罗丹明6G-聚乙烯亚胺改性纤维素纳米晶的制备及性能*

范 江，张素风

（1 陕西工业职业技术学院 化工与纺织服装学院，陕西 咸阳 712000；2 陕西科技大学 轻工科学与工程学院，陕西 西安 710025）

铁离子在细胞的电子传输和新陈代谢等过程中非常关键[1-2]。因此，实现对铁离子的快捷、高效和灵敏检测至关重要。有机荧光染料（如：罗丹明和亮甲酚蓝等），虽然可广泛用于金属离子检测，但存在水溶性和生物相容性较差的难题[3]。可利用金属纳米颗粒、二氧化硅或聚合物纳米粒子功能化改性有机荧光染料来解决这些难题[4-6]。Wang等[7]利用金纳米粒子（AuNPs）修饰亮甲酚蓝（BCB），获得传感器BCB-AuNPs，实现对水中Pb2+的选择性识别，检测限为0.51nM。Wu等[8]以SiO2功能化改性1, 8-萘酰亚胺类荧光染料，实现对Ag+的选择性识别，检测限为7.2μM。Fu等[9]获得一种三嗪聚合物纳米微球NOP-28，实现对水中Hg2+的选择性识别，检测限为12.0ppb。然而，以上改性措施仍面临不可再生和难降解等缺点。

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纤维素纳米晶（CNC）具有纳米颗粒的尺寸，因高亲水性、优异的生物相容性和易再生性等优点，可用于pH检测、金属离子传感和细胞成像等应用场景[10-11]。Tang等[12]以荧光素CDCF改性CNC，实现pH（2.28～10.84）传感。Mahmoud等[13]制备罗丹明B异硫氰酸酯改性CNC的荧光探针，其没有明显细胞毒性。Colombo等[14]制备一种Alexa Fluor 633功能化CNC材料，能用于骨病诊断领域。Zhang等[15]利用1-嗅芘改性CNC，实现对Fe3+的选择性检测。Zhang等[16]利用7-氨基-4-甲基香豆素标记CNC，能用于Cu2+的选择识别和定量分析检测。Wu等[17]以1, 8-萘二甲酰亚胺（AANI）改性CNC，实现对Pb2+的选择性识别，检测限为0.15μM。Li等[18]以叶啉衍生物改性CNC，制得传感器CNC-SACOOC6TPP，实现对Hg2+的高选择性识别，检测限为50nM。可以看出，利用有机荧光染料改性CNC，不仅可改善荧光团在水中的溶解性，还可提高CNC对金属离子的传感性能。

罗丹明6G（R6G）因毒性低和光物理性能优异等特性，已广泛用于金属离子传感领域[19]。聚乙烯亚胺（PEI）富含伯胺、仲氨和叔胺等官能团，可用于金属离子的吸附和检测过程[20]。利用罗丹明6G和聚乙烯亚胺化学改性纤维素纳米晶，有望提高其对金属离子的检测性能。本研究以纤维素纳米晶为基底，利用罗丹明6G和聚乙烯亚胺进行化学改性，构筑传感器CNC-PEI-R6G。利用FT-IR、XRD和XPS等仪器表征CNC-PEI-R6G的化学结构；运用UV-vis和PL来分析CNC-PEI-R6G对Fe3+的传感性能。基于CNC-PEI-R6G结构与性能的研究对拓展纤维素基金属离子传感器具有重要意义。

1 实验部分

1.1 实验材料

罗丹明6G（分析纯，安耐吉化学）；聚乙烯亚胺（分子量600，纯度99%，安耐吉化学）；纤维素纳米晶（化学纯，天津木精灵生物科技有限公司）；盐酸羟胺（纯度98%，安耐吉化学）；二甲基亚砜、无水乙醇、Ca(NO3)2•4H2O、Cu(NO3)2•3H2O、Mg(NO3)2•6H2O、Cd(NO3)2•4H2O、Ni(NO3)2•6H2O、Al(NO3)3•9H2O、Co(NO3)2•6H2O、Fe(NO3)3•9H2O、Pb(NO3)2、Cr(NO3)3•9H2O、Hg(NO3)2•H2O、Fe(NO3)2•6H2O（分析纯，天津市大茂化学试剂厂）；实验用水为去离子水。

