胺基鄰菲咯啉-釕（Ⅱ）反應(yīng)性熒光指示劑的合成與化學(xué)固定的研究

胡小英，李建雄，劉安華

（華南理工大學(xué) 材料學(xué)院，廣東 廣州 510640）

熒光猝滅法溶氧傳感器具有檢測(cè)精度高、抗干擾能力強(qiáng)、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)溶解氧的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，已日益得到人們的重視［1］。熒光溶氧傳感器的關(guān)鍵元件是氧敏感熒光膜，它由熒光指示劑和固定指示劑的基材構(gòu)成。常用的熒光指示劑是水溶性的釕（Ⅱ）二亞胺類絡(luò)合物，它具有光化學(xué)穩(wěn)定性好、可見光吸收系數(shù)大、熒光量子效率高、Stokes位移大和熒光壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)［2］。開發(fā)的過渡金屬熒光指示劑還有鉑、銥絡(luò)合物等，但其吸收光譜峰值波長(zhǎng)位于400nm附近，容易被激發(fā)光“漂白”，實(shí)際應(yīng)用有限。傳統(tǒng)的熒光溶氧傳感器大多是通過物理方法將熒光指示劑固定在特定的基材。

Brian等［3］采用溶膠-凝膠法將氯化三（2，2′-聯(lián)吡啶）釕（Ⅱ）配合物［Ru（bpy）3］Cl2分散在多孔硅凝膠中形成氧傳感器；Demas等［4，5］將三（4，7-二苯基-鄰菲咯啉）高氯酸釕（Ⅱ）［Ru（dpp）3］（ClO4）2包埋于RTV硅橡膠內(nèi)形成氧敏感熒光膜。物理吸附的熒光指示劑在熒光膜受水體浸泡時(shí)容易流失，熒光膜使用壽命短。物理包埋可減緩熒光指示劑流失，但降低熒光膜的響應(yīng)速度。為解決熒光膜指示劑流失和響應(yīng)速度的問題，呂太平等［6］將疏水的烷基引入三（4，7-二苯基-鄰菲咯啉）釕（Ⅱ）熒光指示劑，以降低指示劑的水溶性和延長(zhǎng)熒光膜的壽命。Wu等［7］將硅氧烷引入Ru［（dpp）2-bpy］Cl2，合成反應(yīng)性熒光指示劑，并通過硅氧烷基團(tuán)的水解和縮合將指示劑鍵合到介孔硅材料MCM-41上，保障熒光膜的響應(yīng)速度和使用壽命。朱為宏等合成含卟啉和二亞胺側(cè)基的聚甲基丙烯酰胺以化學(xué)鍵合鉑-卟啉和銥-二亞胺熒光指示劑［8，9］。

本文以5-氨基-鄰菲咯啉為原料合成了帶氨基的反應(yīng)性熒光指示劑［Ru（dpp）2（phen-NH2）］Cl2，并將指示劑鍵合到有機(jī)玻璃表面，研究熒光膜的熒光特性和穩(wěn)定性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料與試劑

4，7-二苯基-1，10-鄰菲咯啉、5-氨基-鄰菲咯啉、三氯化釕水合物（釕含量大于39%）為分析純?cè)噭?，由鄭州阿爾法化工有限公司提供；鹽酸羥銨鹽（分析純），天津市化學(xué)試劑一廠產(chǎn)品；有機(jī)玻璃片PMMA（工業(yè)級(jí)），由廣州瑞霖陳列道具提供；鹽酸（分析純），氫氧化鈉（分析純），無水乙醇（分析純），丙酮（分析純）。

1.2 反應(yīng)性釕（Ⅱ）熒光指示劑［Ru（dpp）2（phen-NH2）］Cl2的合成

1.2.1 二 （4，7-二苯基-鄰菲咯啉）二氯化釕Ru（dpp）2Cl2的合成

將113mg（0.5mmol）RuCl3·3H2O與333 mg（1mmol）4，7-二 苯 基-1，10-鄰 菲 咯 啉 溶 于10mL無水乙醇。將溶液轉(zhuǎn)移至25mL三口燒瓶，油浴加熱至70℃，滴加1mol/L的鹽酸羥銨鹽乙醇溶液1mL，磁力攪拌回流反應(yīng)24h。真空旋蒸除去溶劑，加30mL丙酮溶解，放入冰箱冷凍過夜結(jié)晶。抽濾冷凍液，以冰水、冷的丙酮各洗滌3次，真空干燥得紫黑色固體，產(chǎn)率71%。

