多孔氧化鋁納米材料對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姜黃素的吸附性能和發(fā)光性質(zhì)影響的研究摘要 通過陽極氧化法制備的孔徑約20150nm的多孔氧化鋁納米材料，表現(xiàn)出較強的吸附性能，主要利用物理吸附在納米孔中填入有機熒光小分子姜黃素，與溶液中的發(fā)光現(xiàn)象相比，觀察到了姜黃素的光譜藍移現(xiàn)象，表明納米孔對有機分子發(fā)光有較大的影響.關鍵詞 多孔氧化鋁納米材料；姜黃素；熒光；吸附中圖分類號：O485 文獻標識碼：0 引言20世紀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)日益受到人們的關注和青睞，在世界范圍內(nèi)掀起了研究熱潮.各國的科學家已經(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、光學特

2、性，原子、分子的空間排列、組裝、奇異性，化學反應性能等等.多孔氧化鋁是一種研究比較多的納米材料，通過控制制備條件，可以得到不同孔徑的規(guī)則正六角形納米孔狀結構，大小從幾個、幾十個到幾百個納米均可得到.目前研究的內(nèi)容主要集中于制備條件、形成機理、磁學和力學性能等方面，對于吸附性能和光學性能的研究比較少見，僅有少量的報道14.有機熒光小分子的數(shù)量和種類繁多，應用領域非常廣泛，例如可以作為藥物、染料、發(fā)光材料，核酸、蛋白質(zhì)、細胞的熒光探針，服裝的增白劑，金屬離子的分析測定試劑等；而且其來源豐富、價格便宜，通過進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，國內(nèi)外引起了非常廣泛的注意，并已開始逐步進入臨床應用階段5.1998年Science上發(fā)表了Weiss和Nie等人89的文章報道了基于納米熒光顆粒標記生物分子的非傳統(tǒng)的熒光分析方法，湖南大學王柯敏領導的研究小組也迅速開展了此領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，對于進一步研究增強姜黃素的藥理作用，探索新型的納米熒光探針標記生物分子的應用，開發(fā)新型的發(fā)光材料均具有潛在的價值.1 實驗部分1.1 儀器與試劑姜黃素（Curcumin，分析純，上海生物化學試劑有限公司），無水乙醇（Ethanol

4、，分析純，西安化學試劑公司），高氯酸（Perchloric acid, 分析純，天津化學試劑公司二廠），草酸（Oxalic acid, 分析純，天津化學試劑公司），使用前未經(jīng)過進一步純化處理.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（日本島津）.多孔氧化鋁納米材料由蘭州大學物理系納米材料研究課題組提供，有關平均孔徑等數(shù)據(jù)已經(jīng)經(jīng)過測試.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（對應于40nm）和80V（對應于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度下進行去氧化膜處理，時間一般為5min，然后再次在0.3 mol/L草酸液中氧化較長一段時間（一般超過1h），重復一次去氧化膜處理(5min)，重新氧化一小時后拿出便得到六角高度有序的氧化鋁模板.通過使用不同的酸及控制不同的電壓和氧化時間可制得到從十幾個納米到幾百個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)過了相應的測試.另外后文中的純鋁片是指上面

6、所說的經(jīng)過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 將處理過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間，取出后用15%乙醇水溶液緩慢沖洗去表面附著的有機分子，這樣就得到了所需樣品.后文中所說的溶液如無特別說明均指15%乙醇水溶液.各樣品的激發(fā)光譜和相應的發(fā)射光譜在150W氙燈做光源的RF540 Shimaduzu熒光分光光度計上測得.2 結果與討論2.1 吸附性能的比較浸泡時間的長短對吸附量的影響，測試

