空气中二氧化硫检测的便携AIE水凝胶及装置研制

温淑君 阮小涵 黄咏琳 梁鸿杰 王世卓 李新仪 赵晓芳* 焦哲*

(1.东莞理工学院 生态环境与建筑工程学院,广东东莞 523808;2.东莞理工学院 国际微电子学院,广东东莞 523808)

目前我国大气污染情况仍旧严重,存在着许多对人类具有危害的气体,其中包括酸性还原性的气体,如SO2等。SO2气体是大气中的主要污染物之一,其来源十分广泛,可对人体造成呼吸道损伤、心血管系统疾病、致癌等[1]。因此,对检测大气环境中有毒有害气体含量的需求大大增加,能够快速且灵敏地检测出环境中的SO2气体对保护人类身体健康具有重大的意义。

当前可用于检测大气环境中有毒有害气体的方法有色谱法[2-4]、电化学分析法、滴定分析法[5]等。色谱法是将微量物质以气体形式进行脱附,然后用色谱柱对其进行分离,再用检测器对分离的各成分进行检测,具有灵敏度高、分析速度快等优点,但其需要昂贵精密的大型仪器和复杂的前处理操作支撑;电化学分析法是基于气体和电极表面的反应进行测量,使用简单、线性输出及通用性好,但该传感器使用寿命短且需特别注意储存;而滴定分析法是建立在滴定反应基础上的定量分析法,其对仪器要求不高,操作简单,但是灵敏度较差。相比之下,基于荧光原理,通过荧光信号的变化检测目标物质的存在和浓度的荧光化学传感器[6]显得十分具有优势,它们不受其他常见传感设备的缺点制约,无需价格高昂的仪器设备支撑,更不用花费很长的时间去分析检测,它们可以快速地产生信号。

薄膜基荧光传感器自21世纪初实现工业应用以来, 已逐渐发展成一类最具发展潜力的微痕量物质原位快速探测技术。荧光传感技术具有特征信息丰富、传感选择性良好、探测灵敏度极高、传感重现性极好以及取样量极少等突出的特点[7-8]。并且,荧光化学传感器中所使用的荧光分子需要具备高荧光量子产率、良好的光化学稳定性等特点。但是,目前在已报道的荧光膜中,这些分子通常以固体状态出现,荧光共轭分子之间的强π-π相互作用易导致聚集状态下的荧光下降甚至淬灭(ACQ),这是荧光化学传感器的发展进入瓶颈的原因之一[9-11]。2001年, 唐本忠院士课题组在研究六苯基噻咯(HPS)分子时发现该分子在溶液状态下没有荧光发射,而当分子处在聚集状态或固体状态时,其荧光强度显著增强,这一现象被他们称为聚集诱导发光 (aggregation-induced emission, 简称AIE)[12-15]。这完全颠覆了常规的光物理概念,随后这一原创性概念在全世界掀起了研究具有AIE特性的荧光分子(aggregation-induced emission luminogens, AIEgens) 的热潮。AIEgens之所以能够引起如此广泛的理论研究和应用研究,在于其最大特点:AIEgens在溶液状态基本不发光,而在聚集态或固态下荧光增强,这使得荧光化学传感器瓶颈问题之一迎刃而解。并且,由于避免了ACQ效应,AIEgens可以在高浓度下工作,光稳定性与其它荧光分子相比有了显著的提高[16-18]。

然而,尽管荧光化学传感器领域取得较大进展,但可用于检测的传感平台仍然稀缺,其应用过程也有一定局限,所以,实现酸性还原性气体的实时光学传感具有一定的挑战性和重要意义。在光学测量选择上,相比起刚性基板上的响应涂层,高比表面积的柔性材料具备一定的优势,其更适用于便携式设备的在线快速检测。根据现有的研究结果,相较于同种材料的传统薄膜,柔性材料灵敏度更高,响应更快速,其具有高比表面积以及出色的机械强度和柔韧性,因此具有纳米结构的传感薄膜是一种很好的替代方法。关于荧光传感与水凝胶载体结合方面的检测研究逐渐火热,并取得了一些进展。例如用嵌入聚合物水凝胶膜中的pH敏感荧光染料检测CO2;基于凝胶薄膜的气体传感分析的开发[19];在离子凝胶膜传感器的基础上进行氨气的荧光化学检测[20]等。

