荧光纳米复合膜的制备及青铜器表面氯离子的荧光传感分析

王 迁，郑行望

（历史文化遗产保护教育部工程研究中心，陕西师范大学 化学化工学院，陕西 西安710062）

青铜器文物的防腐保护技术，一直都是考古学家和科研人员关注的重要课题［1］．已有的研究结果表明，青铜合金表面粉状锈的形成过程中，氯离子起着关键的作用，由于氯离子的存在，生成的氯化物在潮湿的环境及氧化性气氛中会不断扩展、迁移深入文物的金属本体，这样周而复始，直到青铜器物溃烂、穿孔［2］．所以，青铜器表面氯离子的分布对于青铜器腐蚀机理的研究和相应的保护及修复等都具有重要的理论和指导意义．

目前，青铜器文物表面化学信息分析所用的分析方法有X射线衍射分析（XRD）［3］、X射线光电子能谱分析显微［4］、显微红外吸收光谱分析法［5］和扫描电子显微分析等方法［6］，这些方法曾为青铜器文物的保护与修复研究提供了重要的数据，为文物保护与修复研究工作的发展作出了重要的贡献．然而，这些方法大多对文物表面有一定程度的破坏，也很难实现对文物有极强破坏作用的氯离子的选择性分析．因此，发展文物表面原位、无损、实时和具有空间区分能力的分析方法对研究文物的腐蚀机理和有效保护具有重要的现实和理论意义．本文首先采用反相微乳液法成功地将功能高分子材料壳聚糖、氯离子荧光探针光泽精、参比荧光物RuBpy同时掺杂到SiO2纳米粒子中，合成了氯离子纳米比率型传感器；然后选用PVA为成膜剂［7］，将荧光纳米粒子均匀的分散在PVA水溶液中，制备易于成膜、又有荧光特性，且对青铜器无化学破坏作用的荧光纳米复合膜．在此基础上，我们研究该纳米复合膜对青铜器文物表面氯离子的荧光传感分析方法以及将纳米复合膜从青铜器表面无损去除的方法，并将该方法成功用于古铜币表面氯离子的荧光显微分析．研究结果表明我们建立了一种原位、无损、荧光传感青铜器文物表面氯离子成分分析的新方法．

1 实验

1．1 仪器与试剂

AMM—12磁力搅拌器（天津奥特赛恩斯仪器有限公司）；5804R型高速冷冻离心机（德国，eppendorf公司）；JEM—2100型透射电子显微镜（日本，日本电子公司）；F—7000荧光仪（日本日立公司）；TU—1901双光束紫外可见分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司）；扫描电镜（Quanta 200，FEI Company，The Netherlands）；DM—LB2型荧光显微镜（德国徕卡）．

实验所用试剂包括：光泽精、联吡啶钌（Ru（bpy）3Cl2）、壳聚糖、Triton X—100、正硅酸乙酯（TEOS）等均购于Sigma公司，其他试剂有NaCl、正己醇（天津市科密欧化学试剂厂）、环己烷、氨水（25%～28%）、丙酮、无水乙醇、磷酸一氢钠、磷酸二氢钠、聚乙烯醇（PVA）等均由西安化学试剂厂提供，所用试剂均未作进一步纯化；市售铜片；青铜器（仿古币）：购自西安市书院门古玩市场；实验用水均为二次水．

1．2 纳米比率传感器的合成

采用反相微乳液法制备纳米粒子［8］，具体的合成过程如下：将环己烷、TritonX—100和正己醇按体积比4．2∶1∶1均匀混合，加入100μL的水作为分散相，搅拌5min后，加入30μL1．0×10－2mol／L RuBpy溶液，搅拌1h后再加入40μLTEOS和30 μL氨水；反应持续24h，然后加入100μL 1．0×10－3mol／L光泽精和100μL0．5%壳聚糖，搅拌10 min后，加入适量的0．1mol／L NaOH溶液将体系调节为中性，1h后再加入60μLTEOS和40μL氨水，继续搅拌24h．反应完成后加入丙酮破乳，依次用无水乙醇和二次水各洗两次，以除去表面活性剂、助表面活性剂、连续相等，最后将纳米颗粒分散在二次水中于室温下储存备用．

1．3 纳米复合膜的制备

称取一定量的硼砂溶解于热水中，待水温达到90℃时缓慢地向烧杯内加入适量的PVA，用搅拌棒搅拌，直到PVA全部溶解为止，然后按配比将PVA与纳米粒子混合，控制总的含量（NP和PVA）不超过5%，恒温并搅拌2h，使其分散均匀，形成均一透明液体．