1.2 仪器设备

分布于一级阶地及支谷漫滩中，含水层由第四系上更新统别拉洪河组冲积砂砾石组成，其中含约5%的黏性土，含水层厚度越接近山前台地越小。另外，含水层中还夹有0.30～2.50 m厚粉质黏土透镜体。砂层中赋存孔隙承压水。含水层厚度13.0～54.35 m。地下水水位埋深4.56～11.26 m，单井涌水量 106.84～1 000.00 m3/d，渗透系数 10.0～36.50 m/d。

1.3 试样制备

CNC-PEI-R6G的制备步骤，如图1所示。具体制备方法如下。

图1 CNC-PEI-R6G的合成过程Fig. 1 Synthesis process of CNC-PEI-R6G

1.3.1 罗丹明6G-聚乙烯亚胺（R6G-PEI）的合成

在以往的研究中，吉卜林“长期以来被视为英国在印度的殖民统治的辩护人，背负着‘帝国主义作家’的恶名”。譬如，评论家艾德蒙·威尔逊就批评基姆“讲自己所爱的人送入英国侵略者之手”，“利用自己对当地的了解来防止和压制当地人对英国的反抗”而基姆——吉卜林的代言者——之所以为英国情报机构工作，完全可以是为了挽救已经满是伤痕的印度于另一场侵略战争之中。这也就是为什么，英国的情报机构有印度人的忠诚参与。我们不能因为吉卜林是英国人，就臆测他的一切行为都是以英国的殖民统治为出发点的(当然无法忽视的是他身上仍旧带有时代的局限性)。

往纤维素纳米晶（1g）中，加入高碘酸钠（1.3g）和去离子水（100mL），调节pH值为3～4，超声，分别避光反应（50℃）1～6 h。抽滤，用去离子水和乙醇反复洗涤3次，干燥6h，获得D-CNC固体。

北京农村地区“煤改清洁能源”应用方案研究…………………………………… 蔄紫薇，高慧明，冯涛（10-171）

1.3.2 双醛纤维素纳米晶（D-CNC）的合成

在无水乙醇（200mL）中，加入罗丹明6G（1g）和聚乙烯亚胺（10g），回流反应24h。将冷却的混合液在透析袋（截留分子量为1000 Da）中透析72h后，抽滤，真空干燥（50℃）6h，获得0.8g R6G-PEI固体粉末。

1.3.3 罗丹明6G-聚乙烯亚胺改性双醛纤维素纳米晶（CNC-PEI-R6G）的合成

学生译文：In order to suit the need for future work,students must grasp some skills.

2 结果与讨论

2.1 CNC-PEI-R6G的组成结构

测定D-CNC中的醛基含量是通过D-CNC中的醛基和盐酸羟胺之间的缩合过程来进行[21]。从图2可看出，反应时间为1h、2h、3h、4h、5h和6h时，D-CNC中醛基的含量分别为19.8%、26.7%、40.3%、50.7%、59.1%和41.4%。D-CNC中醛基的含量随着反应时间（1～5 h）的延长而增加。然而，反应时间为6h时，D-CNC中醛基的含量会降低，是由于D-CNC中的醛基和CNC链上的羟基产生缩合过程，生成半缩醛结构消耗部分醛基造成的[22]。

往D-CNC（0.5g）中，加入二甲基亚砜/乙醇（2:8，V/V，200mL），超声，加入R6G-PEI（0.3g），加热反应（60℃）24h。将冷却的悬浮液在透析袋（截留分子量为1000 Da）中透析24h后，浓缩、超声并保存在冰箱（4℃）中，备用。干燥6h，获得CNC-PEI-R6G固体粉末。

图2 双醛纤维素纳米晶中醛基的含量与氧化时间的关系图Fig. 2 Schematic diagram of aldehyde content in dialdehyde cellulose nanocrystals and oxidation time

表2是CNC、D-CNC和CNC-PEI-R6G的EDS分析结果。可以看出，CNC表面的C含量是51.12%，O含量是48.88%；D-CNC表面的C含量是51.68%，O含量是48.32%，说明NaIO4氧化作用对CNC和D-CNC表面的C和O含量的影响较小；CNC-PEI-R6G表面的C含量是52.59%，O含量是42.21%，而N含量是5.20%，说明已成功合成CNC-PEI-R6G。

