木质素磺酸钠荧光膜的制备及其在硝基爆炸物检测中的应用

杨明明, 高丽坤, 李 坚, 刘守新, 李淑君, 陈志俊

(东北林业大学 生物质材料科学与技术教育部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150040)

硝基化合物是目前应用最广泛的爆炸物，其威力巨大且易于合成，探寻高灵敏度、选择性检测硝基爆炸物的方法具有重大意义[1-3]。当前，气相色谱-质谱分析[4-5]、表面增强拉曼光谱分析[6]、X射线衍射法[7]、热中子法[8]和离子迁移谱分析[9-11]等均可用于检测硝基爆炸物。但这些检测手段价格昂贵、不便携带，难于普遍推广使用。荧光法检测爆炸物具有响应速度快、检测限度低和易制备成便携式仪器的特点，被公认为是目前爆炸物检测的最有效技术之一[12-13]。荧光聚合物的检测机理是荧光发色团单元和聚合物链之间的协同作用可以用来调节荧光材料的性质，荧光聚合物可以与不同介质相作用制备荧光传感薄膜，实现器件化检测，在爆炸物检测中更具普及性[14-15]。

当荧光聚合物材料与爆炸物分子接触时，可以通过光诱导电子转移(PET)[1]、Forster共振能量转移(FRET)[16]以及内滤效应(IFE)[17]等光物理过程，改变荧光信号，从而实现对爆炸物的检测。近年来，荧光聚合物应用于硝基芳烃爆炸物的检测吸引了许多科研工作者的注意。Chang等[18]研究出一种具有聚集诱导效应的化合物用于2,4,6-三硝基甲苯(TNT)的检测，表现出良好的荧光猝灭效果。Zhao等[19]将具有聚集诱导效应的三苯胺和噻咯结合在一起并应用于硝基芳烃的检测，荧光猝灭效果较好。Faheem等[20]通过席夫碱反应将蒽与四苯乙烯结合构建了一种新型的二维双发光共价有机骨(DL-COF)，实现了超痕量检测2,4,6-三硝基苯酚。然而，以天然高分子聚合物为聚集诱导发射(AIE)荧光材料用于检测硝基芳烃爆炸物鲜有报道。因此，本研究以具有聚集诱导发射现象的天然高分子聚合物木质素磺酸钠为原料，探讨了其在乙醇/水体系中的聚集诱导发射效应，以及对硝基化合物的高灵敏检测性能，并考察了所制备的木质素磺酸钠荧光薄膜在硝基爆炸物检测中的应用，以期为简便、快速、实时检测硝基爆炸物的传感器开发提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

木质素磺酸钠(LS),购自上海阿拉丁试剂公司，无需纯化处理；去离子水采用aMaster Q30UT净水系统制备；聚乙烯醇1788(PVA)、硝基苯(NB)、对硝基苯酚(PNP)、间二硝基苯(m-DNB)、无水乙醇(EtOH)、苯(PhH)、甲苯(PhMe)、苯酚(PhOH)、对苯二甲酸(TPA)、对苯二甲醛(TPAL)和邻苯二甲醛(OPA)等，均为市售分析纯。

Zetasizer Nano ZS型激光粒度分析仪，英国Mavern公司;FluoroMax- 4荧光光谱仪，美国Horiba公司。

1.2 木质素磺酸钠荧光薄膜的制备

1.2.1溶液配制 木质素磺酸钠(LS)溶于水-乙醇(体积比分别为9 ∶1, 8 ∶2, 7 ∶3, 6 ∶4, 5 ∶5, 4 ∶6, 3 ∶7, 2 ∶8, 9 ∶1和10 ∶0)溶液中配制质量浓度为0.01 g/L的LS溶液。木质素磺酸钠溶于水配制成质量浓度为10 g/L 的LS溶液。将硝基苯(NB)溶于乙醇配制成质量浓度为60 g/L的硝基苯溶液。对硝基苯酚(PNP)、间二硝基苯(m-DNB)分别溶于乙醇中配制质量浓度为5 g/L的对硝基苯酚和间二硝基苯溶液。苯(PhH)、甲苯(PhMe)、苯酚(PhOH)分别溶于乙醇中配置质量浓度为44、 44和54 g/L的溶液，对苯二甲酸(TPA)、对苯二甲醛(TPAL)、邻苯二甲醛(OPA)分别溶于乙醇中配置成质量浓度为5 g/L 的溶液。

