《武汉工程大学学报》 2020年05期
501-510
出版日期：2021-01-29
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
荧光多孔二氧化硅纳米微球对Hg+离子的选择性检测和去除
SiO2微球通常具有规则的形状、均匀的粒径、良好的分散性、较大的孔体积、规则的孔结构、良好的化学和热稳定性，因而受到了广泛的关注［1］。同时SiO2微球也是一种多孔材料，存在着因微孔产生严重的光吸收和光散射现象的缺点，而且它们易于凝聚，从而阻碍了它们的吸附性能。为了克服这一缺点，需对其表面进行化学修饰。由于SiO2微球表面具有大量的-OH基团，因此非常适合通过表面修饰（氨基、巯基等）进行功能化，最终提高分散性和吸附能力。二氧化硅微球因易修饰的表面而可用作新材料和复合纳米材料的载体，使之在化学催化和细胞标记方面显示出广阔的应用前景［2-3］。随着社会的不断发展，采矿业和电子工业等行业产生大量废水，废水中的重金属离子对空气、土壤、水体造成巨大危害。此外，一些重金属离子如汞、镉、铅等很难被生物降解，它们在食物链中不断富集，最终进入人体，从而造成不可逆转的伤害。因此，识别并去除有害的重金属离子十分必要。仪器检测方法是检测重金属离子的重要方法，典型的仪器方法有：原子吸收光谱法（atomic absorption spectroscopy，AAS）［4-6］，原子荧光光谱法（atomic fluorescence spectrometry， AFS）［7］，离子耦合等离子体质谱（inductively coupled plasma massspectrometry，ICP-MS）法［8-10］和X射线荧光光谱法［11-12］。在这些仪器方法中，通常需要对样品进行预处理、维护成本较高且费时较长。这些问题限制了它们在实际检测中的应用。以荧光探针为基础的荧光检测法具有快速灵敏，便于携带和成本低廉等优点而受到广泛关注［13］。氟硼（boron dipyrromethene，BODIPY）类荧光化合物具有极高的摩尔消光系数和荧光量子效率，随取代基变化其荧光可调范围大，它的光谱性能非常稳定，不易受到溶剂的极性和酸碱度的影响［14］，从而成为一类优秀的荧光探针。以BODIPY为荧光团，当它与具有一定选择性的识别基团相结合时，就可以组成有效的探针分子，可用于检测金属阳离子、阴离子、中性小分子等物质。在微球表面引入荧光探针是对其进行修饰和功能化的良好方法。使得微球不仅可应用于重金属离子的检测识别，还可以对重金属离子吸附去除。Sun等［15］报告了基于卟啉官能化的Fe3O4@SiO2核/壳结构磁性微球的荧光/比色汞离子传感器，这种多功能微球可以对Hg2+选择性识别，可以有效地去除水溶液中的Hg2+离子。Wang等［16］使用溶胶-凝胶法和小分子表面活性剂CTAB成功地制造了一种新型的“多效合一”多功能微球，该微球由荧光中孔二氧化硅壳（罗丹明B坐标受体）和磁芯（Fe3O4）组成，表现了出色的荧光敏感性和对Hg2+的选择性识别性能。已报道的文献表明，荧光微球在检测和去除水中的重金属离子方面具有良好的科研和应用价值。在笔者前期工作的基础上［17］，本文以St?ber法制备粒径不同的SiO2微球［18-19］，然后在微球表面进行氨基化，进而通过-NH2和-CHO基团之间的席夫碱生成反应将荧光探针结合到微球的表面和孔隙中。制备的多孔荧光微球SiNBPA具有对Hg+的单一选择性识别能力，对Hg+的单一选择性识别可确认水中Hg+的存在。同时，SiNBPA可以吸附去除水中的Hg+，这实现了荧光多孔微球的离子识别与吸附分离“双效合一”，吸附效率达到每克荧光微球可吸附水中Hg+1.3~1.5 g。吸附Hg+之后的微球SiNBPA可以被乙二胺四乙酸（ethylene diamine tetraacetic acid，EDTA）还原，EDTA夺取微球SiNBPA上的Hg+，实现微球SiNBPA对水中的Hg+多次吸附分离。