王 斌 鄭金慧 劉哲林 王曉紅 段莉梅 白鎖柱 許 良,2 劉宗瑞*,
(1內(nèi)蒙古民族大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,通遼 028043)
(2天然產(chǎn)物化學(xué)及功能分子合成自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,通遼 028000)
(3長春理工大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,長春 130022)
熒光開關(guān)是指發(fā)光分子在外界刺激下熒光信號(hào)發(fā)生可逆的發(fā)光與淬滅過程,在熒光成像、光學(xué)信息存儲(chǔ)、生物及化學(xué)傳感等領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用價(jià)值[1-2]。多金屬氧酸鹽(簡稱多酸)是由前過渡金屬元素W、Mo、V、Nb、Ta的酸式鹽脫水縮合而成的金屬-氧簇合物,具有組成豐富、結(jié)構(gòu)多樣、納米尺度可調(diào)控、可逆的氧化還原以及光、電、磁等性質(zhì),在催化、能源、材料、生物等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景[3-4]。在紫外/可見光照、電化學(xué)氧化/還原、化學(xué)氧化/還原等作用下,多酸會(huì)發(fā)生可逆的氧化還原反應(yīng)并伴隨著可逆的變色性質(zhì),還原態(tài)多酸在可見區(qū)有寬的吸收峰,可以作為能量受體被用于熒光開關(guān)的設(shè)計(jì)[5-7]。
目前,基于稀土多酸熒光開關(guān)的研究主要集中在化學(xué)響應(yīng)、光調(diào)控、電化學(xué)調(diào)控?zé)晒忾_關(guān)。在化學(xué)響應(yīng)熒光開關(guān)方面,Liu等[8]通過Langmuir-Blodgett(LB)技術(shù)構(gòu)筑了多酸紅光薄膜4-hexadecylaniline/EuW10,在HCl與NH3刺激下實(shí)現(xiàn)了紅光薄膜可逆的熒光開關(guān)性質(zhì),熒光開關(guān)的機(jī)理歸屬于O→W的激發(fā)態(tài)電子與H+之間的電子轉(zhuǎn)移;Song等[9]利用旋涂法構(gòu)筑了聚丙烯腈(PAN)、EuW10雜化自支持薄膜PAN-EuW10, 在 HCl、H2S、SO2刺激下薄膜的熒光淬滅,在NH3刺激下薄膜的熒光恢復(fù),同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)H2S、SO2等氣體分子的熒光光譜檢測;Wan等[10]利用自組裝技術(shù)制備了稀土多酸/嵌段共聚物poly(ethylene oxide-b-N,N-dimethylaminoethyl methacrylate)(PEO-b-PDMAEMA)雜化超分子復(fù)合物DyW10/PEO-b-PDMAEMA,在CO2/Ar的刺激下,該稀土多酸復(fù)合物呈現(xiàn)出可逆的化學(xué)響應(yīng)熒光開關(guān)性能,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)CO2分子的熒光光譜檢測;Wang等[11]在維生素C/H2O2的作用下,對(duì)稀土多酸Eu-PMo12O40可逆的化學(xué)響應(yīng)變色/熒光開關(guān)性質(zhì)進(jìn)行研究,實(shí)現(xiàn)了該稀土多酸對(duì)維生素C的紫外可見、熒光雙光譜可逆檢測。在光調(diào)控?zé)晒忾_關(guān)方面,Yao等[12]利用Casting技術(shù)制備了[Eu(SiW10MoO39)2]13-/Agarose雜化自支持紅光薄膜,在紫外、可見光刺激下,實(shí)現(xiàn)了稀土多酸紅光薄膜可逆的熒光開關(guān)性質(zhì),光調(diào)控?zé)晒忾_關(guān)的機(jī)理歸屬于分子內(nèi)熒光共振能量轉(zhuǎn)移。