基于光子晶体的硝化甘油荧光传感器的制备

刘占芳，张冠男，孙振文，胡 灿，周 红， 乔 婷，李 露，朱 军,*

（1.公安部鉴定中心，北京 100038；2.陕西科技大学，西安 710021）

硝化甘油（nitroglycerine，NG），又名三硝酸甘油酯，可用于制造猛炸药和火药。由于机械感度过高，以它为基础的炸药爆炸威力较大，同时它也是枪弹发射药和炮弹推进剂不可缺少的重要组分。目前，在法庭科学领域，硝化甘油的测定方法主要有气相色谱-质谱法和液相色谱-质谱法[1-3]，然而由于其爆炸完全、热敏性较高且极易挥发，现有实验室检验技术难以满足案件现场勘验的需要。

近年来，荧光检测技术因具有灵敏度高、选择性好、响应速度快、稳定性高以及操作简单等优点，在爆炸物检测领域受到了研究者的广泛关注[4]。为了实现案件现场爆炸残留物的快速勘查检测，必须进一步提高荧光探针的检测灵敏度。当前文献报道中，提高荧光检测灵敏度的方法主要包括荧光探针的结构修饰和采用特殊的检测基底两种方式[5]。光子晶体，又被称为光子带隙材料，它的本质是通过至少两种介电材料的周期性排列而对特定波长光的传播起到选择性阻碍或者限域作用[6-7]。光子晶体使人们操纵和控制光子的梦想成为可能，这使得光子晶体具有巨大的理论意义和实际应用价值[8-12]。目前，光子晶体在传感器、光纤、光波导、微型激光器以及微波天线等方面有着广泛的应用[13-16]。由于具有独特的光子带隙效应、带边效应和慢光子效应等，光子晶体能够使荧光探针信号有效增强，从而实现案件现场爆炸残留物的高灵敏快速检测[17-18]。

图1 光子晶体荧光增强/淬灭检测爆炸物示意图Fig. 1 Schematic illustration for detection of explosives with fluorescence enhancement/quenching of photonic crystals

如图1所示，在合适波长位置光子带隙的空心球光子晶体中，因光子晶体光子带隙的带边效应和慢光信号，当溶液中存在硝化甘油爆炸物时，荧光探针的信号能被有效淬灭，且不同浓度的爆炸物淬灭程度不同，从而可通过荧光强度的显著变化实现对硝化甘油的半定量检测。本文研究制备了一套能够增强荧光探针信号的光子晶体功能体系，进而通过荧光强度变化实现对有机炸药硝化甘油的高灵敏检测。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 主要材料

苯乙烯、偶氮二异丁脒盐酸盐（AIBA）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、正硅酸乙酯（TEOS）等购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；过氧化氢（30%水溶液）、浓硫酸、无水乙醇、氨水等购自国药集团化学试剂有限公司；去离子水由实验室自制；有机玻璃片（PMMA）、普通玻璃片购自当地供应商；所有溶剂和化学药品均为分析纯。硝化甘油由西安204研究所提供。

1.1.2 主要仪器

FEG650扫描电子显微镜（美国FEI）；G2F20S透射电子显微镜（美国FEI）；AvaSpec-ULS2048光纤光谱仪（荷兰AVANTES）；H1850台式高速离心机（湖南湘仪实验室仪器开发有限公司）；DH-202电热恒温干燥箱（天津市中环实验电炉有限制造公司）；KSL-1200X马弗炉（合肥科晶材料技术有限公司）；DF-101S磁力搅拌器（巩义子华科技有限公司）；RW20机械搅拌机（德国IKA）。

1.2 实验方法

1.2.1 单分散聚苯乙烯微球的制备

聚苯乙烯微球通过分散聚合法制备，具体过程如下：将10 mL苯乙烯、100 mL去离子水、1.5 g聚乙烯吡咯烷酮依次加入到250 mL的三口烧瓶中，机械搅拌下通氮气驱氧15 min；接着通冷却水，油浴锅中升高反应温度到70 ℃，待体系温度稳定后快速加入0.25 g AIBA，继续恒温搅拌5 h；最后用无水乙醇将所得悬浮液进行反复离心、分散洗涤（10 000 r/min, 40 min），烘干，得到白色聚苯乙烯（PS）粉末，备用。

1.2.2 聚苯乙烯@二氧化硅（PS@SiO2）核壳结构的制备

称量PS粉末0.200 g，超声分散在50 mL无水乙醇中，待PS微球完全分散后，加入到250 mL的单口烧瓶中，在水浴条件下，磁力搅拌至50 ℃，待温度稳定后，快速加入一定量的TEOS和氨水继续搅拌3 h，最后用无水乙醇将所得的悬浮液进行反复离心、分散洗涤（7 000 r/min, 10 min），备用。

