温度响应性银纳米簇/聚合物水凝胶复合荧光探针用于Cr(Ⅵ)的高灵敏检测

杨旭东, 王生旭， 曲淑岩， 沈夕然

(1.长春工业大学 化学工程学院， 吉林 长春 130012;2.长春工业大学 材料科学高等研究院， 吉林 长春 130012;3.吉林省鑫誉环境检测有限公司， 吉林 长春 130015)

0 引 言

随着社会发展和科技进步，人们对材料的需求越来越丰富，功能单一的材料已经满足不了要求,并且逐渐被复合型材料所取代。环境响应性水凝胶又被称为智能水凝胶，是一种对外界环境变化(葡萄糖浓度、温度、离子强度、pH值、溶剂组成、光、压力等)极其敏感并能做出相应的形变或物理和化学性质变化的一类高分子水凝胶。在现阶段所发表的关于环境响应性水凝胶材料的研究工作中，基于温度响应性聚合物聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)及其共聚物所构筑的环境响应性聚合物水凝胶材料的研究备受关注，成为研究热点[1-7]。而基于金、银等贵金属纳米簇检测重金属离子的检测体系更是成为纳米材料领域的一个研究热点。贵金属纳米簇含有几个至几十左右的金属原子，是一种近年来备受关注的新型纳米荧光材料，因其具有较强的荧光性能、较大的斯托克斯位移、良好的稳定性等特点而被广泛应用于离子或生物分子等检测[6-9]。但是，目前所报道的荧光纳米簇研究工作仅限于单一功能的荧光纳米簇制备与应用，并不满足复杂体系下的多重响应因素的敏感检测，严重限制了其在实际检测领域中的应用。开发出一种简单有效的方法，构筑具有温度响应和重金属离子检测功能的贵金属纳米簇/聚合物复合材料显得尤为迫切[10-13]。

文中主要介绍一种新型的温度和Cr(Ⅵ)双重检测功能的荧光银纳米簇/聚合物水凝胶复合材料。首先，以丙烯酸(AAc)和N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)为单体原料，过硫酸铵(APS)为引发剂，N,N-二甲基双丙烯酰胺(MBA)为交联剂，采用无皂乳液聚合法一步合成温度响应性水凝胶纳米微球。在此基础上，将Ag+引入到纳米微球中的聚合物三维网络结构中，利用聚丙烯酸链段与Ag+间的超分子相互作用(库仑力和配位作用)，得到Ag+/p(NIPAM-co-AAc)自组装复合结构。采用紫外光辐照的还原方法将Ag+还原成Ag纳米簇，得到Ag clusters/P(NIPAM-co-AAc)水凝胶微球荧光复合材料。利用PNIPAM链段的温度响应功能诱导Ag纳米簇的局部聚集或分散，导致其荧光强度的温敏性变化。利用聚合物链段与Cr(Ⅵ)的特异性络合作用以及Cr(Ⅵ)强的吸电子能力，导致复合材料的荧光发生淬灭，实现Ag纳米簇对重金属离子Cr(Ⅵ)的快速、特异性检测。

1 实验部分

1.1 试剂及仪器

1.1.1 试剂

N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)、硝酸银(AgNO3)、丙烯酸(AAc)、过硫酸铵(APS)、N’N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)、重铬酸钠(Na2CrO4)均为分析纯，未经任何纯化。

