多孔氧化鋁納米材料對(duì)姜黃素的吸附性能和發(fā)光性質(zhì)影響的研究

1、多孔氧化鋁納米材料對(duì)姜黃素的吸附性能和發(fā)光性質(zhì)影響的研究摘要 通過(guò)陽(yáng)極氧化法制備的孔徑約20150nm的多孔氧化鋁納米材料，表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸附性能，主要利用物理吸附在納米孔中填入有機(jī)熒光小分子姜黃素，與溶液中的發(fā)光現(xiàn)象相比，觀察到了姜黃素的光譜藍(lán)移現(xiàn)象，表明納米孔對(duì)有機(jī)分子發(fā)光有較大的影響.關(guān)鍵詞 多孔氧化鋁納米材料；姜黃素；熒光；吸附中圖分類號(hào)：O485 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：0 引言20世紀(jì)80年代末、90年代初納米科技得到了迅猛發(fā)展，由于納米材料表現(xiàn)出的特殊性質(zhì)日益受到人們的關(guān)注和青睞，在世界范圍內(nèi)掀起了研究熱潮.各國(guó)的科學(xué)家已經(jīng)制備出了大量的納米材料，并且研究了很多方面的性質(zhì)，如力、電、磁、光學(xué)特

2、性，原子、分子的空間排列、組裝、奇異性，化學(xué)反應(yīng)性能等等.多孔氧化鋁是一種研究比較多的納米材料，通過(guò)控制制備條件，可以得到不同孔徑的規(guī)則正六角形納米孔狀結(jié)構(gòu)，大小從幾個(gè)、幾十個(gè)到幾百個(gè)納米均可得到.目前研究的內(nèi)容主要集中于制備條件、形成機(jī)理、磁學(xué)和力學(xué)性能等方面，對(duì)于吸附性能和光學(xué)性能的研究比較少見(jiàn)，僅有少量的報(bào)道14.有機(jī)熒光小分子的數(shù)量和種類繁多，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，例如可以作為藥物、染料、發(fā)光材料，核酸、蛋白質(zhì)、細(xì)胞的熒光探針，服裝的增白劑，金屬離子的分析測(cè)定試劑等；而且其來(lái)源豐富、價(jià)格便宜，通過(guò)進(jìn)一步的改造這些分子可以得到更多的品種.姜黃素曾經(jīng)廣泛用于食品添加劑、生物染色劑、酸堿指示劑使

3、用，最近幾年發(fā)現(xiàn)其具有非常好的抗腫瘤、抗菌效果，國(guó)內(nèi)外引起了非常廣泛的注意，并已開(kāi)始逐步進(jìn)入臨床應(yīng)用階段5.1998年Science上發(fā)表了Weiss和Nie等人89的文章報(bào)道了基于納米熒光顆粒標(biāo)記生物分子的非傳統(tǒng)的熒光分析方法，湖南大學(xué)王柯敏領(lǐng)導(dǎo)的研究小組也迅速開(kāi)展了此領(lǐng)域的研究并取得了較好的成果10.本文的目的主要在于研究姜黃素分子在納米孔中的吸附性能和發(fā)光現(xiàn)象，對(duì)于進(jìn)一步研究增強(qiáng)姜黃素的藥理作用，探索新型的納米熒光探針標(biāo)記生物分子的應(yīng)用，開(kāi)發(fā)新型的發(fā)光材料均具有潛在的價(jià)值.1 實(shí)驗(yàn)部分1.1 儀器與試劑姜黃素（Curcumin，分析純，上海生物化學(xué)試劑有限公司），無(wú)水乙醇（Ethanol

4、，分析純，西安化學(xué)試劑公司），高氯酸（Perchloric acid, 分析純，天津化學(xué)試劑公司二廠），草酸（Oxalic acid, 分析純，天津化學(xué)試劑公司），使用前未經(jīng)過(guò)進(jìn)一步純化處理.其余試劑均為分析純，所用水為二次蒸餾水.RF540熒光分光光度計(jì)（日本島津）.多孔氧化鋁納米材料由蘭州大學(xué)物理系納米材料研究課題組提供，有關(guān)平均孔徑等數(shù)據(jù)已經(jīng)經(jīng)過(guò)測(cè)試.1.2 多孔氧化鋁納米板的制備 將高純鋁箔（純度99.99%以上）依次用乙醇、0.1mol/L NaOH溶液、去離子水超聲清洗，得到光滑平整的表面.清洗后的基片在高氯酸和乙醇V高氯酸：V乙醇1：4的混合溶液中進(jìn)行拋光處理，然后于0度或15度