1.2.2 Ru（dpp）2Cl2與5-氨基-鄰菲咯啉絡(luò)合

將5-氨基-鄰菲咯啉（phen-NH2）和合成的 Ru（dpp）2Cl2溶于10mL無水乙醇，將溶液轉(zhuǎn)移至25mL三口燒瓶，油浴加熱至70℃，滴加1mol/L的鹽酸羥銨鹽乙醇溶液1mL，磁力攪拌回流反應(yīng)16h。將所得產(chǎn)物旋蒸干燥后，以體積比4∶1的丙酮∶乙醇溶液溶解，放入冰箱過夜結(jié)晶，過濾后以冰水、冷的丙酮各洗滌3次，真空干燥得紅棕色晶體，熔點(diǎn)為255℃，收率68%。

1.3 ［Ru（dpp）2（phen-NH2）］Cl2與有機(jī)玻璃表面化學(xué)鍵合

將經(jīng)800目砂紙打磨的1.5mm厚的PMMA依次用10%的NaOH溶液和10%的鹽酸溶液浸泡20min，以乙醇、去離子水洗滌3次，在50℃烘箱烘干。將水解后的PMMA在熒光指示劑的等體積乙醇-水混合溶劑的溶液中，于60℃反應(yīng)一定時(shí)間，測(cè)量染色PMMA的熒光強(qiáng)度。

1.4 測(cè)試與表征

將合成的樣品純化后與KBr一起研磨壓片，采用德國(guó)Bruker Vector-22FTIR測(cè)試樣品的紅外吸收光譜，掃描范圍為400～4000cm-1，掃描次數(shù)32次。采用德國(guó)Bruker ADVANCE Digital 300核磁共振儀分析樣品的1HNMR和13CNMR譜，以氘代甲醇為溶劑，DMSO為參照。采用德國(guó)Bruker maXis impact超高分辨飛行時(shí)間質(zhì)譜儀測(cè)試樣品的質(zhì)譜，樣品為10-4mol/L的甲醇溶液，電壓為2000V，掃描范圍為600～1300m/z。采用日立U-3010型紫外-可見分光光度計(jì)測(cè)試樣品的UV-Vis吸收光譜，樣品為10-4mol/L的乙醇溶液，掃描范圍為200～600nm，掃描速度為200 nm/min。熒光發(fā)射光譜在日本 Hitachi F-4600型熒光光譜儀上進(jìn)行，粉末樣品采用10-4mol/L的乙醇溶液，染色PMMA片采用45°入射角，激發(fā)光波長(zhǎng)為465nm，激發(fā)和發(fā)射單元夾縫均為5.0 nm，光電管負(fù)高壓為500V，發(fā)射起始波長(zhǎng)和終止波長(zhǎng)分別為500nm和700nm，響應(yīng)時(shí)間為0.5s，掃描速度為240nm/min。采用上海棱光F93熒光分光光度計(jì)測(cè)量染色PMMA的熒光強(qiáng)度，激發(fā)光波長(zhǎng)為465nm，入射角為45°。采用新會(huì)康宇測(cè)控儀器儀表KYO-01溶氧測(cè)量?jī)x測(cè)定PMMA表面鍵合熒光指示劑對(duì)溶解氧的響應(yīng)特性［10］。將染色PMMA熒光帽裝于KYO-01溶氧儀傳感器。以460nm LED藍(lán)光激發(fā)熒光指示劑發(fā)射熒光，經(jīng)610nm濾光片后以光電管將熒光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。記錄染色PMMA熒光帽從氮?dú)怙柡退窖鯕怙柡退畷r(shí)溶氧儀輸出值隨時(shí)間的變化，扣除測(cè)量?jī)x的背景輸出，即得染色熒光帽對(duì)溶解氧的響應(yīng)特性曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 合成的熒光指示劑［Ru（dpp）2（phen-NH2）］Cl2的FTIR、NMR和MS

將合成產(chǎn)物提純后與KBr研磨壓片，在400～4000cm-1進(jìn)行紅外光譜分析，所得結(jié)果如圖1所示。FTIR譜圖在3330cm-1和3194cm-1附近有伯胺的 N—H 伸 縮 振 動(dòng) 吸 收 偶 合 雙 峰［11，12］，在1591cm-1附近有N—H彎曲振動(dòng)吸收，在1360cm-1附近有C—N伸縮振動(dòng)吸收。表明合成產(chǎn)物含有伯胺基。