团队在此前的研究基础上,设计并合成了一种具有荧光比色型的AIE分子(InTPAPy),该分子能够对气体环境中的SO2气体产生相应的荧光以及颜色响应。为结合复合水凝胶的高效气体吸附特性及其多层的网孔结构,使其为凝胶内部的AIE分子(InTPAPy)与SO2气体的反应提供多个反应位点,达到提高其反应效率的目的,团队将该AIEgen与一种易于合成的透明质酸钠/海藻酸钠复合凝胶相结合,得到一种能够适用于环境监测、临床分析等的水凝胶便携式传感器。随后,采用本团队开发的便携检测装置实现对水凝胶传感器颜色的检测,将水凝胶传感器的光响应转化为数字化的RGB值,利用程序判断其是否超标并显示出来,以此来达到对气体环境进行识别和预警的目的。在此基础上,对水凝胶上AIEgens的浓度进行了优化,使其能够更加灵敏、快速地对检测气体做出响应。研究InTPAPy-SA/HA水凝胶对不同浓度检测物的响应时间、发射强度以及检出极限的结果并进行传感性能评估。在与常规的pH试纸进行比较时,InTPAPy-SA/HA水凝胶显现了其具有更高的灵敏度优势。

1 实验仪器与材料

1.1 实验仪器

全自动比表面积和微孔分析仪(JW-BK112(规格型号),北京精微高博科学技术有限公司(生产厂家),中国(国家));荧光分光光度计(Lumina,赛默飞世尔科技公司,美国);紫外-可见分光光度计(UV-8000,岛津公司,日本);高分辨质谱仪(SolarixXR,布鲁克公司,德国);核磁共振仪(ARX 500 MHz,布鲁克公司,德国);磁力搅拌器(ZNCL-BS140,上海凌科实业发展有限公司,中国);电子天平(MP-2002,上海恒平科学仪器有限公司,中国);紫外灯(SupcreG6R,杭州迅数科技有限公司,中国);干燥箱(ZETASIZERNANOZS,Malven,英国);真空干燥箱(DZF-L,上海丙林电子科技有限公司,中国);旋涡混合仪(QL-866,其林贝尔仪器制造有限公司,中国);高速离心机(TG16-WS,湖南湘仪实验室仪器开发有限公司,中国);pH计(PHS-3CB,上海越平科学仪器有限公司,中国)。

1.2 实验试剂

N,N-二甲基酰胺(C3H7NO,AR);氯化钙(CaCl2,AR);二甲基亚砜(C2H6OS,AR);四氢呋喃(C2H8O,AR);乙醇(C2H5OH,AR);2-甲基苯并噻唑(C8H7NS,AR);4-甲酰基三苯胺(C19H15NO,AR);N-溴代丁二酰亚胺(C4H4BrNO2,AR);4-吡啶基硼酸(C5H6BNO2,AR);1,2,3,3-四甲基-3H-吲哚鎓碘化物(C12H16IN,AR);四(三苯基膦)钯(Pd(PPh3)4,AR);噻唑蓝(C18H16BrN5S,AR);荧光探针(MTDR,AR);1,4-二恶烷(C4H8O2,AR),生产厂家是Sigma-Aldrich;海藻酸钠(SA/M:G=1:1,AR);透明质酸钠(1.0 MDa～1.8 MDa,AR);硫化亚铁(FeS,AR),生产厂家是Macklin;硫酸标准溶液(H2SO4,AR),生产厂家是BOLINDA。

2 实验方法

2.1 探针InTPAPy的合成

合成路径如图1所示。

图1 荧光探针InTPAPy的合成路径

化合物1的合成:将4-甲酰基三苯胺(5.46 g,0.2 mol)溶于干四氢呋喃(50 ml)中。在室温下分两次加入N-溴代丁二酰亚胺(9.26 g,56 mmol,2.6 ep),整个过程在氮吹条件中进行。将混合物在室温下搅拌1 h,然后加热回流10 h。通过TLC监测反应的完成。然后蒸发溶剂,并向残留物中加入过量的二氯甲烷。将固体过滤并用二氯甲烷洗涤。滤液用20% Na2CO3水溶液和水洗涤。用分液漏斗分离,有机相部分用无水Na2SO4干燥,过滤,并通过旋转蒸发除去溶剂。残留物通过硅胶柱色谱法(石油醚/氯仿,1∶2)纯化,得到化合物1。