5、下在0.3 mol/L的草酸電解液中40V（對(duì)應(yīng)于40nm）和80V（對(duì)應(yīng)于100nm）電壓下氧化0.5h，取出用去離子水沖凈后在0.2 mol/LH2CrO4和0.4 mol/LH3PO4混合液中60度下進(jìn)行去氧化膜處理，時(shí)間一般為5min，然后再次在0.3 mol/L草酸液中氧化較長(zhǎng)一段時(shí)間（一般超過(guò)1h），重復(fù)一次去氧化膜處理(5min)，重新氧化一小時(shí)后拿出便得到六角高度有序的氧化鋁模板.通過(guò)使用不同的酸及控制不同的電壓和氧化時(shí)間可制得到從十幾個(gè)納米到幾百個(gè)納米不同孔徑的氧化鋁膜板. 本文中使用的平均孔徑40nm和100nm的多孔氧化鋁納米板經(jīng)過(guò)了相應(yīng)的測(cè)試.另外后文中的純鋁片是指上面

6、所說(shuō)的經(jīng)過(guò)拋光處理的高純鋁片，普通氧化鋁片是指純鋁片在干燥空氣中放置數(shù)日表面自然氧化形成一薄層Al2O3后的鋁片，P-Al指多孔氧化鋁納米材料.1.3 姜黃素在各樣品上的吸附性能和發(fā)光性質(zhì)試驗(yàn) 將處理過(guò)的多孔氧化鋁納米板以及其他樣品材料，浸泡在10-3mol/L的姜黃素15%乙醇水溶液中一定時(shí)間，取出后用15%乙醇水溶液緩慢沖洗去表面附著的有機(jī)分子，這樣就得到了所需樣品.后文中所說(shuō)的溶液如無(wú)特別說(shuō)明均指15%乙醇水溶液.各樣品的激發(fā)光譜和相應(yīng)的發(fā)射光譜在150W氙燈做光源的RF540 Shimaduzu熒光分光光度計(jì)上測(cè)得.2 結(jié)果與討論2.1 吸附性能的比較浸泡時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)吸附量的影響，測(cè)試

7、過(guò)程：將欲測(cè)試的樣品依次在姜黃素溶液中浸泡10min，30min，1h，2h取出后晾干用肉眼觀察黃色的深淺，結(jié)果見(jiàn)表1.表1 時(shí)間對(duì)樣品吸附的影響Table 1 Influence of time on adsorption of samples純鋁片普通Al2O3片100nm P-Al40nm P-Al浸泡10min無(wú)無(wú)弱強(qiáng)浸泡30min無(wú)弱一般很強(qiáng)浸泡60min無(wú)一般強(qiáng)很強(qiáng)浸泡120min無(wú)一般強(qiáng)很強(qiáng)為了進(jìn)一步研究這種吸附特性，我們又做了如下對(duì)比試驗(yàn)，將浸泡以后的樣品取出以后用力甩干表面附著的液滴，并且用15%乙醇水溶液緩慢沖洗去除附著在外層的姜黃素分子，觀察黃顏色的深淺.然后在將其完全浸

8、泡在溶液當(dāng)中足夠長(zhǎng)的時(shí)間，反復(fù)浸泡沖洗，取出晾干觀察，其結(jié)果如下表2.表2 沖洗對(duì)樣品吸附的影響Table 2 Influence of flush on adsorption of samples 純鋁片普通Al2O3片100nm P-Al40nm P-Al浸泡60min無(wú)一般強(qiáng)很強(qiáng)甩干并緩慢洗無(wú)弱一般強(qiáng)反復(fù)浸泡沖洗無(wú)無(wú)無(wú)弱 由上表結(jié)果可以看出，40nm的P-Al比100nm的P-Al有更強(qiáng)的吸附能力，對(duì)于姜黃素的吸附性能表現(xiàn)出強(qiáng)烈的納米尺寸效應(yīng)，孔徑的尺寸越小其吸附性能越好，并且能夠推斷出其吸附機(jī)理主要是物理吸附.在40nmPAl上面強(qiáng)的發(fā)光現(xiàn)象不僅是吸附能力很強(qiáng)的緣故，還與其發(fā)光效率有關(guān)