圖1 合成的［Ru（dpp）2（phen-NH2）］Cl2紅外光譜圖FT-IR spectrum of synthesized［Ru（dpp）2（phen-NH2）］Cl2

圖2為合成目標(biāo)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)式，式中標(biāo)示的數(shù)字為處于不同化學(xué)環(huán)境的碳原子。以ADVANCE Digital 300MHz NMR分析合成產(chǎn)物的碳、氫核磁共振譜。1HNMR：9.22（d，1H），9.12（m，1H），8.8（d，2H），8.65（m，1H），8.32（m，4H），8.24（s，8H），7.93（m，4H），7.59（m，16H），7.53（2H，m），3.52（m，2H）［10］；13CNMR：152.100（C-1），152.089（C-10），150.2（C-1′），149.503（C-5），148.585（C-3′），148.582（C-5′），139.087（C-6′），135.718（C-11），129.654（C-12），129.547（C-3），129.497（C-8），129.052（C-8′），129.0（C-6），128.918（C-4），128.9（C-7），126.4（C-4′），126.1（C-7′），125.7（C-2），125（C-9），124.3（C-2′），與目標(biāo)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)相符。

圖2 ［Ru（dpp）2（phen-NH2）］Cl2的結(jié)構(gòu)式Molecular formula of［Ru（dpp）2（phen-NH2）］Cl2

圖3為合成產(chǎn)物的ESI質(zhì)譜結(jié)果。如圖3所示，［M-H］-1的m/z為1032.2，符合［Ru（dpp）2-（phen-NH2）］Cl2的分子量。FTIR、NMR 和MS結(jié)果表明合成產(chǎn)物為設(shè)計(jì)的熒光指示劑［Ru（dpp）2（phen-NH2）］Cl2。

圖3 合成［Ru（dpp）2（phen-NH2）］Cl2的質(zhì)譜圖Mass spectrum of synthesized［Ru（dpp）2（phen-NH2）］Cl2

2.2 熒光指示劑［Ru（dpp）2（phen-NH2）］Cl2的吸收和發(fā)射光譜

將合成的熒光指示劑［Ru（dpp）2（phen-NH2）］Cl2溶解于無水乙醇中，配成濃度為10-4mol/L的溶液，測(cè)量溶液的紫外-可見吸收光譜，所得結(jié)果如圖4A所示。合成產(chǎn)物在290nm和460nm有兩個(gè)吸收峰。290nm處的吸收應(yīng)為共軛大π鍵的π→π＊躍遷吸收［13］，吸收強(qiáng)度高而分布窄；460nm附近的吸收主要為金屬到配體電荷轉(zhuǎn)移躍遷吸收，吸收強(qiáng)度相對(duì)較弱而分布較寬［14］。然后以465nm輻射為激發(fā)光源，測(cè)定其熒光發(fā)射光譜，所得結(jié)果如圖4B-a所示。熒光指示劑熒光發(fā)射的峰值波長(zhǎng)為570nm，其Stokes位移達(dá)110nm。與結(jié)構(gòu)類似的熒光指示劑三（4，7-二苯基-1，10-鄰菲咯啉）二氯化釕（Ⅱ）［Ru（dpp）3］Cl2的熒光發(fā)射相比，其峰值波長(zhǎng)藍(lán)移了約40nm，反映在一個(gè)鄰菲咯啉配體上引入一個(gè)氨基和減少兩個(gè)苯基，體系的共軛程度下降，電子云密度增加，導(dǎo)致配合物的能級(jí)差發(fā)生變化，提升了發(fā)光能量［15］。圖4B-b是熒光指示劑鍵合到PMMA后的熒光發(fā)射光譜。發(fā)射光譜峰值波長(zhǎng)在590nm，相比圖4B-a中的熒光發(fā)射峰值波長(zhǎng)570nm，紅移了約20nm?？赡芑瘜W(xué)鍵合后，受激熒光指示劑與有機(jī)玻璃基材更容易發(fā)生能量交換，激發(fā)能部分轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致發(fā)射波長(zhǎng)紅移［16］。