图3 R6G、R6G-PEI、CNC、D-CNC和CNC-PEI-R6G的红外光谱图Fig. 3 FT-IR spectrum of R6G, R6G-PEI, CNC, D-CNC and CNC-PEI-R6G

由图3可以看出，R6G曲线中的1714cm-1处的吸收峰是R6G酯基官能团上C=O的特征峰[23]。R6G-PEI曲线中的1681cm-1处的吸收峰是R6G-PEI五元环上C=O的特征峰，3423cm-1处的吸收峰是R6G-PEI中氨基（N-H）的拉伸振动，说明已成功制备R6G-PEI。CNC曲线中的1612cm-1处的吸收峰是CNC上C-O的伸缩振动，2900cm-1处的吸收峰是CNC上亚甲基C-H的伸缩振动，3459cm-1处的吸收峰是CNC上O-H的伸缩振动，1113cm-1处的吸收峰是CNC上内醚C-O的伸缩振动，1165cm-1处的吸收峰是CNC上C-C骨架的伸缩振动[24]。D-CNC曲线中的1732cm-1处的吸收峰是D-CNC上C=O的拉伸振动，887cm-1处的吸收峰来源于半缩醛结构的形成，说明NaIO4氧化作用会造成葡萄糖单元的C2-C3键的断裂，在CNC链中引入了醛基单元[25]。CNC-PEI-R6G曲线中的1732cm-1处的吸收峰强度明显减弱，1519cm-1和1451cm-1处的吸收峰分别归属于C=N和C-N的伸缩振动，表明已成功合成CNC-PEI-R6G。

图4为CNC、D-CNC和CNC-PEI-R6G的XRD谱线。可以看出，CNC的四个典型特征峰，在2θ=15.1°、16.2°、22.8°和34.5°处，分别对应CNC结构中的（1-10）、（110）、（200）和（004）的晶面衍射，呈现纤维素I型的结构特征[26-27]；D-CNC和CNC-PEI-R6G的衍射峰的位置均未明显改变，均属于纤维素I型。但CNC在15.1°、16.2°、22.8°和34.5°处的衍射峰强度较高，D-CNC和CNC-PEI-R6G的衍射峰强度较低，表明高碘酸钠氧化作用和罗丹明6G-聚乙烯亚胺化学改性过程会破坏CNC的晶体结构。

红外光谱仪（Bruker Vertex 70型）、X-射线衍射仪（Bruker D8 Advance型）、能谱仪（JEOL 7600 F型）、元素分析仪（Vario EL III型）、X-射线光电子能谱仪（AXIS SUPRA型）、紫外光谱仪（Cary 5000 Agilent型）和荧光光谱仪（FS5 Spectrofluorometer Edinburgh型）。

图4 CNC、D-CNC和CNC-PEI-R6G的XRD谱线Fig. 4 XRD patterns of CNC, D-CNC and CNC-PEI-R6G

表1是CNC、D-CNC和CNC-PEI-R6G的元素分析结果。可以看出，CNC中C含量是41.58%，H含量是5.73%；D-CNC中C含量是40.86%，H含量是5.39%，说明NaIO4氧化作用对CNC和D-CNC中C和H含量的影响较小；CNC-PEI-R6G中C含量是43.10%，H含量是5.25%，而N含量是2.27%，表明已成功合成CNCPEI-R6G。

表1 CNC、D-CNC和CNC-PEI-R6G的元素分析数据(%)Table 1 Element analysis results of CNC, D-CNC and CNC-PEI-R6G

图3为R6G、R6G-PEI、CNC、D-CNC和CNC-PEIR6G的红外光谱图。

3.加强交通设施建设，强化产业发展基础。在公路交通上，吉林省在未来应该加密高等级公路网，力争在2020年实现高速公路全覆盖；升级冰雪旅游关联度高的公路干线，实现冰雪旅游景区与干线路网顺畅连接。在航空交通上，继续建设“一主多辅”机场群，把长春、延吉建设成国际航空港，把长白山机场建设成为国内重要的旅游空港；逐步增加北京、长三角和珠三角等重点客源地城市的航线航班。在铁路交通上，加快建设链接东部城市的快速铁路环线，加快构建西北部电气化环线，早日实现长春两小时通达省内各市的目标；加快开通沈阳、哈尔滨、长春、吉林、延吉等主要客源地至长白山和北大壶等主要冰雪旅游目的地的直通车。