1.2.2木质素磺酸钠荧光薄膜的制备 称取2 g PVA置于圆底烧瓶中，加入10 mL去离子水和1 mL木质素磺酸钠溶液(木质素磺酸钠与水之比为10 ∶1,g ∶L)，90 ℃搅拌至完全溶解。将溶解后的透明棕色溶液倒在玻璃表面皿中，流延成均匀的一层溶液，自然干燥后得到木质素磺酸钠荧光薄膜。将此荧光薄膜裁成3 cm×3 cm的小块，取3张分别浸泡于2 mL 60.25 g/L硝基苯/乙醇(NB/EtOH)、 5 g/L间二硝基苯/乙醇(m-DNB/EtOH)和5 g/L对硝基苯酚/乙醇(PNP/EtOH)溶液中30 s, 将膜取出干燥，制得木质素磺酸钠荧光薄膜。

1.3 分析与表征

1.3.1荧光光谱分析 分别移取2.5 mL 0.01 g/L不同溶剂比例(V(水) ∶V(乙醇)为10 ∶0, 9 ∶1, 8 ∶2, 7 ∶3, 6 ∶4, 5 ∶5, 4 ∶6, 3 ∶7, 2 ∶8和1 ∶9)的木质素磺酸钠溶液于石英皿中，以365 nm为激发波长，激发和发射狭缝宽度5 nm，在荧光光谱仪上记录380～650 nm波长范围内的发射光谱。将1.2节干燥后的3张膜进行荧光光谱测量，测定条件相同。测定均在常温(23 ℃)下进行。

1.3.2激光粒度分析 用激光粒度分析仪对0.01 g/L木质素磺酸钠溶液进行测试，选择4个不同比例(V(水) ∶V(乙醇))=10 ∶0, 9 ∶1, 7 ∶3, 3 ∶7)的木质素磺酸钠溶液，观察随着乙醇(不良溶剂)比例的增加，木质素磺酸钠分子粒径的尺寸大小变化。

1.4 猝灭试验

1.4.1荧光猝灭试验 移取2.5 mL由乙醇/水(体积比9 ∶1)制备的0.01 g/L木质素磺酸钠溶液于石英比色皿中，分别加入100 μL NB/EtOH(60 g/L)、m-DNB/EtOH(5 g/L)、PNP/EtOH(5 g/L)、PhH/EtOH(44 g/L)、PhMe/EtOH(44 g/L)、PhOH/EtOH(54 g/L)混合均匀后测量荧光发射光谱。同样移取2.5 mL上述木质素磺酸钠溶液于石英比色皿中，分别加入100 μL TPA/EtOH(5 g/L)、TPAL/EtOH(5 g/L)和OPA/EtOH(5 g/L)3种溶液， TPA/EtOH(5 g/L)、TPAL/EtOH(5 g/L)和OPA/EtOH(5 g/L)光谱测定条件同1.3.1节。

1.4.2写字猝灭试验 取4张1.2节制备的荧光膜(3 cm×3 cm)，用钢笔吸取适量NB/EtOH(60.25 g/L)在1号膜上书写 “Y”，吸取适量m-DNB/EtOH(5 g/L)在2号膜上书写 “M”，吸取适量PNP/EtOH(5 g/L)在3号张膜上书写“M”。待笔迹晾干后，在365 nm紫外灯照射下拍摄4张膜的照片。

2 结果与分析

2.1 木质素磺酸钠的形态及光学性质分析

木质素磺酸钠(LS)的聚集诱导发射荧光光谱如图1(a)所示。由图可知，不同溶剂比例制备的LS在440 nm处均有较强的荧光强度。随着溶剂中乙醇(不良溶剂)比例的增加，LS的荧光发射峰强度逐渐增强，发射峰位置发生了微弱红移，从445 nm增加到450 nm。说明LS的化学结构未发生变化，且随着不良溶剂的增加，产生了聚集诱导发射荧光增强的现象。为了证实随着不良溶剂的增加LS产生了聚集现象，通过激光粒度分析仪(DLS)来验证纳米聚集体的存在。选择乙醇/水混合溶剂体系来观察LS的纳米尺寸，结果见图1(b)。

图1 不同比例乙醇/水制备的木质素磺酸钠的光谱分析(a)和粒径分析(b) Fig.1 Spectral analysis of sodium lignin sulfonate(a) and particle size analysis(b)