2.3 ［Ru（dpp）2（phen-NH2）］Cl2與有機(jī)玻璃化學(xué)鍵合的紅外光譜

將水解前后和經(jīng)合成熒光指示劑溶液浸泡的PMMA表面進(jìn)行全反射紅外光譜分析，扣除背景噪音，所得結(jié)果如圖5所示。圖中曲線b為水解前PMMA，曲線a為水解后PMMA，曲線c為染色PMMA。水解前PMMA在1721cm-1附近有酯羰基的振動(dòng)吸收帶，2941cm-1附近有甲基C—H伸縮振動(dòng)吸收帶。PMMA經(jīng)水解后在3001cm-1處出現(xiàn)弱的羥基伸縮振動(dòng)吸收帶，而1721cm-1處羰基伸縮振動(dòng)吸收明顯增強(qiáng)，說明PMMA經(jīng)水解酸化后形成了羧酸。經(jīng)合成的熒光指示劑溶液浸泡后，染色PMMA在1724cm-1附近出現(xiàn)酰胺基I譜帶羰基的伸縮振動(dòng)吸收帶，1568cm-1處出現(xiàn)弱的N—H彎曲振動(dòng)吸收的酰胺基Ⅱ譜帶，2986cm-1處出現(xiàn)N—H伸縮振動(dòng)吸收帶，1057cm-1處有 C—N 伸縮振動(dòng)吸收帶［17］。FTIR結(jié)果表明PMMA經(jīng)合成的熒光指示劑溶液浸泡后，［Ru（dpp）2（phen-NH2）］Cl2已通過氨基與羧基的反應(yīng)，鍵合到PMMA表面。

圖5 有機(jī)玻璃紅外譜圖（a）水解后PMMA；（b）水解前PMMA；（c）染色PMMA FT-IR spectra of PMMA（a）after hydrolysis，（b）before hydrolysis，（c）immersed in［Ru（dpp）2（phen-NH2）］Cl2solution

2.4 反應(yīng)條件對(duì)染色有機(jī)玻璃熒光強(qiáng)度的影響

將水解PMMA浸入合成熒光指示劑的醇-水溶液，在溫度為50℃、60℃和70℃下進(jìn)行化學(xué)鍵合反應(yīng)。在反應(yīng)溫度為50℃時(shí)，酰胺化反應(yīng)速度很慢，浸泡3h后PMMA表面與反應(yīng)前一樣，沒有著色和顯著的熒光現(xiàn)象。而70℃時(shí)反應(yīng)溫度過高，PMMA浸泡0.5h后雖然有著色，但出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。PMMA的酰胺化反應(yīng)溫度以60℃為宜。

圖6是化學(xué)鍵合反應(yīng)時(shí)間對(duì)染色PMMA表面熒光強(qiáng)度的影響。反應(yīng)溫度為60℃，溶劑為乙醇-水等量混合，熒光指示劑濃度為0.4%。隨著反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，PMMA熒光強(qiáng)度隨之增大，反應(yīng)80min后熒光強(qiáng)度增加放緩，反應(yīng)100min后熒光強(qiáng)度趨于平坦。反應(yīng)剛開始時(shí)PMMA表面羧基較多，鍵合上PMMA的熒光指示劑的速度快，導(dǎo)致PMMA熒光強(qiáng)度快速上升；反應(yīng)一段時(shí)間后，PMMA表面羧基數(shù)量減少，鍵合上PMMA的熒光指示劑的速度也減慢，導(dǎo)致PMMA的熒光強(qiáng)度增加緩慢，最后趨于平衡。

圖6 反應(yīng)時(shí)間對(duì)染色有機(jī)玻璃熒光強(qiáng)度的影響Effect of reaction time on fluorescence intensity of［Ru（dpp）2（phen-NH2）］Cl2-PMMA

圖7是熒光指示劑濃度對(duì)染色PMMA熒光強(qiáng)度的影響。反應(yīng)溫度為60℃，溶劑為乙醇-水等量混合，反應(yīng)時(shí)間為1h。熒光強(qiáng)度隨熒光指示劑濃度增加而增大，但濃度增大到0.6%時(shí)熒光強(qiáng)度反而下降。在給定反應(yīng)時(shí)間內(nèi)，最初隨熒光指示劑濃度增加，酰胺化反應(yīng)加快，鍵合上PMMA的熒光指示劑增多，熒光強(qiáng)度上升快；但指示劑濃度增加到一定程度后，PMMA表面固定的熒光指示劑較多，進(jìn)一步增加指示劑溶液的濃度，PMMA表面鍵合的指示劑濃度可能過高，指示劑分子間可發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，發(fā)生自猝滅現(xiàn)象［18］，從而導(dǎo)致熒光強(qiáng)度下降。

