荧光探针技术在金属初期腐蚀检测中的研究进展

刘 蔚,刘 斌,徐大伟,石泽耀

(北京化工大学 材料科学与工程学院 材料电化学过程与技术北京市重点实验室，北京 100029)

腐蚀是金属在周围环境介质作用下发生破坏的一种现象，其本质是金属界面上发生化学或电化学反应，使金属转入氧化(离子)状态。早期腐蚀远超出肉眼能够观察的范围，当肉眼可观察到腐蚀现象时，例如锈迹、腐蚀坑等，说明腐蚀已经发展到一定程度，并造成了一定程度的破坏[1]。如果金属结构发生腐蚀却未能及时发现，则可能对金属结构产生严重的破坏，进而引发各类事故。因此，对金属腐蚀尤其是初期腐蚀进行及时、准确的检测，可大幅降低腐蚀故障，提高金属结构的安全性，减少直接和间接经济损失，降低腐蚀维护成本[2]。

近年来，荧光探针由于具有独特的光致发光特性，在很多学科领域得到了广泛的应用，包括生物成像、环境检测、聚合物的性质研究等[2-4]。与传统的色谱、电化学、化学发光和流动注射分析等技术相比，荧光探针为实现快速、高灵敏度、无损和原位检测开辟了新的途径。性能得到不断改善的各种荧光基团，包括有机分子、半导体量子点(QDS)、碳量子点(CQDS)、金属纳米团簇等，可用于检测金属离子Al3+、 Fe3+。与传统的失重法、电化学、噪声、X射线法、超声导波等腐蚀检测方法相比，荧光探针可检测初期腐蚀，且具有原位、直观、灵敏度高等特点。因此，作为一种新型、灵敏度高的初期无损腐蚀检测方法，荧光探针技术被应用于铝合金、钢铁的腐蚀检测中[5-7]。荧光探针通过与腐蚀生成的金属离子或H+/OH-离子结合所产生的荧光信号变化来指示腐蚀的发生。另外，荧光增强信号比荧光减弱信号更易观察，所以在腐蚀区域应用荧光增强探针好于荧光猝灭探针。

1 荧光探针的构成及其检测机理

1.1 荧光探针的构成和分类

荧光探针的构成可以简单分为三个部分：第一部分称为识别基团(recognition)，起到识别作用；第二部分称为荧光基团(fluorophore)，用来传递信息即信号系统(signal system)；第三部分称为连接基团(spacer)，用来连接以上两者。当荧光分子与被测物作用后,通过连接基团把这一信息传递给荧光基团，荧光基团获得响应，使得荧光信号发生变化。用荧光分析被测物时，识别基团和被测物接触后，光物理性质被影响，从而使荧光基团输出的荧光信号发生变化，如荧光强度的减弱或增强、荧光光谱的红移或者蓝移、荧光寿命的改变等，通过这些变量实现识别和检测被测物[8]。

荧光探针的分类有多种方法。按照荧光基团的作用，可将其划分为两种类型，即：荧光增强探针和荧光减弱探针。当分子中含有较大的共轭体系，分子结构具有较好的平面性和刚性,分子中含有与共轭体系直接相连的供电子基团时，可形成荧光增强探针。而分子中仅含与共轭体系直接相连的吸电子基团或者含有可能导致荧光猝灭的基团时，可形成荧光减弱探针。如果按照荧光探针的组成，可将其分为传统的小分子荧光探针、量子点荧光探针、聚合物荧光探针等，它们的应用领域各不相同。

1.2 光诱导电子转移(PET)机理

PET体系是一个可以选择性识别客体同时又有光信号变化的超分子体系，它通过连接基团连接包含电子供体的识别基团和荧光基团而构建。PET荧光探针的荧光基团与识别基团存在光诱导电子转移，对荧光有很强的猝灭作用[9]。这种探针在没有结合目标物质之前，荧光很弱甚至不发射荧光，一旦识别基团与被测物质结合，光诱导电子转移作用就会受到了抑制，甚至完全被禁止，使荧光基团发出强烈的荧光。马国春[10]设计、合成了萘酰亚胺类的PET荧光探针用于检测金属离子，通过光谱滴定验证了它是一个良好的Fe3+选择性荧光分子探针，由于Fe3+的加入，PET效应受到了阻断，使得荧光增强。