与其他可以检测识别重金属离子的化学传感器相比［20-22］，多孔荧光微球SiNBPA的制备过程简单，可大量制备并能重复使用。1 实验部分1.1 试剂与仪器3-吡啶甲醛、2，4-二甲基吡咯、三氟乙酸（trifluoroacetic acid， TFA）、2，3-二氯-5，6-二氰对苯醌（2，3-dicyano-5，6-dichlorobenzoquinone，DDQ）和三氟化硼乙醚（boron fluoride ethyl ether， BF3×Et2O）均购自北京百灵威科技有限公司；三乙胺（triethylamine，Et3N）、正硅酸乙酯（tetraethyl orthosilicate， TEOS）、3-氨丙基三乙氧基硅烷（3-Aminopropyltriethoxysilane， APTES）、丙三醇（glycerine，Gl）无水乙醇?（absolute ethanol?， AE）、氨水、三氯氧磷（phosphorus oxychloride，POCl3）、二甲基甲酰胺（N，N-dimethylformamide，DMF）、EDTA和用于离子识别研究的阳离子无机盐均为分析纯试剂（国药集团化学试剂有限公司）；柱层析硅胶（孔径0.050～0.074 mm，青岛海洋化工有限公司）；其它溶剂均为市售分析纯试剂。AVANCE III 400 MHz型核磁共振波谱仪（四甲基硅烷为内标，瑞士Bruker公司）；Nicolet- 6700FTIR傅立叶红外光谱仪（美国赛默飞世尔公司）；Agilent6520Q-TOF LC/MS型质谱仪（美国安捷伦公司）；TG 209 F3 Tarsus型热重分析仪 （德国NETZSCH）；JEOLJSM-7600F型热场发射扫描电子显微镜（Field Scanning Electron Microscope，FSEM日本电子JEOL）；PHI-5300 ESCA型X射线光电子能谱（美国PE公司）；Shimadzu F-4500荧光分光光度计（日本岛津公司）；UV-5900PC紫外分光光度计（中国上海元析）；ICE 3500原子吸收光谱仪（美国赛默飞世尔公司）。1.2 实验过程1.2.1 多孔荧光微球SiNBPA合成路线 合成路线如图1所示。[m（Ammonia solution）∶m（TEOS）=0.1∶10][m（Ammonia solution）∶m（TEOS）=0.1∶10 pore size-10 nm][m（Ammonia solution）∶m（TEOS）=2.5∶10 pore size-60 nm][m（Ammonia solution）∶m（TEOS）=5∶10 pore size-100 nm][m（Ammonia solution）∶m（TEOS）=10∶10 pore size-600 nm][(10 nm/60 nm/100 nm/600 nm)][(10 nm/60 nm/100 nm/600 nm)][(10 nm/60 nm/100 nm/600 nm)][Original SiO2 Microspheres][SiO2 Etched Microspheres][TEOS][Ethnaol][Ammonia solution][Toluene][Etch][NaoH][NH2(CH2)3Si(OC2H5)3]图1 多孔荧光微球SiNBPA（10/60/100/600）的合成路线Fig. 1 Synthetic routes of fluorescent porous silica microspheres SiNBPA（10/60/100/600）1.2.2 化合物BP的合成 参照文献［23-25］方法合成BP（BODIPY-3-pyridinecarboxaldehyde）和BPA（BODIPY-3-pyridinecarboxaldehyde-aldehyde，BPA）。