在電化學(xué)調(diào)控?zé)晒忾_關(guān)方面,Bi等[13]利用Layer-By-Layer(LBL)技術(shù)制備了聚乙烯亞胺(PEI)、稀土多酸雜化紅光薄膜[PEI/EuGeW11]34,在外加氧化還原電位-0.85/0.85 V下實(shí)現(xiàn)了多酸紅光薄膜可逆的電致變色/熒光開關(guān)性質(zhì);隨后,該課題組通過LBL技術(shù)構(gòu)筑了一系列PEI、聚二甲基二烯丙基氯化銨(PDDA)與稀土多酸的發(fā)光薄膜[PEI/DyPW11]41、[PDDA/SmPW11]n,在外加氧化還原電位下實(shí)現(xiàn)了橙光及白光薄膜多色可調(diào)控?zé)晒忾_關(guān)性能[14-15];Dong等[16]基于多酸(Na-POM)/稀土上轉(zhuǎn)換納米粒子 (UCNPS)復(fù)合物UCNPS@Na-POM可逆的電致變色/熒光開關(guān)性質(zhì),實(shí)現(xiàn)了對(duì)抗氧化劑谷胱甘肽的熒光光譜檢測;Wu等[17]將電化學(xué)還原與化學(xué)氧化法相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了稀土多酸[(CH3)4N]2.5H7.5[Eu(GeW11O39(H2O)2]2可逆的變色/熒光開關(guān)性質(zhì),同時(shí)實(shí)現(xiàn)了稀土多酸對(duì)H2O2的紫外可見、熒光雙光譜檢測。
我們基于分子設(shè)計(jì)思想及分子間熒光共振能量轉(zhuǎn)移,以可逆電致變色性質(zhì)的多酸陰離子P2W18O626-為能量受體(receptor),以優(yōu)異綠光性質(zhì)的Tb3+為能量給體(donor),在外加氧化還原電位下對(duì)P2W18O626-@Tb3+綠光體系電致變色/熒光開關(guān)性能進(jìn)行調(diào)控;考察不同氧化還原電位對(duì)混合溶液著色程度及熒光開關(guān)能量轉(zhuǎn)移效率的影響,獲得多酸還原電子數(shù)與熒光開關(guān)能量轉(zhuǎn)移效率的內(nèi)在聯(lián)系。在此基礎(chǔ)上,基于還原態(tài)多酸與H2O2的氧化還原反應(yīng),利用電化學(xué)還原態(tài)多酸P2W18O6212-@Tb3+溶液對(duì)H2O2進(jìn)行紫外可見、熒光雙光譜檢測。
硝酸鋱(Tb(NO3)3·6H2O,99.9%)購買于江西贛州稀土集團(tuán)有限公司;鎢酸鈉(Na2WO4·2H2O,99.5%)、過氧化氫(H2O2,30%)等試劑購買于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司,均為分析純。實(shí)驗(yàn)過程中使用的二次水由Millipore Milli-Q凈化水系統(tǒng)處理(18.2 MΩ·cm)。
X射線衍射儀 (D8 Focus,德國布魯克有限公司),測試電壓40 kV,電流40 mA,輻射源為Cu Kα(λ=0.154 1 nm)測試范圍 3°~80°;傅立葉紅外光譜儀(Nicolet-5700,美國尼高力公司);電化學(xué)工作站(CHI660e,上海辰華儀器有限公司),采用三電極體系 (1 cm×1 cm的鉑片為工作電極和對(duì)電極,Ag/AgCl為參比電極),電解液為pH=1的 0.5 mol·L-1H2SO4/Na2SO4緩沖溶液 (用 0.5 mol·L-1H2SO4將 0.5 mol·L-1Na2SO4溶液的pH調(diào)節(jié)到pH=1);紫外可見光譜儀(UV-670,上海美普達(dá)儀器有限公司),紫外可見光譜與動(dòng)力學(xué)曲線分別通過Scan、Kinetics方法測得,比色皿厚度為1 cm;熒光光譜儀(F-4600,日本日立公司),比色皿厚度為1 cm,狹縫大小均為10 nm,激發(fā)波長 λEx≈377 nm。
圖1 P2W18O626-多酸陰離子的球棍模型 (左)和多面體結(jié)構(gòu) (右)Fig.1 Ball-stick representation(left)and polyhedral structure of the polyoxoanion P2W18O626-(right)