1．4 纳米复合膜的性质表征

SEM观察：将制备好的复合膜材料冷冻干燥24h，采用扫描电镜观察表面微观形貌 ，复合膜在液氮下脆断，截面喷金，加速电压20kV．

荧光显微成像：将纳米复合膜在2cm×2cm的盖玻片上涂样，于荧光显微镜下观察，以纯的PVA水凝胶的荧光成像作为对照．

荧光检测：将制备好的纳米复合膜滴涂在载玻片上，在F—7000荧光分光光度计上考察其荧光激发和发射光谱．

1．5 纳米复合膜在青铜器表面的传感特性研究

配制一系列的氯离子溶液，将模拟青铜器泡在溶液中大约30min，将纳米复合膜涂覆到经过不同浓度氯离子溶液浸泡过的铜片上，通过固体表面荧光反射法检测模拟铜片上的荧光强度．

2 结果与讨论

2．1 荧光纳米复合膜的制备及氯离子传感作用

虽然基于反相微乳液纳米粒子合成方法，成功的制备氯离子纳米荧光比率型传感器，但是用该纳米传感器直接对青铜器表面氯离子进行传感时发现，纳米材料会严重吸附于青铜器表面，并难以用有机溶剂除去．对此，我们提出将纳米粒子和广泛用于文物表面分析与保护的高分子水凝胶材料PVA复合，实现青铜器表面氯离子无损、荧光传感．传感的方法如图1所示．首先将纳米复合膜涂覆于青铜器文物表面，基于PVA凝胶材料的易流动、变形等特性，复合膜能受控地分布于青铜文物表面检测区域，并随着青铜文物表面不同层次深度、空间的凹凸不平而进入到微区空间；此外，纳米粒子与PVA具有良好的相容性，通过离子平衡扩散效应使得青铜器表面氯离子扩散进入复合膜内部并于纳米粒子作用，氯离子经纳米粒子内部的壳聚糖水凝胶微通道与固定在其中的荧光探针分子发生作用，然后产生相应的荧光传感信号．

图1 纳米复合膜荧光传感器检测青铜器表面氯离子示意图Fig．1 Illustration for determing Cl－on surface of bronze ware by using the prepared fluorescent nanocomposite film

这种传感方法由于荧光染料分子被包埋、固定在刚性SiO2材料骨架内部，因此避免了荧光探针的泄露；同时又基于PVA凝胶材料的易成膜性、凝胶多孔性等对青铜器表面氯离子进行荧光传感分析．

2．2 纳米比率传感器的合成及表征

图2为合成的荧光纳米颗粒光泽精－RuBpy－壳聚糖－SiO2纳米粒子透射电子显微镜图．由图可见，纳米粒子呈规则球状，大小均匀，粒径均大约为90 nm左右，单分散性良好，右图为选择一个纳米粒子进行倍数放大的效果图，可以看出呈现明显的核壳结构．

图2 光泽精－RuBpy－壳聚糖－SiO2纳米粒子的透射电镜图Fig．2 TEM imaging of lucigenin－RuBpy－chitosan－SiO2nanopartics

为了进一步考察二氧化硅基体材料和掺杂到纳米粒子中的壳聚糖是否影响光泽精和参比RuBpy的光学性质，我们分别比较了游离光泽精、游离RuBpy和荧光纳米粒子在pH7．4PBS中的荧光光谱．在同样的激发条件下，光泽精荧光发射光谱的峰形除在484nm附近有点微小差异外也没有明显的位移或改变；RuBpy荧光光谱的特性也几乎没有变化，仅向短波长方向移动了约10nm，产生这一现象的原因是由于RuBpy所处的微环境发生变化，与Tan等的研究结果基本一致［9］．

当我们把敏感染料光泽精、RuBpy和功能高分子材料壳聚糖同时复合到二氧化硅纳米粒子中后，仍然保留其对氯离子的响应特性，由于壳聚糖形成的水凝胶微孔结构可以让小的氯离子自由穿梭进入，从而引起敏感染料光泽精的荧光猝灭．实验结果如图3所示：当在纳米粒子的缓冲溶液中加入氯离子后，490nm左右的荧光强度随着氯离子浓度的增大而逐渐降低，而在590nm左右的荧光强度随着氯离子浓度的增大没有发生明显的变化，符合比率型传感器的特征．

图3 荧光纳米粒子随氯离子浓度变化荧光光谱图Fig．3 Fluorescence spectra of the fluorescence sensor NPs in presence of different concentrations of chloride ion曲线从上到下氯离子浓度依次为：0，1．0×10－2，3．0×10－2，5．0×10－2和7．0×10－2 mol／L．