氮气条件下，将2，4-二甲基吡咯（2.25 mmol，0.214 g）和3-吡啶甲醛（1 mmol，0.107 g）溶于二氯乙烷（dichloroethane，DCE）（30 mL），将溶解于1 mL DCE的TFA（10 mL）逐滴加入到混合溶液中，室温条件搅拌8 h；再将DDQ（0.227 g）溶解于20 mL DCE中，在冰浴条件下逐滴滴加至反应溶液，随后将反应温度升至室温并继续搅拌3 h；然后，在15 min内逐滴滴加Et3N（2 mL）并搅拌1 h；最后在冰浴条件下滴加BF3×Et2O（5 mL）并在升至室温后继续搅拌4 h。将混合溶液分别用氢氧化钠溶液（0.1 mmol/L，100 mL）和去离子水（100 mL）洗涤3次后用无水硫酸钠干燥，减压蒸馏除去溶剂，所得粗产物经柱层析［洗脱剂：V（乙酸乙酯）/V（石油醚）＝1∶30］，得到0.136 g化合物BP，产率42%。高分辨质谱（C18H18BF2N3计算值），m/z：325.162 8（325.16）［M+H］+；核磁共振氢谱（proton nuclear magnetic resonance，1HNMR）（400 MHz，CDCl3）， δ：8.84（s，1H）， 8.55（m，1H）， 7.56 ~7.40（m，2H）， 6.01（s，1H）， 5.90（s，1H），2.98~2.56（m，6H）， 2.27~2.17（m，6H）。1.2.3 化合物BPA的合成 通过维尔斯迈尔-哈克（Vilsmeier-Haack）反应，合成BPA。无水无氧冰浴条件下，将POCl3（3 mL）在30 min内逐滴滴加到DMF（3 mL）中并随后将反应温度升至室温，继续搅拌1 h；然后，再将BP（0.325 g，1 mmol）溶解于50 mL DCE并加入反应体系，随后升温至50 ℃并搅拌3 h。最后，在冰浴条件下加入碳酸氢钠溶液（1 mmol，100 mL），反应完成后用去离子水（100 mL）洗涤3次，并用无水硫酸钠干燥，减压蒸馏除去溶剂，所得粗产物经柱层析［洗脱剂∶V（乙酸乙酯）/V（石油醚）=1∶10］， 得到0.197 g化合物BPA，产率56%。1HNMR（400 MHz，CDCl3），1HNMR（400 MHz， cdcl3），δ：10.01（s，1H），8.01（s，2H）， 7.57 ~7.41（m，2H），5.26（d，1H），3.12（m，6H）， 2.95（m，6H）。1.2.4 多孔氨基微球SiO2（二氧化硅，Silica）-NH2的制备 参照文献［26］的方法，在500 mL的三口烧瓶中加入AE（150 mL）和氨水（40/20/10/4 mL），TEOS（40 mL）溶于AE（40 mL）并逐滴滴加到反应体系中，室温条件下搅拌24 h ，经去离子水洗涤并离心得到不同粒径大小的表面光滑的起始二氧化硅微球。然后，用氢氧化钠溶液（4 mol/L）刻蚀二氧化硅微球10 min得到不同粒径的多孔二氧化硅微球；最后，将刻蚀后的微球（1 g）分散在甲苯中，通过加入APTES（0.2 g）并回流8 h，获得-NH2改性的多孔氨基微球Silica-NH2。1.2.5 多孔荧光微球SiNBPA的制备 分别取不同粒径大小的Silica-NH2（1 g）分散于AE（30 mL）中，将BPA（10 mg）溶于20 mL无水乙醇并缓慢滴加到反应体系内，回流6 h，得不同粒径大小的多孔荧光微球SiNBPA。1.3 溶液的配制以Gl和AE为溶剂［V（Gl）∶V（AE）=2∶1］，配制2 mg/mL的多孔荧光微球SiNBPA分散液，因Gl具有较高的黏度，使微球稳定悬浮于溶剂中，得到紫色分散液。