木質素磺酸鈉熒光膜的制備及其在硝基爆炸物檢測中的應用

楊明明, 高麗坤, 李 堅, 劉守新, 李淑君, 陳志俊

(東北林業大學 生物質材料科學與技術教育部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150040)

硝基化合物是目前應用最廣泛的爆炸物，其威力巨大且易于合成，探尋高靈敏度、選擇性檢測硝基爆炸物的方法具有重大意義[1-3]。當前，氣相色譜-質譜分析[4-5]、表面增強拉曼光譜分析[6]、X射線衍射法[7]、熱中子法[8]和離子遷移譜分析[9-11]等均可用于檢測硝基爆炸物。但這些檢測手段價格昂貴、不便攜帶，難于普遍推廣使用。熒光法檢測爆炸物具有響應速度快、檢測限度低和易制備成便攜式儀器的特點，被公認為是目前爆炸物檢測的最有效技術之一[12-13]。熒光聚合物的檢測機理是熒光發色團單元和聚合物鏈之間的協同作用可以用來調節熒光材料的性質，熒光聚合物可以與不同介質相作用制備熒光傳感薄膜，實現器件化檢測，在爆炸物檢測中更具普及性[14-15]。

當熒光聚合物材料與爆炸物分子接觸時，可以通過光誘導電子轉移(PET)[1]、Forster共振能量轉移(FRET)[16]以及內濾效應(IFE)[17]等光物理過程，改變熒光信號，從而實現對爆炸物的檢測。近年來，熒光聚合物應用于硝基芳烴爆炸物的檢測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效應的化合物用于2,4,6-三硝基甲苯(TNT)的檢測，表現出良好的熒光猝滅效果。Zhao等[19]將具有聚集誘導效應的三苯胺和噻咯結合在一起并應用于硝基芳烴的檢測，熒光猝滅效果較好。Faheem等[20]通過席夫堿反應將蒽與四苯乙烯結合構建了一種新型的二維雙發光共價有機骨(DL-COF)，實現了超痕量檢測2,4,6-三硝基苯酚。然而，以天然高分子聚合物為聚集誘導發射(AIE)熒光材料用于檢測硝基芳烴爆炸物鮮有報道。因此，本研究以具有聚集誘導發射現象的天然高分子聚合物木質素磺酸鈉為原料，探討了其在乙醇/水體系中的聚集誘導發射效應，以及對硝基化合物的高靈敏檢測性能，并考察了所制備的木質素磺酸鈉熒光薄膜在硝基爆炸物檢測中的應用，以期為簡便、快速、實時檢測硝基爆炸物的傳感器開發提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

木質素磺酸鈉(LS),購自上海阿拉丁試劑公司，無需純化處理；去離子水采用aMaster Q30UT凈水系統制備；聚乙烯醇1788(PVA)、硝基苯(NB)、對硝基苯酚(PNP)、間二硝基苯(m-DNB)、無水乙醇(EtOH)、苯(PhH)、甲苯(PhMe)、苯酚(PhOH)、對苯二甲酸(TPA)、對苯二甲醛(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Mavern公司;FluoroMax- 4熒光光譜儀，美國Horiba公司。

1.2 木質素磺酸鈉熒光薄膜的制備

1.2.1溶液配制 木質素磺酸鈉(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)溶液中配制質量濃度為0.01 g/L的LS溶液。木質素磺酸鈉溶于水配制成質量濃度為10 g/L 的LS溶液。將硝基苯(NB)溶于乙醇配制成質量濃度為60 g/L的硝基苯溶液。對硝基苯酚(PNP)、間二硝基苯(m-DNB)分別溶于乙醇中配制質量濃度為5 g/L的對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量濃度為44、 44和54 g/L的溶液，對苯二甲酸(TPA)、對苯二甲醛(TPAL)、鄰苯二甲醛(OPA)分別溶于乙醇中配置成質量濃度為5 g/L 的溶液。

1.2.2木質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木質素磺酸鈉溶液(木質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對硝基苯酚/乙醇(PNP/EtOH)溶液中30 s, 將膜取出干燥，制得木質素磺酸鈉熒光薄膜。

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)的木質素磺酸鈉溶液于石英皿中，以365 nm為激發波長，激發和發射狹縫寬度5 nm，在熒光光譜儀上記錄380～650 nm波長范圍內的發射光譜。將1.2節干燥后的3張膜進行熒光光譜測量，測定條件相同。測定均在常溫(23 ℃)下進行。

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

1.4 猝滅試驗

1.4.1熒光猝滅試驗 移取2.5 mL由乙醇/水(體積比9 ∶1)制備的0.01 g/L木質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)混合均勻后測量熒光發射光譜。同樣移取2.5 mL上述木質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)光譜測定條件同1.3.1節。

1.4.2寫字猝滅試驗 取4張1.2節制備的熒光膜(3 cm×3 cm)，用鋼筆吸取適量NB/EtOH(60.25 g/L)在1號膜上書寫 “Y”，吸取適量m-DNB/EtOH(5 g/L)在2號膜上書寫 “M”，吸取適量PNP/EtOH(5 g/L)在3號張膜上書寫“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 結果與分析

2.1 木質素磺酸鈉的形態及光學性質分析

木質素磺酸鈉(LS)的聚集誘導發射熒光光譜如圖1(a)所示。由圖可知，不同溶劑比例制備的LS在440 nm處均有較強的熒光強度。隨著溶劑中乙醇(不良溶劑)比例的增加，LS的熒光發射峰強度逐漸增強，發射峰位置發生了微弱紅移，從445 nm增加到450 nm。說明LS的化學結構未發生變化，且隨著不良溶劑的增加，產生了聚集誘導發射熒光增強的現象。為了證實隨著不良溶劑的增加LS產生了聚集現象，通過激光粒度分析儀(DLS)來驗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，結果見圖1(b)。