2．3 纳米复合膜结构及荧光特性的表征

高分子材料水凝胶PVA因具有优良的水溶性、化学稳定性、成膜性、透光性且易从文物表面去除等优点而广泛应用于文物分析与保护领域．为了考察荧光纳米复合膜是否影响了纳米粒子传感器的光学性质，我们对纳米复合膜和纳米粒子传感器的荧光激发光谱和发射光谱进行了研究．图4表明，PVA对纳米粒子传感器的荧光激发光谱和发射光谱几乎没有影响．激发光谱的形状基本保持原状（图4a）；在同样的激发条件下，荧光纳米复合膜的发射光谱除了基线有所增高，RuBpy的荧光峰位置向短波长方向移动了约4nm微小的差异外也没有明显的位移或改变（图4b）．

图4 荧光纳米粒子（1）、纳米复合膜（2）的荧光激发光谱（a）和发射光谱（b）的比较Fig．4 Fluorescence excitation spectra（a）and fluorescence emission spectra（b）of the nanoparticles（1）and the nanocomposites film（2）

图5是纳米复合膜放大倍数为100的SEM照片，从图中可以清晰地看到，复合膜呈现凝胶多孔结构，截面无相分离现象，其形貌较均匀、光滑，表明PVA和荧光纳米粒子具有良好的相容性．

图5 纳米复合膜的扫描电镜图Fig．5 SEM imaging of the nanocomposites film

此外，我们进一步探究了纳米复合膜材料中纳米粒子的分散性，分别对纯的PVA膜和纳米复合膜进行了荧光显微成像分析，如图6所示：右图发出明显的荧光且荧光分散的比较均匀．这是因为PVA与SiO2纳米粒子都是亲水性物质，PVA对SiO2纳米粒子的表面有很好的浸润性；其次纳米粒子有巨大的比表面积和表面能，具有较大的活性，使得它可以牢固地吸附在PVA表面；同时PVA的羟基与SiO2纳米粒子表面上的羟基形成氢键．综上所述，纳米粒子能够较好地分散在PVA水溶液中，并与PVA有良好的界面结合作用．

光泽精的荧光可能被卤离子、类卤离子、金属离子等猝灭剂猝灭［10］，而在青铜器中含有大量的Cu2＋、Pb2＋、Sn2＋等金属氧化物或其他化合物，所以在最佳条件下研究了这些离子对荧光纳米复合膜的猝灭作用．实验结果表明：在1．0×10－2mol／L时，SCN－、SO2－4、Fe3＋、K＋、Pb2＋、Zn2＋、Sn2＋与Cl－在相同的条件下相比较几乎不猝灭，Br－、Co2＋猝灭程度与Cl－猝灭程度相当，S2－的猝灭程度比Cl－猝灭程度大．但是由于这些离子在青铜器的腐蚀产物中的浓度很低，所以不会干扰青铜器腐蚀产物中氯离子的测量．Cu2＋的猝灭程度是Cl－猝灭程度的一半，但青铜器中的铜离子大多是以CuO、Cu2O、CuCO3·Cu（OH）2、合金（青铜器本身基底材料）等形式存在的，游离的铜离子几乎不存在于腐蚀产物中，所以Cu2＋对青铜器腐蚀产物测定也没有太大影响．

图6 PVA膜（a）纳米复合膜（b）的荧光显微成像图Fig．6 Fluorescence images of the PVA film（a）and the nanocomposites film（b）

2．4 纳米复合膜与青铜器文物相互作用研究

2．4．1 纳米复合膜在青铜器文物表面荧光传感特性研究 目前，对青铜器表面腐蚀机理的研究，人们大多都是应用较为传统的非原位、实时的方法，不能对腐蚀过程进行动态监测．我们制备的具有荧光特性的纳米复合膜可以测定氯含量的动态过程，根据青铜器文物表面荧光强度的动态变化过程，对青铜器腐蚀过程的氯离子进行原位、实时、无损、动态的监测与分析．在实验中，我们按照青铜器的腐蚀机理对市售铜片进行腐蚀处理，根据纳米复合膜滴涂在经处理后的铜片上荧光强度的变化，对腐蚀样品表面氯离子进行了动态监测．首先在大小合适的青铜片上滴加一定量的CuCl2溶液和一定浓度的HCl，用红外灯照射，并在50℃下烘干，可见青铜片表面有鲜绿色的腐蚀产物生成，主要成分有CuCO3·Cu（OH）2，CuCl2·3Cu（OH）2，CuCl和 未 转 化 的CuCl2（类似于经初步腐蚀后的青铜器）［17］．然后把复合膜涂覆于经处理后的铜片上，对腐蚀样品表面复合膜的荧光强度随时间的变化情况进行了监测，复合膜对氯离子的响应通过505nm和595nm处的荧光强度比值的变化来反映（F／F1），该实验重复做3次，如图7所示，铜片表面复合膜F／F1达到稳定后数值依次为1．45，1．45，1．48．

图7 固定于青铜器表面的复合膜与氯离子作用后的荧光强度与时间的动力学曲线Fig．7 Fluorescence response with time for the nanocomposites film attached on the copper sheet containing chloride ions