1.1.2 仪器

TEM测试使用JEM-2100F型透射电子显微镜；

XRD测试使用D/max-2000，Rigaku型X射线衍射仪；

FT-IR测试使用Nicolet-6700，Thermofisher型傅里叶红外光谱仪；

荧光光谱测试使用PerKinElmer LS 55荧光光谱仪；

UV吸收光谱测试使用北京普析TU-1901型紫外-可见分光光度计。

1.2 实验过程

Ag clusters/p(NIPAM-co-AAc)水凝胶微球荧光复合材料的制备过程、温度响应以及对Cr(Ⅵ)的检测机理如图1所示。

其合成主要由两个部分组成，首先采用一步沉淀共聚的方法，以NIPAM和AAc为原料单体，合成p(NIPAM-co-AAc) 亚微米水凝胶粒子。然后，将所制备的亚微米水凝胶粒子作为模板和稳定剂来合成银纳米簇。其过程为采用手提式紫外灯(8 W，波长=365 nm)充分照射Ag+/p(NIPAM-co-AAc)前驱体溶液，此时银离子被还原成银原子,从而形成银纳米簇。另一方面，银纳米簇也被分散的空间限制在p(NIPAM-co-AAc)水凝胶三维网络结构上，荧光复合材料制备成功。所获得的复合荧光材料对六价铬离子具有特异性和选择性检测的能力。另外，所制备的荧光材料还具有温度响应性，当温度升高，材料的荧光逐渐淬灭，此行为具有可逆性。实验操作简单，并且具有较好的可重复性。

图1 Ag clusters/p(NIPAM-co-AAc)水凝胶复合材料的制备过程、荧光温度响应以及检测Cr(Ⅵ)示意图

1.2.1 亚微米水凝胶粒子p(NIPAM-co-AAc)的制备

实验采用一步沉淀的聚合方法来合成聚N-异丙基丙烯酰胺-丙烯酸亚微米水凝胶粒子。首先在含有约100 mL去离子水的三口圆底烧瓶中加入0.5 g MBA和0.8 g NIPAM，然后超声使药品充分溶解；连接冷凝和搅拌装置，向混合溶液里加入95 mL溶有0.2 mL AAc的去离子水溶液，室温下通入N2以去除体系中的空气，并保持400 r/min机械搅拌60 min，升温至70 ℃，之后加入5 mL含有0.6 g APS引发剂的水溶液引发聚合，在持续搅拌以及N2保护的条件下反应12 h。所制备的溶液通过12 000 r/min高速离心去除未聚合的单体、引发剂等杂质，提纯后的溶液于4 ℃保存,以备下一步反应。

1.2.2 Ag clusters/p(NIPAM-co-AAc)水凝胶复合材料的制备

按照不同银离子与羧基摩尔比(1∶1，1∶2，1∶3，1∶4，1∶5，1∶6)将0.1 mol/L的AgNO3溶液与丙烯酸单元为70 μmol的 p(NIPAM-co-AAc) 水凝胶粒子混合,制备5 mL前驱体溶液。然后用1 mol/L NaOH调节pH至6.5。最后，用手提式紫外灯充分照射Ag+/p(NIPAM-co-AAc)前驱体溶液，形成Ag clusters/p(NIPAM-co-AAc)水凝胶微球荧光复合材料。

2 结果与讨论

2.1 TEM形貌分析

利用透射电镜来表征所制备样品的形态及粒子尺寸分布,如图2所示。

(a) 亚微米水凝胶粒子TEM图

(b) 水凝胶微球荧光复合材料TEM图

(c) 水凝胶微球荧光复合材料高分辨TEM图

p(NIPAM-co-AAc)亚微米水凝胶粒子的粒子尺寸约为502 nm，并且具有极其优异的分散性，见图2(a)，而当其为模板制备成水凝胶微球荧光复合材料后，荧光复合材料粒子尺寸在340～490 nm，并且表现出了一个相对聚集的状态，见图2(b)。与p(NIPAM-co-AAc) 亚微米水凝胶粒子相比，水凝胶微球荧光复合材料的尺寸较小，这归功于制备时紫外光的照射。图2(c)是单一的荧光复合材料的高分辨透射电镜图像，在p(NIPAM-co-AAc)水凝胶三维网络结构上存在着大量的银纳米簇，其尺寸均小于2 nm。

2.2 XPS分析

XPS是分析材料表面元素的重要技术，本实验运用XPS来测定水凝胶纳米微球荧光复合材料中银的价态，从而判断纳米簇的制备情况。水凝胶微球荧光复合材料XPS图如图3所示。

图3 水凝胶微球荧光复合材料XPS图

从图3可以看到，Ag(3d3/2)和 Ag(3d5/2)的结合能分别为374.3 eV和368.3 eV，这证明一价银离子已经被还原成了银原子[10-11],成功地制备了银纳米簇。