由图可知，LS在不同比例乙醇/水(体积比0 ∶10、 1 ∶9、 3 ∶7和7 ∶3)下的粒径的纳米尺寸分别为380、 511、 915和1 055 nm。随着混合溶剂中乙醇体积分数逐渐增加，分子内部环境变化较小，分子之间发生缓慢聚集，形成的聚集体颗粒变大。在高乙醇含量下，溶液的溶剂化效应迅速下降，分子由于溶剂化作用的降低迅速聚集，形成了尺寸更大的聚集体颗粒。DLS表征结果与聚集诱导发射荧光光谱分析结果相吻合。因此，本研究选择体积比9 ∶1乙醇/水用于后续研究。通过荧光发射光谱及DLS表征结果可以证明LS具有聚集诱导发射(AIE)的性质。

2.2 化合物与木质素磺酸钠相互作用的荧光光谱

2.2.1化合物对木质素磺酸钠的荧光猝灭作用 为了进一步探索LS芳香骨架材料对NB、m-DNB和PNP的敏感性，取3份2.5 mL乙醇/水(体积比9 ∶1)制备的0.01 g/L LS溶液，分别加入100 μL的NB/EtOH、m-DNB/EtOH和PNP/EtOH，其荧光发射光谱如图2所示。由图可知，LS对NB、m-DNB和PNP均具有非常高的灵敏度。当加入NB/EtOH或PNP/EtOH后LS的荧光猝灭程度高达到90%; 当加入m-DNB/EtOH后，LS的荧光猝灭程度也能达到56%。这种优异的灵敏度归因于LS芳香骨架材料上多苯环的结构能够有效聚集硝基化合物分子。当硝基化合物与LS混合后，带负电性的—NO2基团与具有共轭结构的苯环骨架通过库仑作用相互接触，—NO2基团吸引芳香骨架上的激子发生迁移，从而增强了荧光猝灭性能。以上结果表明：在低浓度的硝基化合物存在下，LS作为生物质荧光探针就能够实现对硝基化合物的痕量检测。

选择性对于评估材料的检测性能很重要。按1.4.1节方法考察LS对PhH、PhMe、PhOH、TPA、TPAL和OPA这几种化合物的猝灭效率如图3所示。由图可知，在PhH、PhOH和PhMe加入与硝基化合物相同体积，TPAL、OPA和TPA加入与m-DNB、PNP相同体积和质量浓度时，LS对无硝基化合物几乎没有反应。硝基芳香族化合物是吸电子化合物，通常比非硝基化合物具有更低的最低未占轨道(LUMO) 能级，更容易从电子云密度高的化合物上通过电荷转移得到电子。对于无硝基化合物，例如苯，苯酚等，由于没有显著的吸电子效应，所以荧光猝灭效率比较低。因此与无硝基芳烃相比，LS可以选择性地检测硝基芳香化合物。

2.2.2荧光猝灭机理 Stern-Volmer猝灭常数(Ksv)是测量荧光材料响应性能一个很好的参数，分析物可以系统地比较猝灭效率[21-23]。猝灭过程可以通过Stern-Volmer动态猝灭方程(式(1))来进行分析。

I0/I=1+KsvCQ

(1)

式中：I0—初始LS体系的荧光强度；I—加入分析物后LS体系的荧光强度；Ksv—Stern-Volmer猝灭常数，L/mol；CQ—分析物的质量浓度,g/L。

根据Stern-Volmer方程可得LS与PNP、NB、m-DNB、TPAL、PhH、PhMe、OPA、PhOH、TPA的猝灭常数分别为493.7、 48.5、 27.21、 0.189 9、 0.134 4、 0.117 1、 0.102 4、 0.081 6和0.067 L/mol。由数据可知，含硝基的3种化合物对LS的荧光猝灭效率明显高于不含硝基化合物。当对硝基苯酚质量浓度为5 g/L时，LS发生荧光猝灭的Ksv高达439.7 L/mol，约是非硝基化合物的5 000倍，这说明了LS对硝基化合物检测具有高灵敏性和高响应性。