1.3 分子内电荷转移(ICT)机理

分子内电荷转移机理(ICT)也称为光诱导电荷转移(PCT)机理。ICT荧光分子探针的荧光基团与识别基团直接连接，推电子基和吸电子基、荧光基团共轭相连。在光激发的情况下，电荷从供体向受体转移，荧光基团所处的微环境变化使得荧光光谱发生Stokes位移。ICT荧光探针的识别基团与受体结合时，会增强或者减弱分子内的电荷转移，从而导致荧光光谱的强度和位移发生变化。荧光光谱随着吸收光谱变化的方向而变化，位移的改变也会影响荧光的产率和寿命。

1.4 荧光共振能量转移(FRET)机理[11-14]

荧光共振能量转移(FRET)是一种非辐射能量转移，激发的供体荧光基团可通过电子偶极间的相互作用将能量转移到附近的受体荧光基团，被激发的受体可以通过发射光子(荧光)返回其基态。为了使能量有效转移，供体的荧光发射光谱必须与受体的激发光谱重叠,同时两个分子必须保证一定的距离(通常<10 nm)。另外，供体分子与受体分子作用时的向量必须满足一定条件。

1.5 激发单体-激基缔合物机理

当两个相同的荧光基团连接到一个受体分子的合适位置时，其中一个被激发的荧光基团就会和另一个处于基态的荧光基团形成分子内激基缔合物，其发射光谱不同于单体发射光谱，是一种强而宽且没有精细结构的发射峰。荧光基团间的距离是激基缔合物形成和破坏的关键，所以形成这种激基缔合物需要激发态分子与基态分子达到约35nm的“碰撞”距离，可以利用分子间的作用力改变荧光基团间的距离，以此达到合适的“碰撞”距离[15]。

1.6 螯合增强荧光(CHEF)机理[16-18]

螯合增强荧光机理是指，通过荧光基团上的N、O、S等杂原子与金属离子络合阻止主体分子的光诱导转移过程，使荧光基团发出荧光，实现对金属离子的识别。基于CHEF原理的荧光探针识别过程与PET型荧光探针相类似，由荧光基团、连接基团和识别基团三部分组成。荧光基团大多是含有大共轭结构的体系，例如萘、蒽、芘等。

2 荧光探针在铝合金初期腐蚀检测中的应用

相比于其他合金，铝合金具有密度小和耐蚀性好等特性，广泛应用于船舶和飞机的结构构件。常用的铝合金腐蚀检测方法有电阻传感器、石英晶体微天平技术、电化学传感器等，但这些方法大多操作繁琐且成本较高。关于荧光探针检测铝合金初期腐蚀的方法可以分为两种：一种是根据阴极pH变化产生响应，通过荧光探针与H+和OH-形成发光物质来判断腐蚀程度[19]；另一种是利用腐蚀过程中阳极生成的Al3+与荧光探针的某些基团结合形成螯合物，Al3+含量增加,荧光增强，据此来判断腐蚀程度。目前，比较常见的荧光探针是8-羟基喹啉(8-HQ)，它对Al3+有较好的吸引力。当它与Al3+结合，形成一种铝离子的三配体螯合物8-羟基喹啉铝，可在紫外灯下观测到荧光[20]。

2.1 pH响应型铝合金荧光探针

BÜCHLER等[21]使用荧光染料桑色素、槲皮素研究了6061铝合金在0.1 mol/L KCl溶液中的腐蚀行为。结果表明,在短时间内，可通过荧光显微镜观察荧光环的产生，进而检测到阳极溶解点处的阳离子，即腐蚀点的位置。该研究验证了荧光探针对于裸露金属初期腐蚀检测的可行性，在此基础上，一些研究者也陆续开展了更具实用性和创新性的工作。

随着金属防护涂层的研制与应用，荧光探针不仅被用于检测裸露金属的早期腐蚀，也开始被用于丙烯酸或者环氧树脂涂层覆盖金属的初期腐蚀检测。刘建华等[22]将酸性染料类的荧光探针加入到有机硅丙烯酸清漆中，然后涂覆在LC4铝合金基材表面，通过阳极pH升高导致的荧光强度变化，检测铝合金初期腐蚀的位置，同时间接显示了腐蚀引起的形貌变化。他们采用恒电流极化法测量从开始施加电流到出现荧光这段时间所通过的电量，再利用法拉第定律求得腐蚀微孔的半径，结果表明该荧光探针可检测的最小平均微孔半径为44.82 μm。有些研究者尝试在铝板的环氧底漆中使用pH响应型荧光探针，但该探针过早地产生了荧光，原因在于荧光探针与涂层的胺基固化剂之间过早发生了化学反应，导致荧光探针电离[23-24]。尽管pH响应型荧光探针在透明丙烯酸和聚氨酯涂层系统中的应用效果较好，但在其他涂层体系中组分之间的反应可能会造成过早产生荧光，因此该类荧光探针在其他涂层中的稳定性还有待进一步研究。