由荧光强度的变化我们可知，F／F1的比值随着时间的增长先呈现逐渐下降的趋势，到达一定的时间后，F／F1的比值出现平台，原因是当将复合膜材料涂覆于经过处理的铜片表面，通过离子平衡扩散效应使铜片修饰层上氯离子扩散进入复合膜内部，随着复合膜内氯离子含量的升高荧光强度逐渐降低，当扩散出来的氯离子达到平衡时，荧光强度也呈现稳定的趋势．

另外，为了同步、实时、动态的监测模拟青铜器表面腐蚀过程中氯离子的浓度，将复合膜涂覆在经过不同浓度氯离子（1．00×10－2、3．00×10－2、5．00×10－2、7．00×10－2、9．00×10－2mol／L）浸泡过的青铜器样品表面，待扩散到复合膜内的氯离子达到平衡状态时，测其荧光强度的变化情况，进而确定未知青铜器腐蚀产物中氯离子的浓度，结果如图8所示．

图8 固定于模拟青铜器表面的纳米复合膜经氯离子溶液处理后的荧光光谱Fig．8 Fluorescence spectra for the nanocomposites film attached on the copper sheet containing different consentration of chloride ions

由图中可以看出，复合膜内部双荧光纳米粒子Cl－探针在490nm左右的荧光强度随着氯离子浓度的升高而逐渐降低，而在590nm左右的荧光强度没有发生明显的变化，以F／F1的比值与扩散到复合膜内氯离子浓度之间的关系描点作图，其结果如图8（右上）所示，从图中可以看出F／F1的比值随着氯离子浓度的增加而降低，并呈现线性相关，线性方程及相关系数分别为F／F1＝－0．083［Cl－］＋1．909 4（r＝0．998 5），由上图进而确定青铜器表面氯离子浓度为5．35×10－5mol／cm3．

为了验证该荧光传感方法的准确性，同时用标准方法——氯离子选择性电极法测得复合膜内氯离子浓度为4．3×10－5mol／cm3，两者测定结果基本一致．以上实验结果表明该荧光纳米复合膜为青铜器文物表面腐蚀成分的定量检测奠定了基础．

2．4．2 纳米复合膜从青铜器文物表面去除方法的研究 由于文物本身的珍贵价值和艺术性，所以要求对文物的保护以及信息分析必须要遵循“保持文物原貌”的原则．在复合膜材料与被测体系完全作用之后，要将复合膜除去，减少其在保护工作中产生的二次破坏．在研究过程中我们选择无毒、价廉、对青铜器没有破坏作用的乙醇作为洗脱液．如图9a所示，当将复合膜涂覆于模拟青铜器表面，存在复合膜的青铜器表面有强烈的荧光，检测完成后用乙醇对青铜器表面的复合膜进行处理，可以看出青铜器表面基本无荧光（图9b），表明复合膜可完全从青铜器表面除去，实现了对文物的无损分析．

2．4．3 纳米复合膜在古铜币文物表面的应用研究对古铜币表面氯离子进行显微分析结果如图10所示．图a是被腐蚀的古铜币，当将纳米复合膜涂覆在古铜币上，在375nm紫外灯照射下观察到表面有比较明显的荧光（图10b），荧光纳米复合膜会随着溶剂的渗入而渗入到古铜币疏松的深层微结构中，荧光强度的变化如图10c所示，从图中可以看出古铜币表面呈现的荧光强度有所不同，原因是复合膜涂覆在古铜币表面使氯离子扩散出来，在氯离子含量相对高的地方，荧光促灭的比较严重；而氯离子含量相对少的地方，促灭不是很明显，存在较弱的荧光，根据复合膜荧光强度的不同对古铜币表面氯离子进行显微分析，在分析完成后用乙醇溶液除去纳米复合膜（图10d），实现无损分析．以上实验结果表明，我们所设计的具有荧光特性的纳米复合膜为测定青铜器腐蚀过程中氯含量的变化奠定了基础．

图9 复合膜与青铜器作用前（a）和洗脱后（b）的荧光显微成像图Fig．9 Fluorescence images of of bronze wares before（a）and after（b）solvent washing

图10 古铜币（a）与纳米复合膜相互作用（b）作用15min后（c）复合膜洗脱后（d）的效果照片Fig．10 The pictures of the copper coins before（a）and after treatment with nanocomposites（b）15min（c）and removal of the nanocomposites（d）

3 结论

制备了一种分析特性优异荧光纳米复合膜材料，该材料能有效的在青铜器文物表面成膜、无损传感青铜器文物表面超微空间中具有腐蚀活性的氯离子，且在分析完成后易于从文物表面除去，并成功的用于古铜币表面氯离子的显微分析．该荧光传感方法在实现青铜器无损分析方面具有很大的应用潜力，为文物表面化学成分原位、无损、实时分析提供了新方法．

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