基于铝酸盐类长余辉材料的Fe3+荧光探针

李珩鼎，申媛媛，李晓峰，安 燕，李雪莹，尹衍升

(上海海事大学 海洋科学与工程学院，上海 201306)

荧光探针作为一种检测手段，具有灵敏度高、选择性好、使用方便、信号易于观察和获取、便于实时监测等优点[1-3]，被广泛应用于化学分析、环境检测、生物医疗和工业探伤等领域[4-5].近年来，针对不同金属离子的荧光探针获得了很大发展，如Ag+、Cu2+、Hg2+、Al3+等[6-9].Fe3+在生命活动和金属腐蚀领域具有重要作用[10]，针对Fe3+的荧光探针具有重要的实际使用意义.边延江等[11]利用1-萘甲醛和2-氨基苯硫酚合成了一种Fe3+荧光探针，该探针可在纯二甲基亚砜中利用荧光淬灭现象检测出Fe3+.张媛等[12]基于罗丹明类染料制备了一种“开-关”型Fe3+荧光探针，这种探针可通过荧光强度和溶液颜色双信号检测出Fe3+，同时该探针具有良好的生物相容性，可用于生物体内的荧光成像.但是这些Fe3+荧光探针都需要在紫外或可见光的激发下工作，而探针检测的准确性常常受到光源和环境稳定性的影响.

长余辉发光材料可在光源停止激发后，利用自身存储的能量继续较长时间的发光[13].SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+是常见的长余辉发光材料，其在自然光照射下即可发出绿色磷光，并且经过激发后可保持20 h以上的余辉.此外，SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+的发射峰位于510 nm处，与罗丹明B的吸收峰有较好的重叠，这使两者间可能形成荧光共振能量转移[14].将长余辉材料作为内部光源应用于荧光探针，使探针不仅具有传统荧光探针在光源激发下的检测性能，而且具备在无光源激发条件下，利用探针余辉实现检测目的，从而避免光源对探针检测结果的影响和提高探针使用的便捷性.

本文在SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+颗粒表面包覆一层SiO2保护层[15]，通过硅烷偶联剂将其与罗丹明B连接构成一种新型荧光探针.采用扫描电镜观察其微观形貌，利用荧光光谱仪表征探针的光学性能，并研究了酸化处理对探针性能的影响以及探针在不同条件下的检测性能.

1 实 验

1.1 SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+的包覆改性

首先按体积比1∶4量取适量的TEOS和无水乙醇，并混合于一个烧杯内.然后用稀硝酸调节该混合液的pH值到1左右.将调节pH值后的混合溶液在水浴60 ℃的条件下加热1 h.按包覆比0.3称取适量的SrAl2O4∶Eu2+, Dy3+粉末.包覆比为TEOS中的SiO2含量与SrAl2O4∶Eu2+, Dy3+粉末的质量比.在磁力搅拌并且水浴60 ℃加热的条件下，将称量好的SrAl2O4∶Eu2+, Dy3+粉末加入到上述调节pH值后的混合溶液中，然后将适量去离子水加入反应体系中.保持磁力搅拌和水浴加热条件不变直到烧杯内形成凝胶.将形成凝胶后的烧杯静置陈化后置于电鼓风烘箱内，于60 ℃的条件下烘干.待样品烘干后，将所得样品在马弗炉中加热到300 ℃，保温2 h后取出并在空气中冷却.待样品冷却至室温后，将其研磨至粉末获得包覆SiO2的SrAl2O4∶Eu2+, Dy3+粉末样品.

1.2 探针的制备

称取制备SiO2包覆SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+样品，并将其分散于无水乙醇中.向上述溶液中滴加2 mL的硝酸.0.5 h后将含酸溶液离心分离出样品，并用无水乙醇溶液洗涤2次，获得酸化的SiO2包覆SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+样品.将所获得的样品分散于乙醇和去离子水的混合溶液中(乙醇和去离子水体积比1∶1).在磁力搅拌的条件下，向上述溶液中逐滴滴加硅烷偶联剂.接着将有机染料加入到此溶液中.在磁力搅拌的条件下反应0.5 h.反应结束后，离心获得样品，并用无水乙醇和去离子水分别洗涤2次.将离心产物放置于电鼓风干燥箱内，在80 ℃的条件下烘干，获得粉末状的荧光探针样品并收集备用.