根據(jù)文獻(xiàn)方法合成了Dawson型多酸K6P2W18O62·14H2O(簡寫為P2W18)[18]。在Dawson型多酸陰離子P2W18O626-中存在4種不同配位氧原子,即中心氧(Oa)、共點(diǎn)相連橋氧(Ob)共邊相連橋氧(Oc)、端氧(Od),其中極位上的3個(gè)WO6八面體共邊相連形成三金屬簇W3O10,而赤道位上的6個(gè)WO6八面體通過共點(diǎn)、共邊交替連接形成六元環(huán),極位三金屬簇與赤道位六元環(huán)通過PO4四面體共點(diǎn)相連形成PW9O349-,上下2個(gè)PW9O349-共點(diǎn)相連形成了Dawson型多酸陰離子P2W18O626-(圖1)。
利用粉末X射線衍射與紅外光譜對(duì)K6P2W18O62的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。在K6P2W18O62的XRD圖中出現(xiàn)了一系列Dawson型多酸的特征衍射峰,與文獻(xiàn)報(bào)道基本一致[19](圖2a);在紅外光譜中,波數(shù)為1 085、961、910、777 cm-1處出現(xiàn)了 K6P2W18O62的特征吸收峰,分別歸屬于 P-Oa、W-Od、W-Oc、W-Ob的對(duì)稱或不對(duì)稱伸縮振動(dòng)[20],結(jié)果表明已成功合成了Dawson型多酸 K6P2W18O62(圖 2b)。
圖2 K6P2W18O62的XRD(a)和紅外光譜圖 (b)Fig.2 XRD patterns(a)and FTIR spectra(b)of K6P2W18O62
圖3 為 0.6 mmol·L-1的 K6P2W18O62在 pH=1 的0.5 mol·L-1H2SO4/Na2SO4緩沖溶液中的循環(huán)伏安曲線,半波電位E1/2=(Ea+Ec)/2(其中Ea為陽極峰電位,Ec為陰極峰電位)在-0.04(Ⅰ-Ⅰ′)、-0.22(Ⅱ-Ⅱ′)、-0.53(Ⅲ-Ⅲ′)、-0.75 V(Ⅳ-Ⅳ′)處出現(xiàn)了 4 對(duì) Dawson型多酸的特征氧化還原峰,分別對(duì)應(yīng)于1e、1e、2e、2e可逆的氧化還原過程[21];通過對(duì)不同掃描速度50、100、150、200、250、300 mV·s-1下循環(huán)伏安曲線的比較,發(fā)現(xiàn)氧化峰Ⅱ、還原峰Ⅱ′的峰電流與掃描速度的平方根成正比,表明多酸在溶液中的電化學(xué)行為屬于擴(kuò)散控制過程[22]。
圖3 K6P2W18O62溶液在掃描速度為 50、100、150、200、250和300 mV·s-1下的循環(huán)伏安曲線Fig.3 Cyclic voltammetry curves of K6P2W18O62solution with the scan rate 50,100,150,200,250 and 300 mV·s-1
圖4為 10-5mol·L-1K6P2W18O62溶液的紫外可見吸收光譜,在紫外區(qū)190~380 nm范圍內(nèi)出現(xiàn)了Dawson型多酸的特征吸收峰,分別歸屬于Od→W(196 nm)、Ob/Oc→W(250、300 nm)配體到金屬的電荷遷移躍遷(LMCT)[23]。
圖4 K6P2W18O62溶液的紫外可見光譜圖Fig.4 UV-Vis spectra of K6P2W18O62aqueous solution
在外加還原電位-0.85 V下,對(duì)濃度為0.2、0.4、0.6、0.8 mmol·L-1的 K6P2W18O62溶液進(jìn)行電解,隨著還原時(shí)間的延長,溶液由無色變?yōu)樯钏{(lán)色,在700 nm處的吸光度逐漸增大、著色程度逐漸增強(qiáng),1.5 h后吸光度不再變化,表明K6P2W18O62溶液著色已達(dá)到飽和(圖5a);同時(shí),在可見區(qū)400~800 nm 的范圍內(nèi)出現(xiàn)寬的吸收峰,歸屬于W5+/W6+分子內(nèi)價(jià)電子轉(zhuǎn)移吸收帶(IVCT)[24],隨著多酸溶液濃度的增大,著色平衡時(shí)750 nm處吸光度呈線性增加(圖5b)。
