酸碱气体敏感的反蛋白石光子晶体荧光传感薄膜

沈培炎，艾刚刚，沙夜龙，刘佳琦，孙溢敏，马豪杰*，张玉琦*

（1.延安市新能源新功能材料重点实验室；陕西省化学反应工程重点实验室；延安大学 化学与化工学院；2.国家石油天然气产品质量监督检验中心（延安），陕西 延安 716000）

光子晶体是介电材料周期性排列，折射率周期性变化的一种材料，具有光子禁带的特性［1］。根据光子禁带的空间分布，可将光子晶体分为一维、二维、三维光子晶体。三维光子晶体由于易于制备，膜厚可控等优点备受关注。三维光子晶体可分为蛋白石型和反蛋白石型两种结构，其中反蛋白石结构具有三维大孔贯穿结构，易于填充或修饰功能分子，并有利于目标分子的扩散，且其高比表面积特性有利于提供多个活性位点，同时结合光子晶体的光学特性，可被作为一种理想的传感平台用于实现对各种待测物的检测［2-4］。近年来，人们结合光子晶体的慢光子效应增强荧光的特性，即光在光子禁带边缘光群速度减慢，可增强光与物质之间的相互作用从而使荧光增强的光学特性，实现了对挥发性有机化合物气体［5］、金属离子［6］、生物分子［7］等的荧光传感。例如，本课题组分别设计了萘二甲酰亚胺衍生物和罗丹明6G衍生物填充的Si O2反蛋白石光子晶 体 薄 膜 用 于 高 效 荧 光 检 测Bi3+［8］和 甲 醛［9］。Cunningham课题组设计构筑了光子晶体增强的荧光微流体系统用于检测抗体［10］、RNA［11］等。

挥发性酸碱气体的检测对环境监测和人体健康有着重要的意义。如NH3和HCl气体，对人的皮肤、眼睛和呼吸系统有刺激性和腐蚀性［12-13］。因此，发展一种快速、方便、廉价的检测NH3和HCl气体的传感平台对环境监测以及人体健康至关重要。目前，对于常用的方法主要有气相色谱-质谱法［14］、比色法［15］、荧光法［16］等，也开发了一些传感材料如导电聚合物［17-18］、金属-有机骨架（MOF）［19-20］、氧化石墨烯［21］、纤维膜［22］等。这些方法检测NH3和HCl灵敏、稳定、响应速度快，但是有不易回收、选择性差以及检测气体单一等缺点。

本文构筑了对NH3和HCl气体敏感的2-（2-乙酰氧基苯基）喹唑啉-4（3H）-酮（HPQ-AC）填充的SiO2反蛋白石光子晶体薄膜（标记为（HPQ-AC）-IOPC），利用薄膜荧光性质的变化实现了对酸碱气体的快速简便连续检测，为其他气体的检测提供了思路。

1 实验部分

1.1 材料与试剂

不同粒径的聚苯乙烯（PS）微球根据文献方法通过乳液聚合制备得到［23］。2-（2-乙酰氧基苯基）喹磋啉-4（3H）-酮根据文献报道的方法合成［24］，并用红外光谱和核磁共振氢谱对其结构予以证明。聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA，Mw=350 00）购自国药集团化学试剂北京有限公司。甲醛（36%）、原硅酸四乙酯（TEOS，28%）以及其他分析纯化学试剂均为市售，直接使用。所有实验均使用超纯水（18.2 mΩ·cm）。

1.2 仪器与设备

JSM-7610F扫描电子显微镜，日本JEOL公司；PG-2000-Pro-Ex光纤光谱仪，中国上海复享光学股份有限公司；Cary Eclipse荧光光谱仪，美国安捷伦科技有限公司。

1.3 (HPQ-AC)-IOPC的制备

根据本课题组报道的方法［25］，通过牺牲模板法，选用粒径分别为262、293、350和400 nm的聚苯乙烯微球为模板，制备了具有不同光子禁带的Si O2反蛋白石光子晶体，分别标记为IOPC262、IOPC293、IOPC350和IOPC400。然后，将一定体积的10 mmol·L-1HPQAC的二氯甲烷溶液均匀地滴在SiO2反蛋白石光子晶体薄膜（2.0 cm×1.2 cm）的表面，晾干，HPQ-AC分子通过毛细作用渗透到反蛋白石光子晶体的孔隙中，制备得到（HPQ-AC）-IOPC传感薄膜。

