光激发氧敏纳米纤维材料的制备及其性能*

陈美萍，姚纪文，李 蓉，卢雪峰,郭 亚

(1. 江南大学 生态纺织教育部重点实验室，江苏 无锡 214122； 2. 江南大学 物联网工程学院，江苏 无锡 214122)

0 引 言

溶解氧的检测在医学、水产养殖及日常生活中具有极其重要的作用。例如对于水产养殖行业而言，水中溶解氧含量降低会导致鱼虾类运动量减少，生命活力下降；而当水解氧含量过高时，水中鱼虾可能会氧气中毒而大量死亡，从而导致大量减产，造成经济损失[1].因此，寻找一种简单高效、精准度高的溶解氧测定方法有着重要的意义。

溶解氧测定方法主要有碘量法、目视比色法、电化学分析法、分光光度法、色谱分析法和荧光法等[2-9]。其中，荧光法凭借其安全、稳定性高、测定效率高、灵敏性好、测定结果精准度高、能实时监测等特点，在众多溶解氧测定方法中脱颖而出，成为了测定溶解氧的主要方法[10-12]。蒋亚琪等[13]制备了包含荧光指示剂的溶胶-凝胶氧传感膜，发现[Ru(dpp)3]2+作为荧光探针，将有助于制备对氧响应灵敏的氧传感膜。Haoran Zhang等[14]通过化学键将荧光指示剂固定在硅烷偶联剂上，继而制备出具有响应速度快、灵敏度高等优点的溶解氧传感膜，且使用过程中不发生指示剂泄露。Manohar Prasad Koduri等[15]以F127为模板，制备出氧敏纳米颗粒，用于测试细胞中的氧浓度梯度，该纳米颗粒可在海藻酸盐水凝胶球体中使用5天以上。

增加氧敏传感器的的比表面积有利于提高其灵敏度[16-18]。近年来，科研工作者尝试增大氧敏传感器的比表面积，如将其制备成多孔薄膜、纳米微球等，但纳米微球在环境中难以回收利用，造成资源的浪费和环境的二次污染。基于此，本论文将氧敏荧光指示剂Ru(dpp)3Cl2掺杂到二氧化硅纳米粒子中，再与醋酸纤维素混合，采用静电纺丝技术得到蓝光激发氧敏纳米纤维材料。通过扫描电镜、透射电镜等对掺杂后的纳米二氧化硅颗粒进行表征，采用扫描电镜观察纳米纤维材料的微观结构，测试了纳米纤维材料在不同溶解氧浓度下的荧光强度变化。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

三(4,7-联苯-1,10-邻啡啰啉)二氯化钌购于上海百灵威科技有限公司，其结构如图1所示，其他材料和溶剂购于国药集团。

图1 Ru(dpp)3Cl2的分子结构式Fig 1 Chemical structure of Ru(dpp)3Cl2

JEM-2100型透射电镜，日本JEOL公司；TM3030扫描电子显微镜，日本日立有限公司；荧光分光光度计，美国Perkin Elmer公司；紫外分光光度计，岛津(中国)有限公司。

1.2 氧敏指示剂掺杂纳米二氧化硅颗粒的合成

采用改进的Stober方法[19]合成掺杂荧光指示剂的纳米二氧化硅颗粒，具体过程如下：在250 mL烧杯中加入150 mL乙醇、12 mL 25%氨水及15、30、45和60 mg Ru(dpp)3Cl2，在室温下搅拌10 min使其完全溶解。将6 mL TEOS，逐滴加入到上述体系中并在室温下搅拌24 h。反应完毕后，采用高速离心机在6 000 r/min的转速下离心15 min，用去离子水和乙醇对沉淀进行重复洗涤5～6次，直至离心液无色透明，得到蓝光激发氧敏指示剂掺杂纳米二氧化硅颗粒，将合成产物分别标记为SiO2-15、SiO2-30、SiO2-45和SiO2-60。将纳米二氧化硅颗粒放入烘箱中干燥，以备后续使用。

1.3 氧敏纳米纤维材料的制备

将醋酸纤维素溶于体积比为2∶1的丙酮/DMF溶液中配置成10%的醋酸纤维素溶液，再在上述溶液中加入100 mg蓝光激发氧敏指示剂掺杂纳米二氧化硅颗粒，室温下搅拌使纳米粒子均匀分散在溶液中。控制接收距离为16 cm，注射泵的推进速度设置为0.5 mL/h，电源电压设置为20 kV，进行静电纺丝，得到蓝光激发氧敏纳米纤维材料，分别标记为SiO2-15/CA、SiO2-30/CA、SiO2-45/CA和SiO2-60/CA。