圖5 外加還原電位-0.85 V下,不同濃度K6P2W18O62溶液在700 nm處的吸光度隨時(shí)間的變化曲線(a)及著色平衡時(shí)的紫外可見光譜(b)Fig.5 Curves of the absorbance at 700 nm versus time(a)and the corresponding absorption spectra at coloring equilibrium(b)of K6P2W18O62solution with different concentrations when applied a reduction potential-0.85 V
圖6a 為 0.6 mmol·L-1的 K6P2W18O62與 10、20、30、40、50、60、70、80、90、100 mmol·L-1的 Tb(NO3)3混合溶液P2W18O626-@Tb3+的熒光光譜,在491、547、588、624 nm處出現(xiàn)了一系列Tb3+的特征發(fā)射峰,分別歸屬于5D4→7F6、5D4→7F5、5D4→7F4、5D4→7F3的軌道能級(jí)躍遷[25];同時(shí)隨著Tb3+濃度的增大,547 nm處的熒光發(fā)射峰線性增強(qiáng)(圖6b)。
圖6 P2W18O626-@Tb3+混合溶液的熒光光譜 (a)及547 nm處的熒光強(qiáng)度對(duì)Tb3+濃度作圖 (b)Fig.6 Fluorescence spectra of the mixed solution P2W18O626-@Tb3+(a)and the fluorescence intensity at 547 nm with different Tb3+concentrations(b)
在外加氧化還原電位-0.85/0.85 V下,對(duì)0.6 mmol·L-1K6P2W18O62與 100 mmol·L-1Tb(NO3)3混合溶液的電致變色及電化學(xué)調(diào)控?zé)晒忾_關(guān)性能進(jìn)行研究。在外加還原電位-0.85 V下,隨著還原時(shí)間的延長,750 nm處的吸光度逐漸增大,在可見區(qū)400~800 nm范圍內(nèi)出現(xiàn)寬的吸收峰;而在外加氧化電位0.85 V下,隨著氧化時(shí)間的延長750 nm處的吸光度逐漸降低,在可見區(qū)400~800 nm范圍內(nèi)的吸收峰消失,溶液呈現(xiàn)出可逆的電致變色性質(zhì)(圖7(a,b))。與此同時(shí),在外加還原電位-0.85 V下,隨著還原時(shí)間的延長547 nm處的熒光強(qiáng)度逐漸降低,在460~700 nm范圍內(nèi)的熒光發(fā)射峰減弱,熒光淬滅;而在外加氧化電位0.85 V下,隨著氧化時(shí)間的延長547 nm處的熒光強(qiáng)度逐漸增強(qiáng),在460~700 nm范圍內(nèi)的熒光發(fā)射峰恢復(fù),溶液呈現(xiàn)出可逆的電化學(xué)調(diào)控?zé)晒忾_關(guān)性質(zhì)(圖 7(c,d))。
圖7 在-0.85/0.85 V下,混合溶液P2W18O626-@Tb3+的紫外可見動(dòng)力學(xué)曲線 (a)、紫外可見光譜 (b)、熒光動(dòng)力學(xué)曲線 (c)和熒光光譜 (d)Fig.7 UV-Vis kinetic curves(a),UV-Vis absorption spectra(b),fluorescence kinetic curves(c)and fluorescence spectra(d)of the mixed solution P2W18O626-@Tb3+when applied redox potential-0.85/0.85 V
圖8 多酸陰離子P2W18O6212-、P2W18O626-的紫外可見吸收光譜與Tb3+的熒光光譜 (a)及電致變色/熒光開關(guān)過程的機(jī)理示意圖 (b)Fig.8 UV-Vis spectra,fluorescence spectra of Tb3+(a)and the mechanism of electrochromic and luminescent switching process(b)of the polyanions P2W18O6212-and P2W18O626-