表2 CNC、D-CNC和CNC-PEI-R6G的EDS分析结果(%)Table 2 EDS analysis results of CNC, D-CNC and CNC-PEI-R6G

图5是CNC-PEI-R6G的XPS谱图。宽谱图5 (a)呈3个峰，依次为C1s（284.8eV）、N1s（398.8eV）和O1s（531.7eV），C、N和O的含量分别是74.54%、4.04%和21.42%。由图5 (b) C1s谱图可看出，在285.8eV处的峰是O-C-O/C=O键的结合能，在284.6eV处的峰是C-O、C-N和C=N键的结合能，在284.0eV处的峰是C-C、C=C和C-H键的结合能。由图5 (c) O1s谱图可看出，在531.8eV处的峰是HO-C/O-C键的结合能，在531.1eV处的峰是O=C键的结合能。由图5 (d) N1s谱图可看出，在399.5eV处的峰是N-H键的结合能，在398.7eV处的峰是N-C键的结合能，在397.9eV处的峰是N=C键的结合能[28]。综上所述，CNC-PEI-R6G成功制备。

图5 CNC-PEI-R6G的XPS谱图：(a)宽谱; (b)C1s; (c)）O1s; (d)N1sFig. 5 XPS spectra of CNC-PEI-R6G: (a) broadband spectra;(b) C1s; (c) O1s; (d) N1s

2.2 CNC-PEI-R6G的检测性能表征

往CNC-PEI-R6G溶液（质量分数0.01%）中，分别加入10mg/kg的Ca2+、Co2+、Cu2+、Fe3+、Mg2+、Pb2+、Cd2+、Cr3+、Ni2+、Fe2+、Hg2+或Al3+的金属离子溶液，结果如图6所示。在自然光下，加入Fe3+时，混合溶液在5min内从无色变为粉红色，而加入Ca2+、Co2+或Cu2+等其它金属离子时，观察到无明显颜色改变。混合溶液在紫外灯照射（365nm）下，加入Fe3+时，发射橙色荧光，而加入Ca2+、Co2+或Cu2+等其它金属离子时，未见明亮荧光。结果表明，CNC-PEIR6G可实现对Fe3+的高选择性识别和“裸眼”检测。

图6 CNC-PEI-R6G溶液和不同金属离子的颜色变化:(a)自然光; (b)紫外光Fig. 6 Color changes of CNC-PEI-R6G solutions towards various metal ions: (a) natural light; (b) UV light

图7 是CNC-PEI-R6G溶液与不同金属离子的紫外吸收图。

图7 CNC-PEI-R6G溶液与不同金属离子的紫外吸收光谱Fig. 7 UV-vis absorption spectrum of CNC-PEI-R6G solutions with various metal ions

由图7可以看出，CNC-PEI-R6G溶液在450～650 nm范围内无紫外吸收峰，说明CNC-PEI-R6G中的R6G单元是闭环式“螺内酰胺”的结构形式；加入Fe3+时，混合溶液在530nm处的吸收峰强度明显增强，可能是由于R6G单元与Fe3+发生螯合反应，导致“螺内酰胺”的开环过程；分别加入Cr3+、Hg2+或Al3+时，混合溶液在530nm处的吸收峰强度较弱；分别加入Ca2+、Co2+、Cu2+、Mg2+、Pb2+、Cd2+、Ni2+或Fe2+时，未观察到紫外吸收峰[29-30]。

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图8是CNC-PEI-R6G溶液与不同金属离子的荧光谱图。可以看出，CNC-PEI-R6G溶液在525～675 nm范围内无荧光发射峰；加入Fe3+时，混合溶液在566nm处出现明显荧光发射峰；分别加入Cr3+、Hg2+或Al3+时，混合溶液在556nm处出现较弱荧光发射峰；分别加入Ca2+、Co2+、Cu2+、Mg2+、Pb2+、Cd2+、Ni2+或Fe2+时，混合溶液在556nm处无荧光发射峰。结果表明，Fe3+可诱导CNC-PEI-R6G中R6G单元的“螺内酰胺”的开环过程，CNC-PEI-R6G可实现对Fe3+的高选择性识别。