化合物3的合成[21]:将化合物1(430 mg,1 mmol)、4-吡啶基硼酸(370 mg,3.0 mmol)和K2CO3(3.0 mmol,3.0 ml,1.0 mM)以及Pd(PPh3)4(20 mg,0.054 mmol)加入1,4-二恶烷(10 ml)中。将混合物在110 ℃、N2下搅拌4 h,混合物变为棕色。然后将混合物冷却至室温并倒入水中。用饱和NaCl溶液洗涤有机相,并用硫酸钠干燥,通过旋转蒸发除去溶剂。浓缩溶液后,当向油性产物中加入大量甲醇时,沉淀沉淀。将沉淀物用甲醇洗涤,得到化合物3(278 mg,65%)。

化合物5的合成:化合物3(855 mg,2 mmol),化合物4 (1,2,3,3-四甲基-3H-吲哚鎓碘化物662 mg,2.2 mmol),溶于乙醇中。将反应混合物在80 ℃下回流,TLC检测,反应结束后浓缩反应液,然后通过二氯甲烷和乙醚沉降过滤得到沉淀,并在50 ℃的真空烘箱中干燥。最后得到紫黑色固体(1.26 g,回收率89%)。1H NMR (400 MHz, DMSO-d6) δ 8.68(d,J=4.6 Hz, 4H),8.39(d, J=16.0 Hz, 1H),8.16(d,J=7.8 Hz,2H), 7.93 (d, J=7.2 Hz, 4H), 7.83 (dd, J=16.8, 5.8 Hz, 6H), 7.60 (p, J=7.6 Hz, 2H), 7.51 (d, J=16.0 Hz, 1H), 7.35 (d, J=7.2 Hz, 4H), 7.16 (d, J=7.6 Hz, 2H), 4.09 (s, 3H), 1.78 (s, 6H). 13C NMR (100 MHz, DMSO-d6) δ 181.10, 152.51, 151.08, 149.43, 146.84, 146.52, 143.29, 141.88, 133.22, 132.68, 128.88, 128.62, 128.37, 126.04, 122.81, 121.28, 121.09, 114.74, 110.33, 51.78, 34.13, 25.56.

2.2 InTPAPy-SA/HA复合水凝胶的合成

制备SA/HA水凝胶纸膜,需取海藻酸钠1.0000 g和透明质酸钠HA(0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 g、HA分子量为1.0 MDa～1.8 MDa)溶于100 mL纯水中,在70 ℃下磁力搅拌6 h。待冷却至室温后,取2.7 ml SA-HA溶液于5 mL离心管中,加入300 μL的DMF(SA∶DMF=9∶1)。然后,将溶液摇动搅拌1 min,再用超声波清洗装置将混合物消泡15 min,制备出SA/HA溶胶。将SA/HA溶胶倒入模具中,在70 ℃的鼓风干燥箱中保持1 h。之后,加入CaCl2溶液(0.1 mol/L)2 mL作为交联剂交联2 min,即制得凝胶传感器试纸。通过材料表征数据得出SA/HA的最佳质量比例为1∶0.4。

为制备InTPAPy-SA/HA水凝胶纸膜传感器,取InTPAPy分子探针3 mg溶于1 mL N,N-二甲基酰胺中制成探针母液(4.2×10-3M)。按照上述步骤制备SA/HA(1∶0.4)溶胶并用pH计将溶胶的pH值调至7。取2.7 ml SA/HA溶胶于5 mL离心管中,加入270 μL的N,N-二甲基酰胺(SA∶DMF=9∶1)。然后,加入30 μL的InTPAPy母液,将溶液摇动搅拌1 min后,用超声波清洗装置将混合物消泡10 min,之后放入设置为6 000转的高速离心机离心2 min。离心后将InTPAPy-SA/HA溶胶倒入模具中,在70 ℃的鼓风干燥箱中保持1 h。最后,加入CaCl2溶液(0.1 mol/L)2 mL作为交联剂交联2 min。制得酸性还原性气体凝胶传感器试纸(4.2×10-5M)凝胶测试条。

2.3 光谱数据测定

取质量为 0.014 2 mg的InTPAPy粉末溶解于1 mL的N,N-二甲基酰胺中,配制浓度为2×10-2mol/L的探针原液,再配制pH值1～14的标准溶液做备用。取探针原液3 μL加入3 mL的纯水溶液中,最终测试浓度为 2×10-5mol/L进行紫外可见光谱测定从而确定最大吸收波长。同时测定荧光光谱进而研究了探针的AIE性质。先准备不同比例的DMF/H2O溶液,取配制好的溶液至比色皿中,加入30 μL 的探针原液,其总体积为3 mL。在最大吸收波长处测定不同比例溶液的荧光光谱。