1.4 对照样品的制备

把几种不同粒径的聚苯乙烯微球混合作为模板，制备了无序排列的多孔SiO2薄膜（PFNon）。10 mmol·L-1的HPQ-AC的二氯甲烷溶液25µL滴到PFNon的表面，晾干，得到对照样品之一；此外，将含有PMMA的10 mmol·L-1的HPQ-AC二氯甲烷溶液（mHPQ-AC∶mPMMA=1∶10）旋涂在玻璃表面，晾干，用作另一个对照样品，标记为Glass。

2 结果与分析

2.1 传感机理

传感检测机理如图1所示，HPQ-AC填充的SiO2反蛋白石光子晶体暴露于氨气氛围中，HPQ-AC发生氨解反应，O-乙酰键断裂，生成2-（2-羟基苯基）喹唑啉-4（3H）-酮（HPQ）。HPQ分子内羟基与喹唑啉环上的氮原子之间形成氢键，限制了分子的运动，致使该分子具有聚集诱导发光效应，在固态下发射强荧光［24］。当选择光子禁带的带边与荧光波长相匹配的光子晶体时，光子晶体的慢光子效应就会增强发射的荧光［26］，提高传感性能；当继续将NH3作用后的薄膜暴露于HCl气体环境中，由于HPQ在酸性环境下可以被质子化从而破坏氢键，导致荧光猝灭，因而光子晶体薄膜荧光猝灭。所构筑的光子晶体传感薄膜可以用以连续检测NH3和HCl气体，也可以被HCl气体重新激活使其能够再次用于检测NH3。

图1 (HPQ-AC)-SiO2 IOPC检测NH3和HCl气体的机理示意图

2.2 (HPQ-AC)-IOPC的表征

制备的（HPQ-AC）-IOPC的表面形貌用扫描电子显微镜进行了表征，典型的SEM图如图2A所示。由图可见，空气小球以面心立方形式紧密有序堆积。所制薄膜的反射光谱用光纤光谱仪进行了表征，入射光垂直于光子晶体的（111）面，填充HPQ-AC前后的IOPC350的反射光谱如图2B所示。IOPC350的光子禁带中心位置出现在539 nm，而HPQ-AC填充后则红移到547 nm，小幅度的红移是由于HPQ-AC的填充使薄膜的平均折射率略有增加。

图2 (A)(HPQ-AC)-IOPC350的SEM图;(B)IOPC350填充HPQ-AC前后的反射光谱

2.3 光子晶体传感薄膜的优化

分别在制备的IOPC262、IOPC293、IOPC350、IOPC400以及PFNon薄膜表面滴25µL含有10 mmol·L-1的HPQ-AC的二氯甲烷溶液，晾干后置于饱和的NH3环境中并进行荧光测定，同时以样品Glass为参比，记录496 nm处的荧光强度，如图3A所示，荧光光谱图示于图3B。图3A表明IOPC350薄膜出现了最强的荧光，其强度是对照样品Glass的19倍。这是因为薄膜上的HPQ-AC与NH3反应生成荧光产物HPQ，其发射波长（496 nm）正好位于（HPQ-AC）-IOPC350光子晶体光子禁带的蓝带边，此时慢光子效应会增强发射的荧光。而对于薄膜IOPC293，由于发射波长和光子禁带的中心位置正好重叠，限制了荧光的传播，因而荧光最弱。对于无序多孔PFNon，其荧光强度仍高于对照样品玻璃，这是因为相互连接的大孔结构赋予了薄膜高比表面积和更多的反应位点。因此，选用（HPQ-AC）-IOPC350作为最佳光子晶体薄膜用于NH3的检测。

图3 (A)含有HPQ-AC的不同薄膜在饱和NH3中的荧光强度；(B)HPQ-AC-IOPC350在NH3中的荧光光谱

此外，改变在IOPC350薄膜上HPQ-AC的填充体积，制备了不同填充量的光子晶体传感薄膜，用于检测NH3。当填充体积从5µL逐渐增加到25µL，荧光强度达到最大，因此，选用25µL HPQ-AC填充的IOPC350作为传感薄膜用以研究检测NH3的性能。