將Tb3+離子的熒光發(fā)射光譜與多酸陰離子的可見吸收光譜重疊,在外加還原電位-0.85 V下,多酸陰離子P2W18O626-得到6個(gè)電子被還原成P2W18O6212-,同時(shí)在可見區(qū)出現(xiàn)寬的吸收峰(圖8a,藍(lán)線),而Tb3+的熒光發(fā)射峰完全被P2W18O6212-的吸收光譜所覆蓋(圖8a,綠線),二者可以發(fā)生分子間熒光共振能量轉(zhuǎn)移(fluorescence resonance energy transfer,FRET)[26],能量給體Tb3+將輻射出的能量轉(zhuǎn)移給能量受體P2W18O6212-,進(jìn)而導(dǎo)致Tb3+的熒光淬滅;而在外加氧化電位0.85 V下,電化學(xué)還原態(tài)多酸陰離子P2W18O6212-失去6個(gè)電子重新被氧化成P2W18O626-,可見區(qū)的吸收峰消失(圖 8a,黑線),此時(shí) P2W18O626-不能吸收Tb3+所輻射的能量,Tb3+的熒光恢復(fù),溶液P2W18O626-@Tb3+呈現(xiàn)出可逆的電致變色及電化學(xué)調(diào)控?zé)晒忾_關(guān)效應(yīng)。圖8b為P2W18O626-@Tb3+混合體系電致變色/熒光開關(guān)能量轉(zhuǎn)移過程示意圖,在外加還原電位-0.85 V下,多酸得到電子被還原成P2W18O6212-,由無色變?yōu)樗{(lán)色,能夠吸收Tb3+發(fā)射出來的綠光,導(dǎo)致Tb3+的熒光淬滅;而在外加氧化電位0.85 V下,P2W18O6212-失去電子被氧化成P2W18O626-,由藍(lán)色變?yōu)闊o色,此時(shí)P2W18O626-與Tb3+之間不發(fā)生能量轉(zhuǎn)移,Tb3+的熒光恢復(fù)。
在外加不同氧化還原電位±0.38、±0.69、±0.85 V下,對(duì)P2W18O626-@Tb3+混合溶液的電致變色及電化學(xué)調(diào)控?zé)晒忾_關(guān)性質(zhì)進(jìn)行研究。利用紫外可見動(dòng)力學(xué)方法對(duì)溶液的電致變色響應(yīng)速度進(jìn)行考察,隨著還原電位的減小(-0.38、-0.69、-0.85 V),多酸陰離子P2W18O626-得電子數(shù)增大,分別獲得2e、4e、6e的還原產(chǎn)物,溶液著色平衡所需的時(shí)間逐漸縮短 (圖9a),著色平衡時(shí)750 nm處的吸光度逐漸增強(qiáng);隨著氧化電位的增大,溶液褪色過程所需的時(shí)間逐漸縮短(圖9b)。同時(shí),隨著還原電位的減小,著色平衡后溶液的藍(lán)色逐漸加深,在可見區(qū)400~800 nm區(qū)間內(nèi)的吸收峰逐漸增強(qiáng)(圖9c);而隨著還原電位的減小,溶液在460~700 nm區(qū)間的熒光發(fā)射峰逐漸降低,熒光淬滅程度逐漸增大 (圖9d),在還原電位-0.38、-0.69、-0.85 V下溶液的熒光開關(guān)能量轉(zhuǎn)移效率分別為85.97%、87.53%、93.42%。
圖9 混合溶液P2W18O626-@Tb3+在不同還原電位 (a)、氧化電位 (b)下的紫外可見動(dòng)力學(xué)曲線;混合溶液P2W18O626-@Tb3+在不同還原電位下的紫外可見光譜 (c)、熒光光譜(d)Fig.9 UV-Vis kinetic curves of P2W18O626-@Tb3+mixed solution at different reduction potentials(a)and oxidation potentials(b);Corresponding UV-Vis spectra(c)and fluorescence spectra(d)of P2W18O626-@Tb3+mixed solution at different reduction potentials