一般基于荧光检测的方法来检测爆炸物的机制主要有4种;光诱导电子转移(PET)、荧光共振能量转移(FRET)、内滤效应(IFE)和激发态二聚体。其中，PET和FRET是最常用的。PET机理为电子从富电子的荧光分子转移到缺电子的被测物质；FRET机理为被测物质的紫外吸收光谱与荧光分子的荧光发射光谱之间存在一定程度的重叠。根据LS与不同化合物的猝灭常数数据，选择荧光猝灭效率较高的硝基苯进行分析，由2.1节可知，LS的荧光发射峰位置为450 nm，测量得知硝基苯的紫外吸收峰位置为265 nm,荧光发射光谱与紫外吸收光谱并无重叠。该结果表明：FRET没有参与该猝灭过程。所以，二者之间发生荧光猝灭的原因应为PET机制。电子从聚合物的LUMO能级转移到硝基芳族化合物的LUMO能级，引起荧光物质荧光的猝灭。因为吸电子基的硝基比非硝基化合物具有更低的LUMO能级，更容易通过电荷转移从富电子荧光化合物得到电子。而通过猝灭常数的计算可知，在含硝基化合物中，对硝基苯酚具有较低的LUMO能级，PET的驱动力相对高于硝基苯和间二硝基苯。对于其他不含硝基的化合物(苯，甲苯等)，因其不含强吸电子基，所以没有显著的吸电子效应，导致了其猝灭效率较低。综上，光诱导电子转移机制应该是LS这种AIE高聚物分子能与含硝基化合物发生荧光猝灭的原因。

2.3 木质素磺酸钠荧光膜对硝基爆炸物的检测

为了实现硝基爆炸物的实时和现场检测，进一步研发了一种新型膜传感器——木质素磺酸钠荧光膜，将木质素磺酸钠荧光膜分别用NB/EtOH、m-DNB/EtOH和PNP/EtOH浸泡，浸泡后的荧光光谱见图4。由图可知，浸泡NB/EtOH后的膜荧光猝灭程度高达89%，浸泡m-DNB/EtOH后的膜荧光猝灭程度高达78%，浸泡PNP/EtOH的膜荧光猝灭程度高达几乎100%。荧光光谱结果显示了硝基化合物对荧光膜的高效准确的猝灭特性。利用此特性，用钢笔吸取3种不同的硝基化合物溶液在膜上进行书写，研究发现：在紫外灯的照射下，肉眼能观察到在有笔迹的部分有明显的荧光猝灭现象，与未书写部分对比显著(图5)；而在日光下却观察不到笔迹的存在。这种具有简单防伪、灵敏、选择性高、制备容易的荧光传感器件有望在爆炸物检测领域获得更为广阔的应用。

图4 木质素磺酸钠荧光膜浸泡前后的光谱分析Fig.4 Spectral analysis before and after soaking the fluorescent membrane of sodium lignin sulfonate

涂写液coating liquid: a.无no; b.NB/EtOH; c.m-DNB/EtOH; d.PNP/EtOH

3 结 论

3.1 以木质素磺酸钠(LS)为原料，聚乙烯醇为黏合剂，制备木质素磺酸钠荧光膜，通过荧光光谱和粒径分布考察了溶剂为不同体积比的乙醇/水时荧光膜的光学性质和形态，结果显示：随着溶剂中乙醇体积的增加，LS的结构未发生改变，荧光发射峰强度增加，发射峰位置微弱红移，分子粒径变大，出现了聚集诱导发射效应的荧光现象。

3.2 不同化合物对LS的荧光猝灭试验表明：加入硝基苯(NB)、间二硝基苯(m-DNB)和对硝基苯酚(PNP)后，LS的荧光几乎完全猝灭，NB和PNP猝灭程度高达90%，m-DNB猝灭程度也有56%；而加入苯、甲苯、苯酚、对苯二甲酸、对苯二甲醛和邻苯二甲醛，LS的荧光强度基本不变。这说明LS对NB、m-DNB 和PNP显示出专一、特异的高灵敏检测性能，其中与PNP的Stern-Volmer猝灭常数(Ksv)最高，达到439.7 L/mol。研究还发现光诱导电子转移机制是木质素磺酸钠能与含硝基化合物发生荧光猝灭的原因。

3.3 木质素磺酸钠荧光膜对硝基爆炸物的检测试验表明：荧光膜经硝基苯、间二硝基苯和对硝基苯酚溶液浸泡后的荧光猝灭程度分别为89%、 78%和100%。将硝基化合物溶液在荧光膜上涂写，在日光下观察不到笔迹存在，而在紫外光下能观察到笔迹部分有明显的荧光猝灭现象。