AUGUSTYNIAK等[25-26]发现螺旋[1H-异吲哚-1,9-[9H]黄原胶]-3(2H)-1,3,6-双(二乙胺)-2-[(1-甲基乙二胺)氨基](简称FD1)的荧光会随着pH的降低而显著增强，可作为pH响应型荧光探针。而且，FD1没有能与环氧树脂涂料所用固化剂反应的官能团，可以避免探针在环氧树脂涂料中应用时过早产生荧光的问题。用手持紫外灯照射铝板表面含有FD1的环氧树脂涂层，就可以很容易地发现发出明亮橙色荧光的点蚀区域。该检测过程是无损的，不会对涂层造成破坏。

SIBI等[27-28]将荧光试剂探针掺杂在涂覆于2024 T3铝合金表面的环氧树脂/聚酰胺底漆中，在0.5 mol/L NaCl腐蚀环境中，通过荧光显微镜观察腐蚀溶液的荧光发射强度变化，间接研究了环氧树脂/聚酰胺保护涂层下铝合金的腐蚀行为。在腐蚀初期，随暴露时间的延长，腐蚀溶液的荧光发射强度逐渐增强，但这种变化趋势在4周后由于Al(OH)3的形成而变缓。这也说明，形成的氢氧化铝可以作为铝合金的保护膜抑制腐蚀的进一步发展。

2.2 其他类型铝合金荧光探针

近年来，基于Al3+形成螯合物使荧光增强这一机理的荧光探针也被应用于铝合金的早期腐蚀检测研究中。刘建华等[29]利用7-羟基香豆素作为荧光探针，通过荧光斑点的显现时间分析不同含量荧光探针的响应情况，指出了涂层中荧光探针的掺杂含量与腐蚀检测的灵敏度相关。高立新等[30]将合成的喹啉-2-甲醛作为荧光探针，该荧光探针是一种没有荧光出现的平面分子结构，其分子中含有的-CHO官能团可能导致荧光猝灭,基于螯合增强荧光(CHEF)效应，当铝合金发生腐蚀时,产生的Al3+和喹啉-2-甲醛形成螯合物,可以打开荧光。同时,通过电化学噪声和电化学阻抗验证了此时腐蚀的发生。

鞠鹏飞等[31]将8-羟基喹啉等物质作为荧光探针，研究了其对涂层下Al3+的荧光响应。8-羟基喹啉作为荧光探针的检出限较低，在荧光点直径约为20 μm即有响应。将8-羟基喹啉掺杂在溶胶凝胶/环氧树脂双涂层体系的上层涂层中也可实现对腐蚀的检测，但是由于双涂层体系的物理阻隔性能好，监测的灵敏度会受到影响。该研究结果进一步证实了8-羟基喹啉对铝合金早期腐蚀的监测作用，因为8-羟基喹啉具有大共轭键的平面刚性结构，在紫外线的照射下会发出能被观察到的一定强度的荧光。同时，该研究还分析了8-羟基喹啉在环氧树脂涂层中的适应情况，有利于进一步开展荧光探针在涂层中稳定性的研究。

3 荧光探针在钢初期腐蚀检测中的应用

钢是工业上应用较为广泛的金属材料之一。长期以来，研究人员致力于钢初期腐蚀检测方法的突破，荧光探针作为一种新型、高效的检测方法具有一定的应用前景[32-33]。根据荧光效应，检测金属铁离子的荧光探针可分为两种类型，即荧光猝灭探针和荧光增强探针。用于检测水溶液中铁离子的荧光探针大多为荧光猝灭探针，在生物领域应用较为广泛。钢腐蚀时，能被观察到的荧光猝灭现象不是很明显，而可与亚铁或铁离子形成复合物的荧光增强探针在钢腐蚀检测中具有较好的应用效果。涂层中掺杂荧光探针后，钢未发生腐蚀时荧光处于关闭状态，一旦钢发生微弱的腐蚀，腐蚀生成的铁离子与荧光探针的某种基团结合而打开荧光。在金属腐蚀的初期，就可明显观测到荧光探针的指示，相比于其他检测方法，荧光探针法更为灵敏，有利于提早采取防护措施。荧光探针在钢初期腐蚀检测中的应用比在铝合金中的起步晚，还有待进一步的深入研究。