將電化學(xué)還原與H2O2氧化法相結(jié)合,基于P2W18O626-@Tb3+溶液可逆變色-熒光開關(guān)性質(zhì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)H2O2紫外可見、熒光雙光譜檢測(圖10)。在外加還原電位-0.85 V下,P2W18O6212-@Tb3+溶液在可見區(qū)400~800 nm范圍內(nèi)出現(xiàn)寬的吸收峰(圖10a);與此同時(shí)溶液在460~700 nm范圍內(nèi)的熒光發(fā)射峰降低,熒光淬滅(圖 10c)。 而在 0.04、0.08、0.12、0.16、0.20、0.24、0.28 mmol·L-1的 H2O2作用下,P2W18O6212-被氧化成P2W18O626-,溶液的藍(lán)色逐漸消失,隨著H2O2濃度的增大可見區(qū)的吸收峰逐漸降低,以750 nm處的吸光度對(duì)H2O2的濃度作圖,得到吸光度(A)對(duì)H2O2濃度(C)的線性檢測方程A=-8 956.5C+2.636 8(線性相關(guān)系數(shù)r=99.4%),該紫外可見光譜法對(duì) H2O2濃度檢測的線性范圍為 1.76×10-5~0.28 mmol·L-1,檢出限 CL=kSN/m=1.76×10-2μmol·L-1(其中m為標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率,值為-8 956.5 L·mol-1;SN為標(biāo)準(zhǔn)偏差,值為 5.42×10-5;k為置信因子,值為 3)(圖10b);與此同時(shí),隨著H2O2濃度的增大溶液在460~700 nm范圍內(nèi)的熒光發(fā)射峰逐漸增強(qiáng)、熒光恢復(fù),以547 nm處熒光強(qiáng)度的對(duì)數(shù)對(duì)H2O2濃度作圖,獲得熒光檢測的線性方程lnI=12 849.9C+4.955 1(線性相關(guān)系數(shù)r=96.5%),該熒光光譜法對(duì)維生素C濃度的線性檢測范圍為 3.04×10-3~0.28 mmol·L-1,檢出限 CL=kSN/m=3.04 μmol·L-1(其中 m=12 849.9 L·mol-1;SN=1.30×10-2;k=3)(圖 10d)。
圖10 在-0.85 V下P2W18O6212-@Tb3+溶液的紫外可見光譜 (a)及熒光光譜 (c),在不同濃度H2O2下溶液的紫外可見光譜 (b)及熒光光譜 (d)Fig.10 UV-Vis spectra(a)and fluorescence spectra(b)of P2W18O626-@Tb3+mixed solution when applied a reduction potential-0.85 V;UV-Vis spectra(c)and fluorescence spectra(d)of P2W18O6212-@Tb3+mixed solution with different H2O2concentrations
在外加氧化還原電位±0.85 V下,實(shí)現(xiàn)了P2W18O626-@Tb3+混合溶液可逆的電致變色及熒光開關(guān)雙功能性質(zhì),熒光開關(guān)的機(jī)理歸屬于變色多酸P2W18O626-與綠光Tb3+分子間熒光共振能量轉(zhuǎn)移。通過控制還原電位-0.38、-0.69、-0.85 V分別獲得多酸陰離子P2W18O626-的2e、4e、6e還原產(chǎn)物,隨著還原電子數(shù)的增加P2W18O626-@Tb3+混合溶液電致變色著色能力增強(qiáng)、響應(yīng)速率加快;同時(shí),溶液的熒光淬滅程度逐漸增大,熒光開關(guān)能量轉(zhuǎn)移效率分別為85.97%、87.53%、93.42%。最后利用電化學(xué)還原態(tài)P2W18O6212-@Tb3+溶液對(duì)H2O2紫外可見、熒光雙光譜檢測,紫外可見光譜法對(duì)H2O2檢測的線性方程為A=-8 956.5C+2.636 8, 線性檢測范圍為 1.76×10-5~0.28 mmol·L-1,檢出限為 1.76×10-2μmol·L-1;熒光光譜法對(duì)H2O2檢測的線性方程為lnI=12 849.9C+4.955 1,線性檢測范圍為 3.04×10-3~0.28 mmol·L-1,檢出限為 3.04 μmol·L-1。該研究對(duì)多酸基變色/熒光開關(guān)體系的設(shè)計(jì)及其在生化傳感領(lǐng)域的應(yīng)用具有一定的理論及實(shí)際意義。
無機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào)2019年3期