2.3 FT-IR测试

水凝胶粒子及荧光复合材料的FT-IR如图4所示。

a.亚微米水凝胶粒子; b.水凝胶纳米微球荧光复合材料。

从图4a可以观察到，由甲基和乙基的价键振动所产生的峰的位置分别在2 988 cm-1，2 942 cm-1，2 884 cm-1。另外，1 454 cm-1，1 394 cm-1和1 352 cm-1位置的峰则归功于-CH3的对称性和非对称性弯曲振动。因为C-N的价键振动所对应的是1 235 cm-1峰，所以1 645 cm-1处的酰胺峰被认为是由于C=O伸展形成的，1 548 cm-1处的酰胺峰则被认为是由N-H平面弯曲形成。而在亚微米水凝胶粒子中看到的1 724 cm-1峰被归功于丙烯酸上羧基中的羰基键的伸展。通过将水凝胶微球荧光复合材料的FT-IR图与亚微米水凝胶粒子的FT-IR图相对比，发现两者的FT-IR图十分类似，表面结构里都包含有C-H，C-C，COOH/COO-，O-H 和N-H基团，这充分说明了银纳米簇嵌入到水凝胶三维网络结构中后，基本没有影响到p(NIPAM-co-AAc)亚微米水凝胶粒子的表面结构[14]。

2.4 荧光复合材料的荧光性能分析

在室温下对所制备的水凝胶微球荧光复合材料进行紫外可见吸收测试及荧光测试，如图5所示。

a.水凝胶微球荧光复合材料的UV-vis光谱; b.PL激发光谱；

从复合材料的紫外可见光谱中可以观察到，在500 nm处有一个吸收峰，这可能是因为在银纳米簇中有4～9个银原子的原因。此外，可以在荧光光谱图中看到溶解在水里的荧光复合材料在480 nm和500 nm处显示出了两个激发峰，最佳激发为500 nm，而发射峰的位置在630 nm。另外，从右侧插图中可以看到，在日光下荧光复合材料呈现出乳白色，在365 nm的紫外光照射下呈红色荧光。

2.5 荧光复合材料的温度响应性能研究

对Ag clusters/p(NIPAM-co-AAc)水凝胶微球荧光复合材料进行升温处理，在10～80 ℃范围内不同温度下进行荧光测试并记录，随后，在80～10 ℃降温过程中也进行了荧光测试并记录。荧光强度如图6所示。

图6 水凝胶微球荧光复合材料在10～80 ℃范围内升温和降温过程荧光光谱图

从图6可以观察到,水凝胶微球荧光复合材料拥有良好的温度响应性，并且在10～80 ℃范围内是近线性可逆的。

我们认为水凝胶微球荧光复合材料的良好重复性和可逆性是因为亚微米水凝胶粒子具有良好的重复性和可逆性，从而使荧光复合材料在较高温度下发生荧光淬灭，而当温度降低时荧光逐渐恢复,直至原来强度。这种具有近线性可逆的温度响应荧光性质使Ag clusters/p(NIPAM-co-AAc)水凝胶微球荧光纳米复合材料在多个领域具有潜在的应用价值，如光学传感器、生物传感器和光致发光微型温度计等。

2.6 荧光复合材料对Cr(Ⅵ)检测的性能研究

荧光材料对Cr(Ⅵ)的检测效果如图7所示。

(a) 水凝胶微球荧光复合材料在不同浓度Cr(Ⅵ)

(b) 水凝胶微球荧光复合材料的荧

(c) 水凝胶微球荧光复合材料对Cr(Ⅵ)特异性检测效果

图7(b)中插图为水凝胶微球荧光复合材料的荧光强度与不同浓度Cr(Ⅵ)的线性关系图。

3 结 语

构建了一种具有温度响应性的Ag clusters/p(NIPAM-co-AAc)水凝胶微球荧光复合材料，并将其作为一种新型的检测温度和Cr(Ⅵ)的荧光探针。所制备的荧光复合材料拥有较强的荧光性能,并且在一定温度范围内(2～85 ℃)，其荧光强度与温度呈现出线性关系。此外，荧光材料对Cr(Ⅵ)有特异性、高灵敏性的检测能力，最低检测限可达1×10-9，远低于美国环保局所规定的0.1×10-6饮用水标准。所设计的荧光材料制备简单、可重复性高,并且环境友好，因此，这种温度响应性水凝胶微球荧光复合材料可广泛应用在诸多领域，如食品安全、生物传感和环境监测等。