以去离子水为溶剂，配制金属离子（Cu2+，Hg2+，Hg+，Ni2+，Co2+，Cd2+，Pb2+，Fe2+，Ag+，Mg2+，Ca2+，Zn2+，Fe3+，Na+，Ba2+，K+，Al3+）硝酸盐水溶液（浓度为0.01 mol/L）用于直接测定，实验过程中所加入的金属离子的体积均控制在允许的误差内。所有测试均在V（Gl）∶V（AE）=2∶1的混合溶液（pH=7.4）中完成。荧光光谱测试激发波长为320 nm，扫描范围为330~600 nm，加入待测的离子后立即进行测试。2 结果与讨论2.1 二氧化硅微球的形貌分析采用 St?ber 法，在乙醇-水混合体系中，以TEOS在氨水催化作用下的水解反应制备SiO2纳米微球，探究了单一变量因素氨水浓度对SiO2微球粒径的影响。实验中使用5种不同浓度的氨水（4.00，2.00，1.00，0.40，0.04 mol/L）验证了氨水浓度对SiO2微球粒径大小的影响。不同氨水浓度条件下生成的SiO2微球的形貌图如图2所示。当氨水浓度为4，2，1，0.4 mol/L，随着氨水浓度的降低，生成起始SiO2纳米微球的粒径大小依次为600，100，60，10 nm，微球的尺寸在不断减小。同时实验中发现当氨水浓度降低为0.04 mol/L时反应不能进行，这可能是因为极低氨水浓度的催化能力有限，TEOS缩聚反应也不能进行［27］。对不同粒径大小的SiO2微球在相同条件（4 mol/L NaOH）进行了刻蚀，刻蚀后的微球表面变得凹凸不平，且多孔。在SiO2微球上进行了N2吸附/解吸试验，如表1所示，结果显示了相同粒径大小的微球刻蚀后的BET（Brunauer-Emmett-Teller）比表面积明显大于未经刻蚀的微球，表明了刻蚀增加了微球的比表面积。刻蚀后的微球获得的比表面积更大，对在微球表面进行氨基化修饰提供了更多的修饰空间。2.2 多孔荧光微球SiNBPA的表征起始SiO2微球的表面经过氨基化修饰，得到了表面带有氨基的微球，记作Silica-NH2。然后通过氨基与醛基之间生成席夫碱的反应将先期合成的荧光小分子BPA进一步连接到Silica-NH2，得到多孔荧光微球SiNBPA。为了确认荧光小分子的成功引入，进行了X射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy，XPS）测量，如表2所示。起始SiO2包含3个元素：C（284 eV），Si（102 eV）和O（532 eV），Silica-NH2中N（398 eV）的首次存在表明了已成功引入NH2CH2CH2CH2-基团。SiNBPA的XPS展示了新的元素峰F（685 eV）和B（191 eV），证明成功接入了荧光小分子BPA。为了进一步确认荧光小分子接入到微球上的量，可以通过热重分析（thermogravimetric analysis，TGA）推断接枝到微球上有机化合物的量。图3显示了3种不同微球的TGA曲线。700 ℃高温后的残留物是SiO2，可以据此计算出接枝到微球上的氨基和BPA的量。[20 100 200 300 400 500 600 700 800T / ℃][1009590858075][Residual mass ratio / %][1-Initial silica2-Silica-NH23-SiNBPA][SamplesResidual mass ratio / %Grafting rate / %][191.68.4][285.414.6][382.917.1][1][2][3]图3 3种不同微球的TGA曲线，残留质量和接枝率表Fig. 3 TGA curves residual mass and graft ratio table for three different microspheres 表2 微球中元素的比例Tab. 