1.3 样品的表征

采用日本电子株式会社的JSF 7 500F场发射扫描电子显微镜对探针的形貌进行观察，并用电镜配套的能谱对探针元素进行分析.采用英国爱丁堡仪器公司的FLS920型荧光光谱仪测定探针的荧光光谱，测试时采用360 nm的光源激发样品.

2 结果与讨论

2.1 探针的表征

如图1(a)所示，包覆SiO2的SrAl2O4∶Eu2+, Dy3+连接罗丹明B构成的探针粒径在几微米～几十微米.大部分颗粒的粒径在十几微米，有少部分几微米的颗粒和极少数大于20微米的颗粒.说明制备的探针粒径分布较为均匀，尺寸较小.图1(b)为图1(a)中某颗粒的电镜照片.该探针颗粒的粒径在10 μm左右，呈不规则的形状.其表面粗糙，表面分布着不规则的孔洞结构.对其部分表面进行能谱测试，测试结果如图1(c)所示.结果表明，该探针颗粒的表面成分除了SrAl2O4∶Eu2+, Dy3+所含有的Sr、Al、O、Si以外，还含有少量的C元素和N元素存在，这说明罗丹明B通过硅烷偶联剂连接在SrAl2O4∶Eu2+, Dy3+的表面上.

2.2 酸化处理的影响

图2 是SiO2包覆的SrAl2O4∶Eu2+, Dy3+酸化前后分别与罗丹明B连接的发射光谱.从图中可见，未经酸化处理的SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+与罗丹明B连接后，属于SrAl2O4∶Eu2+, Dy3+的发射峰略有蓝移.同时，样品在560 nm～650 nm内发射峰的形状与SrAl2O4∶Eu2+, Dy3+相同范围内的不同. 说明SrAl2O4∶Eu2+,

Dy3+和罗丹明B之间存在微弱的荧光共振能量转移.而经过酸化处理后，SrAl2O4∶Eu2+, Dy3+与罗丹明B连接后的发射光谱存在两个明显的峰.这说明酸化处理很大程度上提高了SrAl2O4∶Eu2+, Dy3+与罗丹明B连接的能力.酸化处理增加了SiO2包覆层表面的活性羟基数量，使更多的罗丹明B能够与SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+相连接，增加了荧光共振能量转移效率.

图1 探针的电镜照片(a)(b)及能谱数据(c)

Fig.1 SEM images of the fluorescent probe (a),(b), and its EDS data (c)

图2 SiO2包覆的SrAl2O4∶Eu2+, Dy3+酸化前后分别与罗丹明B连接的发射光谱

Fig.2 Fluorescence emission spectra of SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+connecting rhodamine B before and after acidification

2.3 探针对不同金属离子的响应

将SiO2包覆的SrAl2O4∶Eu2+, Dy3+连接罗丹明B构成的探针稀释于乙醇溶液中后，向溶液中滴加不同种类的金属离子(金属离子的浓度均为1 mmol/L)并分别测得其发射光谱.从图3中可以看到，滴加金属离子前的探针，具有2个明显的发射峰.2个发射峰的位置分别位于510和564 nm处，并且564 nm处的发射峰的强度比510 nm处的发射峰要略高一些.当含有Ni+的溶液被滴加到含有探针的乙醇溶液中后，探针的2个发射峰的强度发生变化，564 nm处的发射峰强度变得比510 nm处发射峰低一些，但2个峰在发射光谱中均较明显.与Ni+类似，向含有探针的乙醇溶液中滴加Fe2+后，564 nm处的发射峰也会有所降低但该处的发射峰仍较为明显.向含有探针的乙醇溶液中滴加Al3+后，564 nm处的发射峰降低程度较大但该处的发射峰仍较为明显.滴加Zn2+后的探针的发射光谱与未滴加金属离子的探针的光谱类似，两处发射峰的强度较为接近，基本相同.滴加Cu2+后的探针的发射光谱中的2个发射峰中，564 nm处的发射峰也会略有所降低.与滴加其他金属离子不同的是，Fe3+在滴加到含探针的乙醇溶液中后，探针的发射光谱在564 nm处发射峰强度有着显著地降低，并且远低于510 nm处发射峰的强度.

