子點與羅丹明衍生物結合形成熒光傳感器；WU等[47]合成了基于羅丹明B骨架、以2個甲氧芐胺和2個噻吩乙胺作為特異性識別基團的兩種熒光探針，它們均表現出優異的Fe3+選擇性，具有在不同環境中檢測碳鋼早期腐蝕的應用前景。

3.2 其他類型鋼熒光探針

除了羅丹明類熒光探針，還有一些對鐵離子敏感的熒光探針被應用于碳鋼初期腐蝕的檢測。對pH敏感的熒光探針可以用于檢測碳鋼腐蝕后陰極區產生的H+，進而通過熒光變化來指示該區域發生的腐蝕。LIU等[48]利用一種pH敏感型熒光染料5，6-羧基熒光素(簡稱56CF)對304不銹鋼表面局部腐蝕產生的H+進行原位檢測。鋼腐蝕過程中產生的H+會引起腐蝕坑內熒光強度變化,他們以此為信號指標，通過測量凹坑處的局部熒光強度，量化以局部H+含量表示的腐蝕速率。該方法具有亞微米級的分辨率，實現了對小于1 μm腐蝕坑的識別。

研究人員將熒光探針摻入丙烯酸涂層或環氧樹脂涂層中，進一步拓展了熒光探針技術在涂層下鋼早期腐蝕檢測中的應用。DHOLE等[49]將5-丙烯酰胺-1,10-菲羅啉(簡稱AMP)作為熒光探針摻雜到丙烯酸涂層中對其進行化學改性，將改性后的丙烯酸涂層涂抹在鋼板上，在3.5% NaCl溶液中浸泡9 d后，涂層上出現一些變色點，同時紫外可見光譜在359 nm處出現附加峰，這說明改性聚合物-鐵(II)絡合物已經形成。同時，他們利用電化學阻抗譜(EIS)及掃描電鏡(SEM)對金屬表面電阻及形貌進行了分析，證實了變色點是腐蝕部位，驗證了AMP作為熒光探針的可行性。ROSHAN等[50]成功利用8-羥基喹啉(8-HQ)檢測到腐蝕過程中生成的Fe2+/Fe3+離子，將8-HQ摻入環氧樹脂基體，當8-HQ與涂層前驅體混合時，不會表現出過早的熒光，只有當8-HQ與陽極反應生成的Fe2+/Fe3+離子螯合后才能啟動熒光，通過熒光顯微鏡可以在陽極反應生成Fe2+/Fe3+離子的區域觀察到熒光。

HU等[51]以碳量子點為基礎，設計合成了一種比率型熒光探針。首先，以乙二醇為碳源，采用水熱法制備了對Fe3+有熒光響應的碳量子點(CQDs)；然后，將CQDs與羅丹明B (RhB)分子混合，制備出RhB@CQDs傳感器。RhB分子吸收來自能量供體CQDs激發態的能量，增強了熒光發射的強度。CQDs和RhB分子的激發態能量優先遷移到Fe3+離子上進行弛豫，從而阻斷了FRET過程，抑制了RhB分子某些固有的熒光發射。因此，RhB@CQDs傳感器結合了CQDs和RhB對Fe3+檢測的優勢，獲得了較高的靈敏度和選擇性。

4 結束語

熒光探針技術作為一種新型的金屬初期腐蝕檢測技術，可較為靈敏地檢測到金屬腐蝕的萌生，有利于及時發現腐蝕并采取有效措施,防止腐蝕的進一步擴展。相比于其他金屬早期腐蝕檢測方法，熒光探針法更直觀、靈敏度高，且可以原位觀測熒光強度，以了解金屬早期腐蝕程度，是一種較為簡便的無損檢測方法，在金屬初期腐蝕檢測領域具有較為明顯的技術優勢。近年來，國內外研究人員在利用熒光探針技術檢測鋁合金和碳鋼的腐蝕方面取得了一定的進展，但是在其他金屬腐蝕檢測方面的研究則相對較少。另外，熒光探針技術在金屬腐蝕檢測方面，仍存在熒光材料在涂層中的穩定性和分散性較差等不足[52-53]。為了進一步加快熒光探針技術在金屬初期腐蝕檢測領域的應用，應重點解決熒光材料與涂層結合的分散性、螯合物穩定性以及熒光持久性等難點問題，同時還應進一步拓展熒光探針技術在其他類型金屬材料初期腐蝕檢測中的應用。隨著熒光探針技術問題的不斷深入研究，及其在相關領域的不斷拓展，熒光探針技術在金屬初期腐蝕檢測領域將具有更為廣闊的應用前景。