2 Proportion of elements in microspheres[元素\&原子占比 / %\&起始 SiO2\&Silica-NH2\&SiNBPA\&C\&24.13\&50.75\&44.12\&Si\&22.48\&13.04\&16.4\&O\&53.39\&33.56\&35.23\&N\&\&2.65\&3.3\&F\&\&\&0.67\&B\&\&\&0.28\&]2.3 多孔荧光微球SiNBPA对金属离子的识别性能4种不同粒径大小的多孔荧光微球SiNBPA600，SiNBPA100，SiNBPA60，SiNBPA10（数字表示粒径大小，nm）的传感特性在金属离子上测量。首先，将金属离子溶液Cu2+，Hg2+，Hg+，Ni2+，Co2+，Cd2+，Pb2+，Fe2+，Ag+，Mg2+，Ca2+，Zn2+，Fe3+，Na+，Ba2+，K+和Al3+添加到SiNBPA悬浮液［V（Gl）∶V（AE）=2∶1］，记录了加入1 mol/L金属离子后的可见光吸收光谱与荧光发射光谱，如图4、图5所示。荧光和紫外可见吸收光谱均表明4种不同粒径大小SiNBPA仅对Hg+敏感。图4可见，SiNBPA600，SiNBPA100，SiNBPA60，SiNBPA10的最大吸收波长分别为530，523，524 nm和526 nm。当加入不同金属离子后，除Hg+以外的其他离子几乎不使SiNBPA的最大吸收位置及强度发生明显变化，而Hg+则使SiNBPA最大吸收峰蓝移20~26 nm，这表明Hg+可能与SiNBPA发生了络合作用，形成相应的配合物。结果显示了在自然光下拍摄的离子识别图像。可以看出，在自然光下，添加Hg+时SiNBPA的颜色变化明显，其他离子加入后SiNBPA的颜色无明显变化。因此，SiNBPA对Hg+具有快速响应的可视化选择性识别性能。图5为添加金属离子后SiNBPA的荧光光谱。SiNBPA在波长为320 nm的光激发下发射最大波长为530 nm的荧光。可以看出，加入Hg+后，SiNBPA的荧光强度显著猝灭。除Hg+外，其他金属离子的存在不会引起SiNBPA发射光谱的变化，这与紫外-可见光谱结果一致。SiNBPA自身的荧光强度随微球粒径的减小，先增强后降低［（600 nm，F=300），（100 nm，F=800），（60 nm，F=1 100），（10 nm，F=450）］，而且在加入相同浓度Hg+时，荧光猝灭程度不同，SiNBPA600，SiNBPA100，SiNBPA60，SiNBPA10荧光强度分别猝灭到原来的1/14，1/15，1/25，1/16。这可能是因为随着微球粒径的减小，微球比表面积增加，这给BPA的引入提供了更多的结合位点［28-29］，相应的Hg+与SiNBPA的上识别基团（-C=N-）可以更好地发生络合反应，而当微球粒径降低至约10 nm时，自身荧光强度变弱且与Hg+结合后猝灭程度减弱，这有可能是由于微球粒径过小造成团聚［30］，反而导致BPA的接入量减少，进而影响了-C=N-与Hg+的配位结合。为进一步确定Hg+与SiNBPA的结合位点，对SiNBPA和SiNBPA+Hg+进行了红外光谱测试。图6可见，在1 638~1 632 cm-1区域内，观察到中等强度的峰，峰形尖锐，是-C=N-的拉伸振动峰，与SiNBPA相比，SiNBPA+Hg+图谱中发现在1 385 cm-1处出现新的强尖锐峰，为-C-N-的特征峰。这可能是由于Hg+与SiNBPA在-C=N-处与p键上的电子和氮上的孤对电子配位，-C=N-转变为-C-N-［31］，微球上吡啶环上的C-H伸缩振动在Hg+加入前后无明显变化，说明Hg+不与吡啶环上的N配位。吡啶杂环用作扩充分子结构，增加微球的分散性。2.4 多孔荧光微球SiNBPA的干扰实验为了研究SiNBPA检测重金属离子时的抗干扰能力，进行了竞争性实验。在含有2 mg/mL的SiNBPA的分散液中，分别先加入1 mol/L的干扰离子（Cu2+，Hg2+，Ni2+，Co2+，Cd2+，Pb2+，Fe2+，Ag+，Mg2+，Ca2+，Zn2+，Fe3+，Na+，Ba2+，K+，Al3+）和白蛋白，然后再加入1 mol/L Hg+，观察SiNBPA的荧光变化。