9、，這將在后面給出解釋.普通Al2O3片也有一定的吸附能力，估計(jì)是由于在高純鋁片基底上自然形成的Al2O3膜表面不光滑所致，而高純鋁片經(jīng)過(guò)拋光處理以后表面異常平整，所以沒(méi)有吸附效應(yīng).對(duì)比純鋁片和普通Al2O3片的吸附能力時(shí)，由于化學(xué)組成不同，僅僅按以上解釋是否完全合理，是否存在姜黃素與Al2O3較弱的化學(xué)吸附作用尚有待于進(jìn)一步研究.2.2 姜黃素溶液的激發(fā)光譜和發(fā)射光譜如圖1所示為姜黃素溶液的激發(fā)光譜和發(fā)射光譜，其激發(fā)光譜有兩個(gè)峰分別在330nm和500nm，發(fā)射光譜只出現(xiàn)545nm一個(gè)峰.由于固體表面的漫反射以及氧化鋁納米材料的光致發(fā)光現(xiàn)象6，如果選擇500nm做為激發(fā)波長(zhǎng)測(cè)試在納米板上姜黃素

10、的熒光，將會(huì)受到嚴(yán)重干擾以致得不到可以接受的發(fā)光譜圖，因此盡管姜黃素的兩個(gè)激發(fā)峰500nm處比330nm處要強(qiáng)一些，以后的測(cè)試當(dāng)中我們還是只選擇了330nm做為激發(fā)波長(zhǎng).a. 激發(fā)光譜；b. 發(fā)射光譜（330nm激發(fā)） (10-6mol/L，15乙醇水溶液，室溫)圖1 姜黃素溶液狀態(tài)下的激發(fā)光譜和發(fā)射光譜Fig.1 Fluorescence excitation and emission spectra of Curcumin in solution2.3 姜黃素的發(fā)射光譜我們分別測(cè)試了空白40nm氧化鋁納米板、吸附姜黃素后的40nm和100nm氧化鋁納米板、吸附在普通濾紙上并干燥后的姜黃素、

11、純固體粉末的姜黃素的發(fā)射光譜和激發(fā)光譜.由于在固體狀態(tài)下的激發(fā)光譜受到固體表面的漫反射和氧化鋁納米材料自身發(fā)光現(xiàn)象的影響，沒(méi)有出現(xiàn)姜黃素的特征激發(fā)峰，因此沒(méi)有給出這些樣品的激發(fā)光譜圖.根據(jù)分子熒光的特有性質(zhì)7，最大熒光峰的位置不隨激發(fā)波長(zhǎng)的改變而改變，通過(guò)改變激發(fā)波長(zhǎng)來(lái)掃描發(fā)射光譜，并且對(duì)比空白氧化鋁納米材料的發(fā)光，確認(rèn)了哪些是姜黃素的熒光.為了便于對(duì)比和消除干擾，測(cè)試發(fā)射光譜都是使用330nm做為激發(fā)波長(zhǎng).圖2給出了姜黃素在不同樣品中的發(fā)射光譜. 因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)裝置和測(cè)試手段無(wú)法對(duì)固體樣品進(jìn)行準(zhǔn)確的定量，而且受固體樣品的平整度、均勻性等因素的影響，圖中給出的熒光強(qiáng)度只具有相對(duì)的意義，直接對(duì)比各條

12、譜線強(qiáng)度沒(méi)有意義. 但各譜線的形狀和最大發(fā)射波長(zhǎng)不受這些因素的影響，所以本文只考察了各譜線的位置和相對(duì)位移. 因發(fā)射光譜的譜線位移變化不大，為了更清楚地顯示，我們將其分別放在了兩張圖里面.其最大發(fā)射波長(zhǎng)分別為：(a)固體粉末560nm、(b)溶液中546nm、(c)濾紙上539nm、(d) 100nmP-Al上518nm、(e) 40nmP-Al上515nm.從以上結(jié)果可以看出，小分子的發(fā)光行為受到周圍環(huán)境的影響很大，當(dāng)熒光分子被限制越多，發(fā)生的藍(lán)移越顯著.一種可能的解釋是：受環(huán)境局限很小的發(fā)光分子之間有著很強(qiáng)的相互作用，當(dāng)被激發(fā)處于激發(fā)態(tài)以后比較容易發(fā)生體系間竄躍(intersystem c