3.1 罗丹明类钢荧光探针

罗丹明类荧光探针具有羧基，羧基可与伯氨反应生成独特的五元环内酰胺结构。该结构使罗丹明在闭环的时候几乎不会产生荧光，只有当识别基团与金属离子发生作用使内酰胺键断裂形成稳定的刚性共轭结构时，才会产生强的荧光，故该类荧光探针常用于生物学、分析化学和医学等领域的离子检测[34-35]。在可见光区，罗丹明类化合物具有吸收系数高、荧光范围广、荧光量子产率高、光稳定性好等优点[36]。罗丹明的主要改性方式是，使用合适的连接基团将含有N、O、S等杂原子的识别基团与罗丹明类的荧光基团母体相连，其关键在于选择含有合适基团的配体。同时，荧光探针的设计要考虑多方面的因素，包括对特定离子的高选择性、水溶性、抗其他离子的干扰性及稳定性等。DUJOLS等[37]在1997年设计合成了基于罗丹明分子的荧光探针，其荧光团衍生物中存在某种特定的识别基团，当识别基团与金属离子结合可以使荧光增强。该荧光探针在罗丹明类化合物的发射波长下具有很高的选择性和信号强度。这是关于罗丹明类荧光探针在金属离子检测中应用的较早研究，此后越来越多的研究者将其用于金属离子的检测。由于Fe3+具有顺磁性，大多用来检测Fe3+的荧光探针都是荧光猝灭型的，这不利于早期腐蚀的观测，而罗丹明类荧光探针在接触Fe3+后可产生荧光增强效应，使其在钢初期腐蚀检测方面得到了广泛关注[38]。

国内一些学者相继开展了罗丹明类荧光探针在钢初期腐蚀检测中的研究。ZHANG等[39]研制了一种以罗丹明为基础的荧光化合物螺杆[1H-异吲哚-1,9-[9H]黄原胶]-3(2H)-1,6-双(二乙胺)-2-[(1-甲基乙二酮)-氨基](简称RB1)，并用于检测3% NaCl溶液中耐高温钢的腐蚀。结果表明，RB1在Fe3+存在时表现出荧光发射开启，腐蚀质量损失和荧光强度呈正相关。孟宇等[40]采用罗丹明B与水合肼反应，制备了能够在酸性介质中检测20钢腐蚀情况的罗丹明B酰肼(简称RHBH)。在HCl溶液中，RHBH显示为无荧光或弱荧光，当溶液中存在Fe3+时，闭环被打开形成螯合物而产生荧光[41]，因此RHBH对Fe3+具有很好的荧光识别能力。朱力华等[42]将负载罗丹明B酰肼的氧化锌微球加入环氧树脂中制成复合涂层，涂覆了该复合涂层的Q235碳钢在浸泡12 h后，在其划痕处及划痕周围均能观测到荧光，这表明腐蚀从划痕处向四周扩展，该结果与光学显微镜观测到的腐蚀产物形貌一致。赵贵征等[43]通过合成的罗丹明类荧光探针FD1二[N，N′-双(罗丹明B)内酰胺-乙基]胺对T91钢进行了检测，结果表明钢的腐蚀质量损失与溶液的荧光强度呈正相关。以上研究结果表明，罗丹明类荧光探针对钢的腐蚀产物Fe3+响应灵敏，可检测到钢的初期腐蚀行为，且荧光强度与腐蚀程度存在相关性。

目前，一些新合成的罗丹明类荧光探针被用于水溶液中Fe3+的检测。CHEN等[44-45]通过在羟化罗丹明(罗丹明羟胺)中引入乙酰保护和无乙酰保护的D-葡萄糖基团合成了两种探针RDG1和RDG2；KUANG等[46]通过二氧化硅嵌入的CdTe量子点与罗丹明衍生物结合形成荧光传感器；WU等[47]合成了基于罗丹明B骨架、以2个甲氧苄胺和2个噻吩乙胺作为特异性识别基团的两种荧光探针，它们均表现出优异的Fe3+选择性，具有在不同环境中检测碳钢早期腐蚀的应用前景。