图3 罗丹明B型探针滴加不同种类的金属离子的荧光发射光谱

Fig.3 Fluorescence emission spectra of the probe with different kinds of metal ion

这说明SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+连接罗丹明B构成的探针对Fe3+具有很好的识别作用.并且与其他金属离子相比，探针对Fe3+的响应有着特殊的信号，即564 nm处的发射峰强度会有明显降低.这使得该探针能够检测溶液中的Fe3+.

从图4可以看出，多种金属离子都会导致F564 nm/F510 nm的比值降低.未滴加任何金属离子前，该比值为1.046，两个发射峰的强度大抵相同.Zn2+对该比值的影响最小，仅下降了13%.而Cu2+和Ni+对该比值的影响稍大一些，该比值分别下降了19%和21%.Al3+会使得该比值下降25.4%，Fe2+会使得该比值下降28.8%，其影响比Cu2+和Ni+都大一些.但是，这几种常见的金属离子导致的该比值下降程度均不超过30%.而Fe3+滴加后，该比值大幅下降，仅为0.607，说明此时SiO2包覆的SrAl2O4∶Eu2+, Dy3+和罗丹明B之间的荧光共振能量转移受到很大的阻碍.与滴加前相比，该比值下降达到42%，超过上述其他金属离子.因此，SiO2包覆的SrAl2O4∶Eu2+, Dy3+连接罗丹明B构成的探针对Fe3+有着很好的识别与检测作用，但在使用过程中应避免其他金属离子的干扰.

图4 滴加不同金属离子后含罗丹明B探针的乙醇溶液的发射光谱的2个发射峰比值

Fig.4 Ratios of two emission peaks of the probe with different kinds of metal ions

2.4 探针对不同浓度Fe3+的检测

为了研究SiO2包覆的SrAl2O4∶Eu2+, Dy3+连接罗丹明B构成的探针对Fe3+的检测范围，含不同浓度Fe3+的溶液被滴加到含探针的乙醇溶液中.从图5可以看到，未滴加铁离子溶液时的探针有2个明显的发射峰，分别位于510和564 nm处，且564 nm处的发射峰强度比510 nm处的发射峰强度略高.向该溶液中滴加浓度100 μmol/L的三价铁离子溶液后，发射光谱仍然有2个明显的发射峰，并且发射峰的位置没有明显变化.不同的是，564 nm处的发射峰强度于比未滴加铁离子前相比略有下降，并且此时564 nm处的发射峰强度低于510 nm处的发射峰强度.随着向含探针的乙醇溶液中滴加铁离子溶液浓度的升高，510 nm处的发射峰强度会略有降低，而564 nm处的发射峰强度会大幅降低，并在铁离子浓度达到1 mmol/L时下降到没有明显的发射峰出现.

图5 滴加不同浓度的三价铁离子溶液后的含探针的乙醇溶液的发射光谱

Fig.5 Fluorescence emission spectra of probe with different concentrations of Fe3+

从图6(a)可以看到，随着滴加的Fe3+浓度的增加，两个发射峰强度的比值F564 nm/F510 nm逐步降低.图6(a)中随着滴加的铁离子浓度从0～500 μmol/L的变化，2个发射峰强度的比值F564 nm/F510 nm的降低幅度大致相同，而铁离子浓度从500 μmol/L变化到600 μmol/L时，F564 nm/F510 nm的降低幅度明显变小.当铁离子浓度从600 μmol/L变化到1 mmol/L时，该比值的下降很少，1 mmol/L处的比值几乎与600 μmol/L处的比值持平.并且从6(b)可以看到，滴加的铁离子浓度从0～500 μmol/L时存在着线性关系；而当滴加的铁离子浓度增加到600 μmol/L后，该线性关系将不存在.因此，该探针可以利用此线性关系，定量地检测出溶液中100～500 μmol/L范围内的Fe3+的浓度.