1.4 测试与表征

1.4.1 紫外光谱

将蓝光激发氧敏指示剂掺杂纳米二氧化硅颗粒与Ru(dpp)3Cl2分别分散到乙醇和水为1∶1的溶液中，使用紫外分光光度计测试紫外光谱，测试范围为200～900 nm。

1.4.2 表面形态分析

蓝光激发氧敏指示剂掺杂纳米二氧化硅颗粒的形态采用透射电镜及扫描电镜进行观察，主要表征其形态、粒径大小、分散情况等。蓝光激发氧敏纳米纤维材料的形态、连续性及尺寸均匀性采用扫描电镜观察。

1.4.3 表面元素分析

蓝光激发氧敏指示剂掺杂纳米二氧化硅颗粒的表面元素采用EDS进行定性分析，分析Ru(dpp)3Cl2与二氧化硅粒子的掺杂情况.

1.4.4 溶解氧测试

将蓝光激发氧敏纳米纤维材料固定在流通池中，通过流量控制器控制氧浓度，以450 nm蓝光作为激发光照射到纳米纤维材料上，测定其荧光强度，记录不同氧浓度下的峰值。

2 结果与讨论

2.1 蓝光激发氧敏指示剂掺杂纳米二氧化硅颗粒的表征

2.1.1 紫外光谱

Ru(dpp)3Cl2和Ru(dpp)3Cl2掺杂纳米二氧化硅颗粒(SiO2-15)的紫外光谱如图2所示。从图2可知，Ru(dpp)3Cl2和Ru(dpp)3Cl2掺杂纳米二氧化硅颗粒的紫外光谱吸收谱图相似，均在450 nm附近出现吸收峰，由此可以看出，Ru(dpp)3Cl2已经成功掺杂到纳米二氧化硅颗粒中。同时，选择450 nm的激发光源作为后续溶解氧测试的激发光。

图2 Ru(dpp)3Cl2和SiO2-15的紫外吸收光谱Fig 2 UV-Vis spectra of Ru(dpp)3Cl2 and SiO2-15

2.1.2 形貌分析

Ru(dpp)3Cl2掺杂纳米二氧化硅颗粒的合成过程中仅Ru(dpp)3Cl2的添加量不同，因此仅选取其中一个样品(SiO2-15)进行TEM和SEM测试，观察其形态、粒径大小、分散情况，得到的结果如图3所示。由图3可知，Ru(dpp)3Cl2掺杂纳米二氧化硅颗粒外观圆润，呈规则球形，粒径分布较为均匀，大约为200 nm左右，粒子之间无团聚现象，分散性良好。

图3 SiO2-15的TEM(A)和SEM(B)图像Fig 3 TEM and SEM images of SiO2-15

2.1.3 表面元素分析

Ru(dpp)3Cl2掺杂纳米二氧化硅颗粒采用EDS进行分析，结果如图4所示。从图中可以看出，Ru(dpp)3Cl2中C、Ru、N、Cl等元素均匀地分布于纳米二氧化硅颗粒的表面，说明Ru(dpp)3Cl2均匀地掺杂于纳米二氧化硅颗粒中，同时还含有二氧化硅主体中的Si、O元素。EDS测试中，样品面扫描图像颜色越亮代表其含量越高，其色彩分布代表的是元素的分布密度。从图像中也可以看出，O元素图像最亮，Si元素次之，而C、Ru、N、Cl元素图像则相对较暗，说明掺杂后的纳米二氧化硅颗粒中Ru(dpp)3Cl2的含量相对较少。

图4 SiO2-15的EDS表面元素分析图像Fig 4 EDS images of SiO2-15

2.2 蓝光激发氧敏纳米纤维材料的SEM

传统的氧敏传感膜为平面膜结构，其比表面积较小，并不利于氧与Ru(dpp)3Cl2的充分接触，其对氧的响应能力也降低。而微纳纤维结构赋予纳米纤维薄膜较大的比表面积，便于氧与纳米纤维薄膜中的Ru(dpp)3Cl2接触，从而提高纳米纤维薄膜的氧敏感性。SiO2-15/CA、SiO2-30/CA、SiO2-45/CA和SiO2-60/CA的扫描电镜图如图5所示。制备的纳米纤维材料呈明显的纤维结构，伴有少量颗粒结构，可能是由未完全分散的SiO2颗粒团聚而成。从图中还可以观察到，纤维尺寸相对均匀，大约在几百纳米到几微米之间，纤维之间混乱交织形成薄膜。