3.2 其他类型钢荧光探针

除了罗丹明类荧光探针，还有一些对铁离子敏感的荧光探针被应用于碳钢初期腐蚀的检测。对pH敏感的荧光探针可以用于检测碳钢腐蚀后阴极区产生的H+，进而通过荧光变化来指示该区域发生的腐蚀。LIU等[48]利用一种pH敏感型荧光染料5，6-羧基荧光素(简称56CF)对304不锈钢表面局部腐蚀产生的H+进行原位检测。钢腐蚀过程中产生的H+会引起腐蚀坑内荧光强度变化,他们以此为信号指标，通过测量凹坑处的局部荧光强度，量化以局部H+含量表示的腐蚀速率。该方法具有亚微米级的分辨率，实现了对小于1 μm腐蚀坑的识别。

研究人员将荧光探针掺入丙烯酸涂层或环氧树脂涂层中，进一步拓展了荧光探针技术在涂层下钢早期腐蚀检测中的应用。DHOLE等[49]将5-丙烯酰胺-1,10-菲罗啉(简称AMP)作为荧光探针掺杂到丙烯酸涂层中对其进行化学改性，将改性后的丙烯酸涂层涂抹在钢板上，在3.5% NaCl溶液中浸泡9 d后，涂层上出现一些变色点，同时紫外可见光谱在359 nm处出现附加峰，这说明改性聚合物-铁(II)络合物已经形成。同时，他们利用电化学阻抗谱(EIS)及扫描电镜(SEM)对金属表面电阻及形貌进行了分析，证实了变色点是腐蚀部位，验证了AMP作为荧光探针的可行性。ROSHAN等[50]成功利用8-羟基喹啉(8-HQ)检测到腐蚀过程中生成的Fe2+/Fe3+离子，将8-HQ掺入环氧树脂基体，当8-HQ与涂层前驱体混合时，不会表现出过早的荧光，只有当8-HQ与阳极反应生成的Fe2+/Fe3+离子螯合后才能启动荧光，通过荧光显微镜可以在阳极反应生成Fe2+/Fe3+离子的区域观察到荧光。

HU等[51]以碳量子点为基础，设计合成了一种比率型荧光探针。首先，以乙二醇为碳源，采用水热法制备了对Fe3+有荧光响应的碳量子点(CQDs)；然后，将CQDs与罗丹明B (RhB)分子混合，制备出RhB@CQDs传感器。RhB分子吸收来自能量供体CQDs激发态的能量，增强了荧光发射的强度。CQDs和RhB分子的激发态能量优先迁移到Fe3+离子上进行弛豫，从而阻断了FRET过程，抑制了RhB分子某些固有的荧光发射。因此，RhB@CQDs传感器结合了CQDs和RhB对Fe3+检测的优势，获得了较高的灵敏度和选择性。

4 结束语

荧光探针技术作为一种新型的金属初期腐蚀检测技术，可较为灵敏地检测到金属腐蚀的萌生，有利于及时发现腐蚀并采取有效措施,防止腐蚀的进一步扩展。相比于其他金属早期腐蚀检测方法，荧光探针法更直观、灵敏度高，且可以原位观测荧光强度，以了解金属早期腐蚀程度，是一种较为简便的无损检测方法，在金属初期腐蚀检测领域具有较为明显的技术优势。近年来，国内外研究人员在利用荧光探针技术检测铝合金和碳钢的腐蚀方面取得了一定的进展，但是在其他金属腐蚀检测方面的研究则相对较少。另外，荧光探针技术在金属腐蚀检测方面，仍存在荧光材料在涂层中的稳定性和分散性较差等不足[52-53]。为了进一步加快荧光探针技术在金属初期腐蚀检测领域的应用，应重点解决荧光材料与涂层结合的分散性、螯合物稳定性以及荧光持久性等难点问题，同时还应进一步拓展荧光探针技术在其他类型金属材料初期腐蚀检测中的应用。随着荧光探针技术问题的不断深入研究，及其在相关领域的不断拓展，荧光探针技术在金属初期腐蚀检测领域将具有更为广阔的应用前景。