圖1 不同比例乙醇/水制備的木質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數逐漸增加，分子內部環境變化較小，分子之間發生緩慢聚集，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表征結果與聚集誘導發射熒光光譜分析結果相吻合。因此，本研究選擇體積比9 ∶1乙醇/水用于后續研究。通過熒光發射光譜及DLS表征結果可以證明LS具有聚集誘導發射(AIE)的性質。

2.2 化合物與木質素磺酸鈉相互作用的熒光光譜

2.2.1化合物對木質素磺酸鈉的熒光猝滅作用 為了進一步探索LS芳香骨架材料對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，其熒光發射光譜如圖2所示。由圖可知，LS對NB、m-DNB和PNP均具有非常高的靈敏度。當加入NB/EtOH或PNP/EtOH后LS的熒光猝滅程度高達到90%; 當加入m-DNB/EtOH后，LS的熒光猝滅程度也能達到56%。這種優異的靈敏度歸因于LS芳香骨架材料上多苯環的結構能夠有效聚集硝基化合物分子。當硝基化合物與LS混合后，帶負電性的—NO2基團與具有共軛結構的苯環骨架通過庫侖作用相互接觸，—NO2基團吸引芳香骨架上的激子發生遷移，從而增強了熒光猝滅性能。以上結果表明：在低濃度的硝基化合物存在下，LS作為生物質熒光探針就能夠實現對硝基化合物的痕量檢測。

選擇性對于評估材料的檢測性能很重要。按1.4.1節方法考察LS對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相同體積和質量濃度時，LS對無硝基化合物幾乎沒有反應。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，更容易從電子云密度高的化合物上通過電荷轉移得到電子。對于無硝基化合物，例如苯，苯酚等，由于沒有顯著的吸電子效應，所以熒光猝滅效率比較低。因此與無硝基芳烴相比，LS可以選擇性地檢測硝基芳香化合物。

2.2.2熒光猝滅機理 Stern-Volmer猝滅常數(Ksv)是測量熒光材料響應性能一個很好的參數，分析物可以系統地比較猝滅效率[21-23]。猝滅過程可以通過Stern-Volmer動態猝滅方程(式(1))來進行分析。

I0/I=1+KsvCQ

(1)

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

根據Stern-Volmer方程可得LS與PNP、NB、m-DNB、TPAL、PhH、PhMe、OPA、PhOH、TPA的猝滅常數分別為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。由數據可知，含硝基的3種化合物對LS的熒光猝滅效率明顯高于不含硝基化合物。當對硝基苯酚質量濃度為5 g/L時，LS發生熒光猝滅的Ksv高達439.7 L/mol，約是非硝基化合物的5 000倍，這說明了LS對硝基化合物檢測具有高靈敏性和高響應性。

一般基于熒光檢測的方法來檢測爆炸物的機制主要有4種;光誘導電子轉移(PET)、熒光共振能量轉移(FRET)、內濾效應(IFE)和激發態二聚體。其中，PET和FRET是最常用的。PET機理為電子從富電子的熒光分子轉移到缺電子的被測物質；FRET機理為被測物質的紫外吸收光譜與熒光分子的熒光發射光譜之間存在一定程度的重疊。根據LS與不同化合物的猝滅常數數據，選擇熒光猝滅效率較高的硝基苯進行分析，由2.1節可知，LS的熒光發射峰位置為450 nm，測量得知硝基苯的紫外吸收峰位置為265 nm,熒光發射光譜與紫外吸收光譜并無重疊。該結果表明：FRET沒有參與該猝滅過程。所以，二者之間發生熒光猝滅的原因應為PET機制。電子從聚合物的LUMO能級轉移到硝基芳族化合物的LUMO能級，引起熒光物質熒光的猝滅。因為吸電子基的硝基比非硝基化合物具有更低的LUMO能級，更容易通過電荷轉移從富電子熒光化合物得到電子。而通過猝滅常數的計算可知，在含硝基化合物中，對硝基苯酚具有較低的LUMO能級，PET的驅動力相對高于硝基苯和間二硝基苯。對于其他不含硝基的化合物(苯，甲苯等)，因其不含強吸電子基，所以沒有顯著的吸電子效應，導致了其猝滅效率較低。綜上，光誘導電子轉移機制應該是LS這種AIE高聚物分子能與含硝基化合物發生熒光猝滅的原因。

2.3 木質素磺酸鈉熒光膜對硝基爆炸物的檢測

為了實現硝基爆炸物的實時和現場檢測，進一步研發了一種新型膜傳感器——木質素磺酸鈉熒光膜，將木質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89%，浸泡m-DNB/EtOH后的膜熒光猝滅程度高達78%，浸泡PNP/EtOH的膜熒光猝滅程度高達幾乎100%。熒光光譜結果顯示了硝基化合物對熒光膜的高效準確的猝滅特性。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行書寫，研究發現：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象，與未書寫部分對比顯著(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領域獲得更為廣闊的應用。

圖4 木質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 論

3.1 以木質素磺酸鈉(LS)為原料，聚乙烯醇為黏合劑，制備木質素磺酸鈉熒光膜，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/水時熒光膜的光學性質和形態，結果顯示：隨著溶劑中乙醇體積的增加，LS的結構未發生改變，熒光發射峰強度增加，發射峰位置微弱紅移，分子粒徑變大，出現了聚集誘導發射效應的熒光現象。

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

3.3 木質素磺酸鈉熒光膜對硝基爆炸物的檢測試驗表明：熒光膜經硝基苯、間二硝基苯和對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象。