13、rossing)，降低了激發(fā)態(tài)回到基態(tài)的能級(jí)7，從而發(fā)生紅移現(xiàn)象；當(dāng)發(fā)光分子被局限在其他分子之間以后，減弱了發(fā)光分子之間的相互作用，改變了分子的激發(fā)態(tài)使其更接近于單分子發(fā)光的特性，從而相比于通常在溶液中測(cè)量得到的熒光峰發(fā)生了藍(lán)移現(xiàn)象.圖2中的(f)譜線是40nm空白氧化鋁納米板的發(fā)光，470nm處是最大發(fā)光峰，總體表現(xiàn)為一寬的發(fā)光譜帶.雖然它的發(fā)光很強(qiáng)，但是在測(cè)試吸附姜黃素以后的發(fā)射光譜時(shí)，卻幾乎沒(méi)有出現(xiàn)氧化鋁納米材料自身的發(fā)光.我們認(rèn)為這是由于姜黃素在500nm處有一強(qiáng)的吸收譜帶，當(dāng)氧化鋁納米材料吸附姜黃素以后，其發(fā)光轉(zhuǎn)移給姜黃素使得其發(fā)光效率得到增強(qiáng)，也就同時(shí)解釋了為什么納米板上吸附的并不

14、很多的姜黃素分子卻可以發(fā)出很強(qiáng)的光.圖2中的(g)譜線是吸附姜黃素的40nm P-Al在浸泡沖洗過(guò)程中測(cè)得的發(fā)光譜線的一個(gè)例子，隨著氧化鋁納米孔中的有機(jī)分子逐漸被洗出，其發(fā)光行為就由姜黃素的發(fā)光逐漸過(guò)渡到P-Al自身的發(fā)光.a. 姜黃素固體粉末；b. 姜黃素溶液中(10-6mol/L，15乙醇水溶液，室溫)；c. 普通濾紙上；d. 100nm P-Al上；e. 40nm P-Al上；f. 40nm空白氧化鋁納米板；g. 沖洗過(guò)程中圖2各樣品的發(fā)射光譜（激發(fā)波長(zhǎng)為330nm）Fig.2 Fluorescence emission spectra of Curcumin in samples3 結(jié)

15、論通過(guò)陽(yáng)極氧化法制得的40nm和100nm多孔氧化鋁納米材料，表現(xiàn)出了較強(qiáng)的吸附有機(jī)熒光小分子姜黃素的能力，并且對(duì)于其發(fā)光行為有著較大的影響.詳細(xì)測(cè)試了其發(fā)射光譜，初步探討了作用機(jī)理，由于納米尺寸效應(yīng)導(dǎo)致的光譜藍(lán)移和增強(qiáng)的發(fā)光效率.這對(duì)于以后尋找更好的有機(jī)分子吸附載體、開(kāi)發(fā)新型的發(fā)光材料、拓寬基于納米熒光探針的分析方法等都具有一定的參考價(jià)值.致謝：蘭州大學(xué)磁學(xué)和磁性材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供了多孔氧化鋁納米模板并測(cè)試了孔徑數(shù)據(jù)。參考文獻(xiàn)1Hornyak G L, Patrissi C J, Martin C R. Fabrication, characterization, and optical p

16、ropertyes of gold nanoparticle/porous alumina composites: the nonscattering Maxwell-garnett limit. JPhys Chem B, 1997, 101(10):154815552 史彥莉，張校剛，力虎林.摻Eu及Ag微粒的SiO2凝膠在多孔陽(yáng)極氧化鋁中的熒光增強(qiáng)J.高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào)，2001，22（5）：8218233Li A P, Mueller F, Birner A, et al. Hexagonal pore arrays with a 50420 nm interpore distance

17、formed by self-organization in anodic alumina. J Appl Phys, 1998,84(11):602360264徐春祥，薛清華，巴龍，等.八羥基喹啉鋁在多孔氧化鋁納米孔中的光致發(fā)光J.科學(xué)通報(bào)，2001，46(12)：984987.5 薛 妍，夏 天，趙建斌.姜黃素的抗癌作用機(jī)制研究進(jìn)展J中草藥，2000，31(2)：150153.6 Oritz A, Alonso J C, Pankov V, et al. Violet-blue photoluminescence in aluminium oxide films prepared by u

18、ltrasonic spray pyrolysis. J Lum, 1999, 81(1):45517 陳國(guó)珍，黃賢智，許金鉤，等.熒光分析法M.北京：科學(xué)出版社，1990：3148 Bruchez M, Moronne M, Gin P, et al. Semiconductor nanocrystals as fluorescent biological labels.J Science, 1998, 281:201320169 Chan W C W, Nie S M. Quantum dot bioconjugates for ultrasensitive nonisotopic detection. J Science, 1998, 281:2016201810 何曉曉，王柯敏，譚蔚泓，等.基于生物熒光納米顆粒的新型熒光標(biāo)記方法及其在細(xì)胞識(shí)別中的應(yīng)用J 科學(xué)通報(bào)，2001，46(16):13531358Effects of Nanometer size of Porous Anodic Aluminum Oxideon Adsorption and Fluo