1.2.3 PS@SiO2光子晶体模板的制备

将上述所得的PS@SiO2核壳微球分散液配制成一定浓度（一般体积分数为0.5%），然后滴入事先用食人鱼溶液（H2SO4/H2O2，体积比为7∶3）处理好的小烧杯中，接着用镊子将经过同样处理的玻璃片垂直放入，最后置于30 ℃的恒温干燥箱中，待溶剂挥发完成后，在玻璃片表面即可形成PS@SiO2光子晶体薄膜。

1.2.4 空心球二氧化硅（SiO2）光子晶体模板的制备

将上述制备得到的PS@SiO2光子晶体薄膜放入马弗炉中，升温至500 ℃（速率2 ℃/min），保温2 h，待炉内温度自然冷却至常温后取出，空心球SiO2光子晶体薄膜即在玻璃片表面形成[19]。

1.2.5 传感器对爆炸物的响应检测

配制荧光探针溶液：罗丹明6G染料溶于无水乙醇中，超声混合均匀，定容使其浓度为10-7～10-3mol/L；接着在空心球SiO2光子晶体基底上覆盖同样大小的盖玻片，组成玻璃/光子晶体/玻璃的“三明治”结构，然后渗入荧光探针溶液，在波长为365 nm的激发光照射下，记录荧光发射光谱。光纤探头与荧光传感器面垂直测量，控制光斑直径大小约为1.5 mm；配制0.8～32 mg/mL浓度的硝化甘油并从低到高依次检测，记录相应的光谱数据。

2 结果与讨论

2.1 反应条件对聚苯乙烯（PS）微球的影响

单体、引发剂和稳定剂的用量都会对微球粒径和均一性有较大的影响。单分散性和均一性良好的聚苯乙烯微球是制备核壳光子晶体模板的基础，因此需要平衡各个影响因素来制备所需粒径的微球。如图2所示，本实验制备得到的PS微球尺寸大小均一，单分散性好。通过对单体、引发剂和稳定剂某一因素的改变可调节微球的粒径，为下一步制备PS@SiO2核壳微球奠定良好基础。

2.2 TEOS用量对PS@SiO2微球的影响

PS@SiO2核壳微球壳层厚度可以通过TEOS的添加量来调节。当体系中的氨水量一定时，分别考察了不同TEOS的添加量对壳层厚度的影响。如图3所示，PS@SiO2微球核层所使用的PS微球粒径为270 nm，随着TEOS添加量的增加，微球壳层厚度也逐渐增加，包覆得到的PS@SiO2微球的粒径分别为300、330、360 nm。可以发现，制备得到的PS@SiO2微球具有明显的核壳结构，同时保持了原有PS微球的良好均一性和单分散性。

图2 PS微球扫描电镜图Fig. 2 SEM images of PS microspheres

图3 不同壳层厚度的 PS@SiO2微球（a、b、c：粒径300、330、360nm）Fig. 3 PS@SiO2 microspheres with different shell thickness and their particle diameters equaling to (a: 300nm; b: 330nm; c: 360nm)

2.3 PS@SiO2光子晶体薄膜表征

图4为PS微球和PS@SiO2核壳微球组装形成的光子晶体的光学照片和反射光谱图。如图4所示，制备得到的薄膜色彩饱和度高，色泽亮丽，整个模板表面平整且颜色均一，且与单纯的PS微球光子晶体薄膜相比，包覆后的薄膜的衍射峰位置发生了明显红移，原因是由于包覆SiO2后微球粒径增大，综合折射率增大，根据布拉格衍射定律，衍射峰发生红移。此外，包覆SiO2层的厚度不同，光子晶体衍射峰的红移程度不同，宏观上颜色也就不同。

图4 不同光子晶体薄膜的光学图片（a）和衍射光谱（b）Fig. 4 Optical images (a) and diffraction spectra (b) of different photonic crystals

2.4 空心球SiO2光子晶体薄膜的表征

通过煅烧去除PS内核即可制备得到空心球SiO2光子晶体薄膜，且煅烧后组成薄膜的微球排列得更加紧密。如图5所示，制备得到的空心球SiO2光子晶体薄膜表面平整，颜色均一且鲜艳，衍射光谱半峰宽较为狭窄，具有优异的光学性能。

图5 空心球SiO2光子晶体薄膜的衍射光谱（a：光学图片）Fig. 5 Diffraction spectra of SiO2 hollow-sphere photonic crystals (a: optical image of SiO2 hollow-sphere photonic crystals)