圖7 熒光指示劑濃度對(duì)染色有機(jī)玻璃熒光強(qiáng)度的影響Effect of phosphor concentration on fluorescence intensityof［Ru（dpp）2（phen-NH2）］Cl2-PMMA

2.5 PMMA鍵合熒光指示劑對(duì)溶解氧的響應(yīng)特性

配制氮?dú)怙柡退脱鯕怙柡退?，并將染色PMMA熒光帽裝入溶氧測(cè)定儀，從氮?dú)怙柡退D(zhuǎn)換到氧氣飽和水環(huán)境，測(cè)量染色PMMA熒光輸出值平衡時(shí)間，結(jié)果示于圖8。如圖8所示，染色PMMA從氮?dú)怙柡退D(zhuǎn)換到氧氣飽和水的熒光輸出值平衡時(shí)間約為10s，染色PMMA對(duì)溶解氧的響應(yīng)速度快?？鄢苎鮾x背景輸出后，染色PMMA在氮?dú)怙柡退械臒晒廨敵鲋禐?mV，在氧氣飽和水中熒光輸出值為1mV，氧猝滅比為4。由于熒光指示劑與PMMA是表面化學(xué)鍵合，熒光指示劑暴露在PMMA表面，與水體直接接觸，從而響應(yīng)時(shí)間短。但熒光輸出值相對(duì)MQ樹脂載負(fù)指示劑熒光帽的大幅降低［10］。一方面可能PMMA表面鍵合的熒光指示劑少，另一方面化學(xué)鍵合指示劑的熒光輻射峰值波長(zhǎng)在590nm，與KYO-01溶氧儀的濾光片匹配差。從實(shí)用角度考慮，需根據(jù)鍵合熒光指示劑的熒光特性，重新設(shè)計(jì)溶氧儀的光學(xué)系統(tǒng)和放大電路。

圖8 染色PMMA從氮?dú)怙柡退窖鯕怙柡退疅晒廨敵銎胶鈺r(shí)間Fluorescence balance time of［Ru（dpp）2（phen-NH2）］Cl2-PMMA from nitrogen saturated water into oxygen saturation water

2.6 PMMA表面鍵合熒光指示劑的穩(wěn)定性

將染色PMMA浸泡于去離子水中，再置于50℃烘箱中，測(cè)量熒光強(qiáng)度隨浸泡時(shí)間的變化。每隔一定時(shí)間后測(cè)量染色PMMA的熒光強(qiáng)度5次，取平均值，所得結(jié)果示于圖9。如圖9所示，染色PMMA在50℃水中浸泡7個(gè)月，熒光強(qiáng)度下降小于1.0%。說明染色PMMA表面熒光指示劑相當(dāng)穩(wěn)定。因?yàn)楹铣傻臒晒庵甘緞跼u（dpp）2-（phen-NH2）］Cl2是通過氨基與 PMMA 表面的羧基鍵合到PMMA表面。酰胺鍵在水中不會(huì)輕易水解分解。因此，PMMA表面鍵合的［Ru（dpp）2-（phen-NH2）］Cl2在50 ℃水中極少流失，熒光強(qiáng)度幾乎沒有變化。［Ru（dpp）2（phen-NH2）］Cl2與水解PMMA的化學(xué)鍵合能有效解決PMMA氧敏感膜在水中熒光指示劑流失的問題。

圖9 鍵合有機(jī)玻璃后熒光指示劑的穩(wěn)定性The stability of the phosphors after bonding PMMA

3 結(jié)論

采用5-氨基-鄰菲咯啉與二（4，7-二苯基-鄰菲咯啉）二氯化釕（Ⅱ）絡(luò)合可生成反應(yīng)性熒光指示劑 ［Ru（dpp）2（phen-NH2）］Cl2。將水解 PMMA浸入［Ru（dpp）2（phen-NH2）］Cl2熒光指示劑的醇-水溶液中，［Ru（dpp）2（phen-NH2）］Cl2可通過酰胺化反應(yīng)鍵合到水解PMMA表面，鍵合溫度以60℃為佳。溶液濃度為0.5%、反應(yīng)1.5h時(shí)，鍵合熒光指示劑的PMMA熒光發(fā)射最強(qiáng)。鍵合的熒光指示劑對(duì)溶解氧的響應(yīng)速度快，氧猝滅比為4，穩(wěn)定性好。在50℃水中浸泡90天，熒光強(qiáng)度下降小于1%。

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