2.5 利用探针余辉检测Fe3+

将制备的SiO2包覆的SrAl2O4∶Eu2+, Dy3+连接罗丹明B构成的探针分散在无水乙醇溶液中，并在360 nm光源的激发下测得其发射光谱.然后停止光源的激发，从停止激发的一刻起计时，分别测得停止激发后1、2和3 min的发射光谱.从图7可以看到，探针分散于无水乙醇溶液中后，在光源的激发下，其发射光谱有2个明显的发射峰，分别位于510和564 nm处.当停止光源的激发后，测得探针的发射光谱仍然具有两个明显的发射峰. 并且两个发射峰都没有发生蓝移或者红移. 但是停止光源的激发1 min后，探针发射光谱中的2个发射峰发光强度明显低于在光源激发的状态下测得的发射光谱中2个发射峰，发光强度仅为后者的1/10左右.这说明探针在光源停止激发后的余辉强度比探针在光源激发条件下的发光强度大幅下降.停止光源激发后，随着时间的延长，探针的发射光谱没有因为时间的变化而发生发射峰位置的变化，但发光强度不断降低.同时，探针在光源激发下和停止光源激发后的不同时间测得的发射光谱2个发射峰的强度比值F564 nm/F510 nm都在0.85左右，这说明探针分散于无水乙醇溶液中后，停止光源的激发对2个发射峰发光强度的比值影响不大.

图6 探针两个发射峰强度比值与滴加的Fe3+浓度关系

Fig.6 Relationship between ratios of two emission peaks of probe and concentrations of Fe3+:(a) Ratios of two emission peaks of probe with different concentrations of Fe3+;(b) Fitting linear relation of ratios of two emission peaks of probe

图7 探针分散于无水乙醇溶液中在光源激发下及停止激发后不同时间的发射光谱

Fig.7 Fluorescence emission spectra of probe dispersed in ethyl alcohol with and without exciting light

在停止光源的激发3 min后，测得探针余辉的发射光谱，然后向溶液中分别滴加浓度为500 μmol/L和1 mmol/L的Fe3+溶液并测得其发射光谱.如图8所示，滴加Fe3+前，探针的余辉的发射光谱具有2个明显的发射峰，分别位于510和564 nm处.而向溶液中滴加浓度为500 μmol/L Fe3+后，探针余辉的发射光谱与滴加Fe3+前相比明显不同，位于510 nm的发射峰强度略有减弱，而位于564 nm处的发射峰降低幅度较大，但发射峰仍较明显.探针余辉在滴加浓度为1 mmol/L Fe3+后，原本位于564 nm处的发射峰消失.这说明该探针能够利用其余辉定性的检测溶液中500 μmol/L以上浓度的Fe3+.

图8 探针分散于无水乙醇溶液滴加铁离子前后的余辉的发射光谱

Fig.8 Fluorescence emission spectra of probe without exciting light before and after injected Fe3+

图9为探针的结构及其检测机理示意图.一层SiO2包覆在SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+表面，罗丹明B通过硅烷偶联剂连接在SiO2包覆的SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+上.在光源激发下，由于FRET效应，SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+获得能量并传递给罗丹明B.停止光源的激发后，SrAl2O4∶Eu2+, Dy3+利用存储的能量继续发光，并将部分存储的能量传递给罗丹明B.当罗丹明B与Fe3+接触后，罗丹明B的结构发生变化，与SrAl2O4∶Eu2+, Dy3+间的FRET被破坏，罗丹明B不再获得能量发光，从而达到检测溶液中Fe3+的目的.

图9 探针的结构及作用机理示意图

Fig.9 Schematic diagram of the structure and mechanism of the probe

3 结 论

(1)罗丹明B能够与SiO2包覆的SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+连接并构成基于能量共振转移的荧光探针.对进行酸化处理能够显著提高罗丹明B连接SiO2包覆的SrAl2O4∶Eu2+, Dy3+效果.

(2)多种金属离子都会导致探针的2个发射峰的强度比值F564 nm/F510 nm降低，其中Fe3+引起的降低幅度远大于其他金属离子.

(3)该探针可以通过发射光谱中2个发射峰强度比值F564 nm/F510 nm的变化对100～500 μmol/L浓度范围内的Fe3+进行定量检测，对500 μmol/L以上浓度的Fe3+只能进行定性检测.探针余辉性能良好，利用探针的余辉可以定性地检测出溶液中500 μmol/L以上浓度的Fe3+.