7、過程：將欲測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，結果見表1.表1 時間對樣品吸附的影響Table 1 Influence of time on adsorption of samples純鋁片普通Al2O3片100nm P-Al40nm P-Al浸泡10min無無弱強浸泡30min無弱一般很強浸泡60min無一般強很強浸泡120min無一般強很強為了進一步研究這種吸附特性，我們又做了如下對比試驗，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、泡在溶液當中足夠長的時間，反復浸泡沖洗，取出晾干觀察，其結果如下表2.表2 沖洗對樣品吸附的影響Table 2 Influence of flush on adsorption of samples 純鋁片普通Al2O3片100nm P-Al40nm P-Al浸泡60min無一般強很強甩干并緩慢洗無弱一般強反復浸泡沖洗無無無弱 由上表結果可以看出，40nm的P-Al比100nm的P-Al有更強的吸附能力，對于姜黃素的吸附性能表現(xiàn)出強烈的納米尺寸效應，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理主要是物理吸附.在40nmPAl上面強的發(fā)光現(xiàn)象不僅是吸附能力很強的緣故，還與其發(fā)光效率有關

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)過拋光處理以后表面異常平整，所以沒有吸附效應.對比純鋁片和普通Al2O3片的吸附能力時，由于化學組成不同，僅僅按以上解釋是否完全合理，是否存在姜黃素與Al2O3較弱的化學吸附作用尚有待于進一步研究.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)光譜有兩個峰分別在330nm和500nm，發(fā)射光譜只出現(xiàn)545nm一個峰.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)波長測試在納米板上姜黃素

10、的熒光，將會受到嚴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激發(fā)峰500nm處比330nm處要強一些，以后的測試當中我們還是只選擇了330nm做為激發(fā)波長.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，沒有出現(xiàn)姜黃素的特征激發(fā)峰，因此沒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)波長的改變而改變，通過改變激發(fā)波長來掃描發(fā)射光譜，并且對比空白氧化鋁納米材料的發(fā)光，確認了哪些是姜黃素的熒光.為了便于對比和消除干擾，測試發(fā)射光譜都是使用330nm做為激發(fā)波長.圖2給出了姜黃素在不同樣品中的發(fā)射光譜. 因為本實驗裝置和測試手段無法對固體樣品進行準確的定量，而且受固體樣品的平整度、均勻性等因素的影響，圖中給出的熒光強度只具有相對的意義，直接對比各條

12、譜線強度沒有意義. 但各譜線的形狀和最大發(fā)射波長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，當熒光分子被限制越多，發(fā)生的藍移越顯著.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的相互作用，當被激發(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7，從而發(fā)生紅移現(xiàn)象；當發(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量得到的熒光峰發(fā)生了藍移現(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，但是在測試吸附姜黃素以后的發(fā)射光譜時，卻幾乎沒有出現(xiàn)氧化鋁納米材料自身的發(fā)光.我們認為這是由于姜黃素在500nm處有一強的吸收譜帶，當氧化鋁納米材料吸附姜黃素以后，其發(fā)光轉移給姜黃素使得其發(fā)光效率得到增強，也就同時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在浸泡沖洗過程中測得的發(fā)光譜線的一個例子，隨著氧化鋁納米孔中的有機分子逐漸被洗出，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. 沖洗過程中圖2各樣品的發(fā)射光譜（激發(fā)波長為330nm）Fig.2 Fluorescence emission spectra of Curcumin in samples3 結

15、論通過陽極氧化法制得的40nm和100nm多孔氧化鋁納米材料，表現(xiàn)出了較強的吸附有機熒光小分子姜黃素的能力，并且對于其發(fā)光行為有著較大的影響.詳細測試了其發(fā)射光譜，初步探討了作用機理，由于納米尺寸效應導致的光譜藍移和增強的發(fā)光效率.這對于以后尋找更好的有機分子吸附載體、開發(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值.致謝：蘭州大學磁學和磁性材料重點實驗室提供了多孔氧化鋁納米模板并測試了孔徑數(shù)據(jù)。參考文獻1Hornyak G L, Patrissi C J, Martin C R. Fabrication, characterization, and optical p

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