将探针原液3 μL分别加入不同pH值的缓冲溶液中,记录InTPAPy在不同pH值下的紫外吸收光谱(UV-vis)和光致发光光谱(PL)作出pH值浓度线性拟合曲线计算检出限,最终测试浓度与体积分别为2×10-5mol/L、3 mL。

2.4 InTPAPy-SA/HA水凝胶对SO2气体的比色检测

将InTPAPy-SA/HA水凝胶传感器暴露在不同质量分数的SO2气体,质量分数分别为0.125×10-6～10 ×10-6。然后用智能手机分别拍摄记录不同暴露时间的水凝胶传感器图片。之后通过设计开发的便携检测装置进行分析检测,从而得到InTPAPy-SA/HA水凝胶在不同质量分数下暴露于SO2气体时的色彩R值。根据已报道的文献,使用Kipp装置获得所有气体[22-23]。圆底烧瓶的体积为500 mL,具体反应方程式如下:

SO2(gas)∶Na2SO3(s)+H2SO4=Na2SO4+H2O(l)+SO2(g).

3 便携检测装置的设计

为实现对薄膜凝胶传感器颜色的检测,以此用来对酸性还原性气体质量分数超标的环境进行识别和预警,以及体现装置的便携性这一重要特点,使用户可以方便地操作装置实现现场酸性还原性气体质量分数是否超标的判断,同时也可以通过小程序远程来查看检测结果,提出了一种解决方案:测量模块搭配使用无线模块实现近距离测量和远程监测。考虑到便携性、易维护等因素,使用无线网络通信技术(Wi-Fi)和电路模块化设计来实现设备的开发。由于无线网络的频段在世界范围内是无需任何电信运营执照的,因此WLAN无线设备提供了一个世界范围内可以使用的、费用极其低廉且数据带宽极高的无线空中接口。在使用时,只需要将配置有WIFI模块的装置放置在WIFI热点覆盖的区域,即可实现设备的连接和数据上传云端的操作。另外,采用模块化的方式开发设备,处理起来更方便,模块可直接拆卸,有利于降低产品的设计风险和具体耗损。

最后,电子检测系统应该能将薄膜凝胶传感器的光响应转化为数字化的RGB值,根据实验结果,利用程序判断是否超标并显示出来。因此,还需要用到颜色传感器芯片、显示屏等元件,下面将提到所需关键模块及其特性。图2是电子检测系统的初代模型。

图2 便携检测装置初代模型

4 结果与讨论

4.1 荧光分子对InTPAPy-SA/HA复合水凝胶与SO2反应前后的可视化检测

采用波长扫描的测量方式,在荧光条件下,获得InTPAPy-SA/HA复合水凝胶与SO2反应前后的分子荧光光谱图。水凝胶与SO2反应前,如图3中A曲线,从发射峰波长390 nm开始,水凝胶的荧光强度渐渐增加,直至峰值461 nm处,水凝胶的荧光强度才慢慢减弱,发射峰波长657 nm之后,荧光强度到达峰谷657 nm同时趋于0。对比水凝胶与SO2反应后(图3中B曲线)可知,与SO2反应后的水凝胶的分子荧光光谱变化趋势大体与反应前一致,然而其峰值与谷值都发生了一定的右偏移,即其峰值反应前461 nm,反应后469 nm,其谷值反应前657 nm,反应后672 nm。

图3 InTPAPy-SA/HA复合水凝胶与SO2反应前(A)和反应后(B)的分子荧光光谱图

4.2 InTPAPy-SA/HA复合水凝胶的结构表征

利用扫描电子显微镜(SEM),可以观测到水凝胶的内部结构——凝胶内部是由蜂窝状的互连孔洞交织形成的3D网孔结构,如图4(A)所示。随着HA含量的增加,越来越多的层状结构出现在凝胶内部;当HA与SA的质量比为1∶0.4时,可以观测到凝胶内部存在多层且相对规则的多孔网络结构,这种结构大大增强了凝胶吸附气体的能力[24]。和单一的链状网络结构比较,水凝胶中,化学交联包括聚合物链缠结的增加,使得凝胶内部的多孔结构逐渐变得紧凑。这种结构有助于气体的吸附和解吸,因为3D网孔框架可以扩大水凝胶和检测气体之间的接触面积,这在其他研究中也有报道[25-26]。该凝胶骨架的形成主要依赖于海藻酸钠中的羧基和二价阳离子之间形成的配位键以及海藻酸钠中含有的两个糖醛酸之间的1,4-糖苷键。同时,投加HA更是为原本的层状多孔结构积累了许多平面。显然,与单一的链状网络相比,这样的结构更加稳定,从而也增加了被凝胶包裹的探针InTPAPy和酸性还原性气体之间的反应位点的数量。