2.4 (HPQ-AC)-IOPC350检测NH3和HCl

将制备的（HPQ-AC）-IOPC350薄膜暴露于NH3、H2O和其他挥发性有机化合物的饱和蒸气中，测试荧光性质，以研究其对NH3检测的选择性。由图4A可见，在NH3中，薄膜在496 nm处显示出最强的荧光，而且明显高于在其他气体环境中。这是基于NH3与HPQ-AC专一的氨解反应生成荧光产物［24］，因此，所构建的传感薄膜对NH3具有良好的选择性。图4B给出了该薄膜在不同浓度的NH3中的荧光光谱。显然，随着NH3浓度增大，由于形成更多的HPQ，荧光逐渐增强。当NH3浓度在0.46~13.8 mg·L-1范围内时，薄膜在496 nm处的荧光强度与浓度成良好的线性关系，R2=0.977（图4C），根据标准偏差法（3σ/s，其中σ为空白样品荧光响应的标准偏差，s为校准曲线的斜率），计算得到NH3的最低检测限为0.285 mg·L-1。该薄膜在3种不同浓度的NH3中的荧光强度随时间变化示于图4D。结果表明，对任一浓度，均可在0.5 min内观察到荧光急剧增强，表明该薄膜对NH3的响应速度很快。这是由于反蛋白石光子晶体薄膜的互相贯穿的三维大孔结构有利于NH3的扩散，同时薄膜的高比表面积提供了更多的反应活性位点。

图4 (HPQ-AC)-IOPC350检测NH3的性能

与NH3作用后的（HPQ-AC）-IOPC350薄膜置于HCl气体氛围中，荧光发生猝灭，这是因为氨解作用生成的HPQ在酸性条件下分子内的氢键被破坏［24］，失去聚集诱导发光效应；当再次置于NH3中，荧光再次出现。交替置于NH3和HCl气体中的荧光强度变化如图5A所示，结果表明经过10个循环后薄膜仍然保持良好的可逆性，说明所构筑的荧光传感薄膜可以被重复使用检测NH3。薄膜暴露于不同气体中的荧光光谱如图5B所示。初始的传感薄膜在空气中显示出非常微弱的荧光，而在暴露于NH3后，由于HPQ的形成，在496 nm处发生强荧光；随后，将传薄膜置于HCl气氛中，荧光完全猝灭。该传感薄膜在不同气体中的相应光学照片如图5C所示，发现该传感薄膜在不同的气体氛围下呈现明显的颜色差别，而在NH3中紫外光下呈现明亮的绿色。

图5 (A)(HPQ-AC)-IOPC350薄膜荧光强度;(B)荧光光谱;(C)在日光灯(ⅰ)和365 nm紫外光照下不同气体中的光学照片(ⅱ-ⅳ分别为薄膜置于空气、NH3和HCl气体中)

接下来，考察了该传感薄膜对HCl气体的检测能力。图6A显示了（HPQ-AC）-IOPC350薄膜在与NH3作用后置于在不同浓度的HCl气体中的荧光光谱。显然，随着HCl气体浓度的增加，传感薄膜的荧光强度逐渐降低，且荧光强度与HCl气体浓度在0.04~0.70 mg·L-1范围内呈现良好的线性关系（图6A插图），计算得到最低检测限为0.015 mg·L-1。图6B为传感薄膜与HCl作用的时间关系图。由图6B可知，0.5 min后薄膜的荧光明显降低，在约6 min后趋于平衡，且随着HCl浓度的增大，薄膜的荧光强度最终可以完全猝灭。结果表明，（HPQAC）-IOPC350薄膜不仅可以用以检测NH3，同时也可用HCl再激活传感薄膜，使其能够重复使用检测NH3，也可以实现连续检测HCl气体。

图6 (A)(HPQ-AC)-IOPC350与NH3作用后在不同浓度的HCl气体中的荧光光谱；(B)不同时间的荧光浓度

3 结论

本文以2-（2-乙酰氧基苯基）喹唑啉-4（3H）-酮填充的SiO2反蛋白石光子晶体为传感薄膜，实现了对NH3和HCl气体的荧光传感。所制备的传感薄膜暴露于NH3氛围中0.5 min内，就显示强的荧光，且荧光强度急剧增加，这是因为HPQ-AC在NH3作用下发生氨解生成荧光产物HPQ，同时借助反蛋白石光子晶体三维大孔结构提高检测速度，0.5 min内即有明显响应；利用慢光子效应显著增强荧光信号提高检测灵敏度，NH3的最低检测限为0.285 mg·L-1，且具有优异的选择性。另外，与NH3作用后的薄膜可以继续检测HCl气体，最低检测限0.015 mg·L-1，这是由于HPQ分子内原有的氢键在酸性条件下破坏，导致荧光猝灭。因此，所构筑的光子晶体传感薄膜能够有效且连续的检测NH3和HCl气体，为制备新型气体传感器提供了思路。