ERICA的核心评价部分采用三级评估模式，每级评估在输入数据的要求、评估的复杂程度、评价方法及评估结果的保守程度等方面各不相同，各级评估相互独立，评估者可根据需要自由选取某级评估。

图8 CNC-PEI-R6G溶液与不同金属离子的荧光发射光谱Fig. 8 Fluorescence spectra of CNC-PEI-R6G solutions with various metal ions

向CNC-PEI-R6G溶液中，分别加入不同浓度（0～10 mg/kg）的Fe3+，混合溶液的荧光发射光谱如图9所示。可以看出，不加入Fe3+时，CNC-PEI-R6G溶液在566nm处几乎无荧光发射；加入Fe3+（1～10 mg/kg）时，混合溶液在566nm处的荧光强度明显增强。CNC-PEI-R6G溶液在566nm处的荧光强度与Fe3+浓度（0～8 mg/kg）呈良好的线性关系，如图10所示，线性方程为y= 48565x+6779，方差R2= 0.997。根据公式（1）计算得出，传感器CNC-PEI-R6G对Fe3+的检测限（LOD）为0.03mg/kg。

图9 CNC-PEI-R6G溶液与不同浓度Fe3+(0～10 mg/kg)的荧光发射光谱Fig. 9 PL spectrum of CNC-PEI-R6G solutions with various Fe3+concentrations (0～10 mg/kg)

图10 CNC-PEI-R6G溶液在566nm处的荧光强度与Fe3+浓度(0～8 mg/kg)的线性关系Fig. 10 A relationship between the fluorescence intensity at 566 nm of CNC-PEI-R6G solutions with Fe3+ ions concentrations (0～8 mg/kg)

式（1）中：δ为CNC-PEI-R6G空白溶液的荧光发射强度的标准偏差；K为CNC-PEI-R6G溶液在566nm处的荧光发射强度与Fe3+浓度（0～8 mg/kg）之间线性方程的斜率。

随后，探究了传感器CNC-PEI-R6G用于自来水和泳池水等实际水样中铁离子检测的适用性。所有的实际水样经离心、过滤后，铁离子的检测过程与纯水中的相同，重复检测3次。如表3所示，所得回收率（97.00%～101.83%）和相对标准偏差（均小于3%）的检测结果，说明传感器CNC-PEI-R6G能实现实际水样中铁离子的选择性识别，且具有较高的准确性和稳定性。

表3 实际水样中铁离子的检测结果Table 3 Determination results of Fe3+ ions in real water samples

根据传感器CNC-PEI-R6G与铁离子的反应现象，推测CNC-PEI-R6G与Fe3+之间的检测机制可能是：CNC-PEI-R6G中R6G五元环为“螺内酰胺”结构，平面性较高，裸眼观察到CNC-PEI-R6G溶液为无色溶液，且在365nm激发光的照射下，无荧光发射；加入Fe3+时，CNC-PEI-R6G中“螺内酰胺”结构的N/O原子与铁离子相互配位，“螺内酰胺”环被打开（如图11所示），导致光诱导电子转移过程受阻，混合溶液从无色变为粉红色，且发射出明亮的橙色荧光[31-33]。

图11 CNC-PEI-R6G对铁离子的可能识别机制Fig. 11 Probable recognition mechanism of CNC-PEI-R6G towards Fe3+ ions

3 结论

本研究采用化学改性方法，利用有机荧光染料（R6GPEI）接枝CNC基底，获得传感器CNC-PEI-R6G。研究发现，反应时间为5h时，D-CNC中的醛基含量最高（59.1%）。CNC-PEI-R6G能用于水溶液中铁离子的高选择性、高灵敏度（0.03mg/kg）和裸眼识别。此外，CNC-PEI-R6G在水质检测领域表现出广阔的应用前景。该方法可实现纤维素的高值化利用，将产生重要的经济价值。