图5 纳米纤维材料的SEM图(A)SiO2-15/CA；(B)SiO2-30/CA；(C)SiO2-45/CA；(D)SiO2-60/CAFig 5 SEM images of SiO2-15/CA (A), SiO2-30/CA (B), SiO2-45/CA (C) and SiO2-60/CA (D)

2.3 蓝光激发荧光光谱

为了研究所制备的蓝光激发氧敏纳米纤维材料能否被蓝光有效激发，选择450 nm的蓝光作为激发光源对SiO2/CA进行照射，测定其荧光光谱，结果如图6所示。从图6中可以看出，经过蓝光激发后，SiO2/CA纳米纤维分别在610和710 nm左右出现较强的荧光。根据文献报道，荧光指示剂Ru(dpp)3Cl2在450 nm激发光下仅在600 nm附近出现荧光。与文献值比较，本论文中的反射峰出现了红移现象，该现象可以用表面成核机理和生长动力学来解释[20]，荧光指示剂Ru(dpp)3Cl2由于掺杂在SiO2颗粒中，这使得光电子的传播途径发生了变化，导致其荧光发生红移。此外，从图中还可以看出，在710 nm附近也出现了较强的荧光。这可能是因为所合成的二氧化硅纳米粒子与荧光指示剂之间发生等离子表面共振，而这种现象能对荧光产生增强效果，同时，许多物质在700 nm附近都有荧光。

图6 450 nm激发光下SiO2/CA的荧光光谱Fig 6 The fluorescence spectra of SiO2/CA stimulated by 450 nm excitation light

2.4 溶解氧测试

2.4.1 温度的影响

选择自来水作为水样，根据调节水温来改变水中溶解氧含量，水中溶解氧含量随温度提高而下降。以450 nm蓝光作为激发光，选取SiO2-15/CA，测定其在不同水温下的荧光强度，结果如图7所示。由图7可知，在不同水温下，纳米纤维材料的荧光强度不同，荧光强度随着水温升高而增大。这是因为水温升高，其溶解氧含量降低，从而减少了氧导致的荧光猝灭，荧光强度随之增大。由此可以得出，所制备的氧敏纳米纤维材料对氧具有良好的响应，且可以在较为广泛的温度范围内使用。

图7 不同水温下SiO2-15/CA在450 nm激发光下的荧光光谱Fig 7 The fluorescence spectra of SiO2-15/CA stimulated by 450 nm excitation light under different temperature

2.4.2 氧浓度的影响

溶解氧含量与荧光强度的关系可以用Stern-Volmer方程[21]来表示：

I0/I=τ0/τ=1+KC

(1)

式中I0表示无氧条件下的荧光强度，I表示有氧条件下的荧光强度，τ0表示无氧条件下的荧光寿命，τ表示有氧条件下的荧光寿命，C表示溶解氧浓度，K为常数，与荧光物质性能有关。

控制水样中溶解氧浓度，测定样品在各氧浓度下的荧光强度峰值。根据式(1)，以I0/I为纵坐标，C为横坐标，作图得到的结果如图8所示，并得出线性回归方程的相关系数R2。由图8可知，所制备的氧敏纳米纤维材料在所选择的氧浓度范围内均具有很好的响应效果，且相关系数R2均大于0.99，说明其精确度较高，可适用于较大的氧浓度范围的检测。

图8 纳米纤维材料的荧光强度与溶解氧浓度的关系Fig 8 The relationship between fluorescence intensity and concentration of oxygen for nano fibers

3 结 论

采用改进的Stober方法将Ru(dpp)3Cl2成功地掺杂到纳米二氧化硅颗粒中，并对其形态和表面元素进行了分析。将制备的纳米颗粒与醋酸纤维素共混后采用静电纺丝法制备出蓝光激发氧敏纳米纤维材料，该材料在450 nm的激发光下，在610 nm附近有明显的荧光性质，且其荧光强度与水溶液中的弄浓度呈线性关系，表明该纳米纤维材料可被蓝光有效激发，且氧敏性好，可在较宽温度及氧浓度范围内有效检测溶液中的溶解氧。