经过高温煅烧之后，PS@SiO2微球核结构中心的PS微球位置被空气代替，由于空气的折射率（nair＝1.003）小于PS微球的折射率（nps＝1.59），使得体系的综合折射率明显降低，由布拉格衍射定律可知，衍射光谱将会发生蓝移。如图6所示，制备得到的空心SiO2微球内部有清晰的球形空腔，外部的SiO2层密实均匀，内外壁轮廓均清晰可见。此外，煅烧之后的空心SiO2微球与煅烧前的相比较，粒径并未发生明显变化，表明在500 ℃高温状态下微球未发生收缩。通过改变内核PS微球尺寸和壳层SiO2厚度，可以制备得到具有不同波长位置光子带隙的空心球光子晶体薄膜。

图6 不同壳层厚度（a：15nm；b：30nm；c：45nm）的空心球SiO2微球的透射电镜（TEM）图Fig. 6 TEM images of SiO2 hollow sphere with different shell thickness equaling to (a/b/c: 15/30/45nm)

2.5 传感器对硝化甘油的响应检测

不同于传统的SiO2蛋白石结构光子晶体在液相体系中光子带隙效应会减弱甚至完全消失，空心球光子晶体因其封闭的空气腔存在，在液体渗入后结构色反而会大大增强。原因是致密的壳层阻止了溶剂进入空气腔，溶剂只能填充在空心微球的间隙中，替代了间隙的空气，保持了组成光子晶体材料的折射率差且综合折射率提高，从而保证了在液相体系检测中具有足够强的光子带隙效应。如图7所示，以10-4mol/L的罗丹明6G为荧光探针溶液，其在合适光子带隙的空心球光子晶体基底上有着明显的荧光发射。分别滴加0.8、1.6、3.2、4.8、6.4、8.0、16.0、24.0、32.0 mg/mL的硝化甘油时，因其与罗丹明6G分子相互作用，荧光强度分别减少了2.89%、4.63%、8.08%、12.88%、17.47%、24.25%、29.66%、38.15%、50.22%。由于淬灭率随着硝化甘油浓度的增大而增加，因此可实现对其进行半定量的检测，最低检出限达0.8 mg/mL。对纸张、织物、泥土等不同载体上的爆炸和射击残留物检材过筛，除去部分杂物后，用丙酮浸泡、过滤后进行分析，通过图8可以看到不同载体检材上硝化甘油残留物的半定量分析结果。

作为对比，相同条件下在普通玻璃基底上检测1.6、3.2、4.8、6.4 mg/mL的硝化甘油时，它们的荧光强度相较光子晶体基底上的不仅低了很多，而且不同浓度间的光谱几乎重叠，无法区分不同浓度下荧光光谱的差异性，结果如图9所示。可以发现，空心球光子晶体基底的荧光增强效果在检测中起到了非常关键的作用。

图7 基于空心球光子晶体检测不同浓度硝化甘油的荧光光谱图Fig. 7 Fluorescence spectra of concentration-different nitroglycerins based on SiO2 hollow-sphere photonic crystals

图8 基于空心球光子晶体检测不同载体上硝化甘油残留物的荧光光谱图Fig. 8 Fluorescence spectra of carrier-different nitroglycerin based on SiO2 hollow-sphere photonic crystals

图9 基于普通玻璃检测不同浓度硝化甘油的荧光光谱图Fig. 9 Fluorescence spectra of concentration-different nitroglycerins placed on common glass

2.6 传感器的体系抗干扰性

由于现场获得的爆炸物溶液成分复杂，含有的杂质比较多，抗干扰能力也是评价检测体系的一个关键指标。在本实验中，通过添加其他常见的干扰物（如苯酚、甲苯、甘油、环己烷、苯腈等几种类似于爆炸物的杂质）进行荧光淬灭检测，发现这些分子均未能造成荧光淬灭，说明该传感器有着比较好的抗干扰能力，在真实体系中有着较高的潜在应用价值，如图10所示。

图10 探针溶液加入不同杂质后的荧光光谱图Fig. 10 Fluorescence spectra of probe solution added with different impurities

3 结论

本文基于空心球光子晶体在液相中对荧光信号的增强作用，实现了对有机炸药硝化甘油的半定量检测。以合适光子带隙的空心球光子晶体为基底，通过其带边效应和慢光子效应，放大所用荧光探针的信号，使检测时信号的淬灭效果更加明显，且不同浓度的硝化甘油淬灭程度不同，从而通过荧光强度的显著变化实现更为灵敏的定量或半定量检测。同时，该方法具有很好的普适性，在同样检测条件下能够进一步提高荧光探针的灵敏度，可在荧光痕量检测领域广泛使用。在这类检测体系中，传感器的选择性和准确性更多地依赖于荧光探针，因此要实现对不同爆炸物的区别检测，可以通过筛选特异性的荧光探针或者通过传感阵列交互响应等策略来实现。