图4 SA/HA的SEM图片(A);InTPAPy-SA/HA0.4的BET分析图(B)

通过Brunauer-Emmett-Teller (BET)比表面积测试法,进行氮气吸附-解吸的实验,实验结果如图4(B)所示,随着HA的质量占比增加,水凝胶内部的比表面积与孔体积逐渐增大,两者之间呈现正比例关系;相反地,随着HA的含量增加,水凝胶内部孔径开始缩小,两者之间呈现反比例关系。根据以上结果可以推测,HA含量占比的增加,将促使凝胶内部形成更多的层状结构;层状结构的增多,使得凝胶内部结构的网格面的数量上升,同时,其中的网孔数量也随之增加,网孔之间因此更加紧密,使得水凝胶内部比表面积与孔体积也随之增大。然而,由于更多的聚合物链堆积缠绕,凝胶内部的孔洞受到挤压收缩从而使得孔径减小。这样的结构更利于水凝胶对气体的吸附,也使得探针分子InTPAPy与气体的接触面积增大,提高水凝胶吸附气体的灵敏性和有效性[27]。本实验推断得到的结论和分析与扫描电子显微镜观测的结论一致。

4.3 InTPAPy-SA/HA水凝胶通过比色法结合便携检测装置分析检测SO2气体

为实现检测SO2气体可视化,利用探针InTPAPy针对SO2气体时存在灵敏的色彩变化感应能力这一特性,结合多次实验探究得到SA/HA的最佳质量比(1∶0.4)后,通过SA/HA复合水凝胶包裹探针InTPAPy,制备了这样一款吸附气体灵敏的复合型凝胶。为研究该凝胶涂层InTPAPy-SA/HA对SO2气体的比色传感能力和检测的灵敏性,我们设计了以下实验:将InTPAPy-SA/HA水凝胶暴露在不同质量分数的SO2气体中进行研究。如表1所示,水凝胶未接触气体前,可见光下一般呈现紫红色,接触SO2气体后,在一定的时间内,凝胶将逐渐褪色并开始显现黄色,且黄色的深浅度随凝胶接触气体的质量分数增加呈现梯度加深变化。同时,伴随着SO2气体质量分数的升高,凝胶变黄色的时间也逐渐缩短,从一开始暴露在质量分数0.125×10-6的SO2气体中8 min 16 s后才变黄色,到后来暴露在质量分数分别为0.5×10-6、1×10-6、5×10-6、10×10-6的SO2气体中分别在7 min 38 s、5 min 3 s、2 min 40 s、2 min 10 s、2 min 10 s后即变黄色可以明显看出,气体质量分数对凝胶反应检测的时间影响较大,即当气体质量分数增大,凝胶反应检测的时间越短。通过辨别水凝胶在SO2气体中开始变黄色的反应时间,可以推断出此时环境中SO2气体的质量分数。实验中,不仅在可见光中利用智能手机记录下凝胶与气体反应前后的对比图,同时利用便携检测装置对反应后的凝胶进行检测,得到反应后的水凝胶色彩的R值。可以发现,随着气体质量分数的增加,反应后的凝胶色彩的R值也存在着明显的变化,如图5所示。

表1 InTPAPy-SA/HA水凝胶在可见光下暴露于不同质量分数的SO2气体中的时间与前后对比

图5 InTPAPy-SA/HA水凝胶暴露于不同质量分数下的SO2气体时的色彩R值

5 结语

利用新型水溶性AIE分子InTPAPy对SO2气体有灵敏的反应这一特性,使其作为探针,同时结合最佳配比下的海藻酸钠/透明质酸钠水凝胶调配制备了InTPAPy-SA/HA的复合水凝胶,它对SO2气体具有敏感的感应能力,并因此产生明显的颜色变化:从紫红色变为黄色。借助于本团队开发的便携检测装置实现对水凝胶传感器颜色的检测,该水凝胶传感器有望应用于各种领域中,成为一种环境空气质量实时监测的有效方法。SO2气体质量分数的检出限为0.1×10-9。值得注意的是,所开发的水凝胶传感器可用于定性或半定量分析。对于定量分析,应在采用该方法检测出含有目标气体时,将其标记并采取适当措施后,利用标准采样方法采样分析。