图7以柱状图的形式显示了SiNBPA在识别离子时的结果。可以看出，唯Hg+具有显著猝灭SiNBPA的荧光强度，且其它金属离子的存在并不会影响SiNBPA对Hg+的荧光响应，这表明在存在其他干扰金属离子和白蛋白的情况下，SiNBPA仍可以用于Hg+离子的检测。2.5 多孔荧光微球SiNBPA与起始SiO2微球对Hg+的吸附性能比较为了确定微球对Hg+的吸附性能，通过原子吸收光谱法测试了4种不同粒径的起始微球和对应的4种荧光多孔微球对Hg+的吸附性能。Hg+溶液起始浓度为100 mg/L，从图8（a）中可以看出Hg+的吸附量随吸附时间的变化趋势。初期吸附速率较快，尔后吸附速率渐渐变缓，最后达到吸附平衡。约在第30 min时，8种不同微球对Hg+的吸附逐渐达到饱和。从表3中可以看出，在相同条件下，吸附平衡时每克起始SiO2微球可以吸附0.4~0.7 g Hg+，每克荧光微球SiNBPA则可以吸附1.3~1.5 g Hg+，SiNBPA吸附Hg+的效率是起始SiO2微球的2~3倍。此外，相同条件下，起始多孔SiO260及其对应的荧光微球吸附量最大。为了进一步研究多孔荧光微球SiNBPA对 Hg+的吸附过程，分别用准一级动力学模型和准二级动力学模型模拟了 Hg+的动力学吸附过程［32］。准一级动力学方程表达式如下：Log（Qe1-Qt）=LogQe1-K1t/2.303 （1）其中K1是准一级反应速率常数（min-1），Qe1和Qt（mg，在50 mg微球中）分别是微球在吸附平衡及t（min）时的吸附量。Qe1和 K1由log（Qe-Qt）对t作图得到。多孔荧光微球SiNBPA对Hg+吸附的准一级动力学曲线如图9（a）所示。准二级动力学方程表达式为：t/Qt=1/K2Qe22+t/Qe2其中k2是准二级反应速率常数（g·mg-1·min），Qe2和Qt（mg，在50 mg微球中）分别是微球SiNBPA吸附平衡及 t 时的吸附量。Qe2和K2同样可由t/Qt对t作图得到。SiNBPA对Hg+吸附的准二级动力学曲线如图9（b）。通过拟合曲线，得到Hg+的吸附动力学拟合参数，见表4。经由直线的斜率和截距可得相应的准一级和准二级动力学参数值，然后通过拟合的相关系数来比较判断微球更适合的模型。从表4中可以看出，由准一级和准二级动力学所得的 Hg+的平衡吸附量Qe，与实际微球SiNBPA对Hg+平衡吸附量相比较，可以看出准二级动力学吸附模型下得到的Hg+平衡吸附量与实际更接近，而且在此基础上，比较相关的R12和R22可得出结论，该微球SiNBPA吸附Hg+过程更符合准二级动力学吸附模型，说明 Hg+被微球SiNBPA吸附是由内扩散过程（物理吸附）和表面反应过程（化学吸附）共同作用。这是因为多孔微球表面是充满孔穴的球体，且氨基改性后接枝上的席夫碱基团对Hg+有很好的配位作用，所以此吸附过程既有化学吸附也有物理吸附。3 结 论制备了4种不同粒径大小的起始SiO2微球并用NaOH刻蚀以获得多孔SiO2微球。然后，将-CH2CH2CH2NH2基团引入到多孔微球上，通过-NH2与-CHO基团之间的席夫碱生成反应，将荧光分子BPA接枝到多孔微球上，最后获得了具有优异荧光和传感性能的多孔荧光微球SiNBPA。通过紫外-可见吸收光谱及荧光发射光谱考察了微球SiNBPA对重金属离子的识别作用，发现微球SiNBPA可以单一选择性识别Hg+离子，且粒径为60nm的SiNBPA对Hg+的识别最敏感。同时微球SiNBPA在吸附Hg+方面展现了优良的性能，在物理吸附与化学吸附的共同作用下每克不同粒径大小的微球可以吸附Hg+离子1.3～1.5 g。多孔荧光纳米微球兼具识别和吸附重金属离子的功能，可望在离子识别和环境治理中发挥作用。