劉占芳，張冠男，孫振文，胡 燦，周 紅， 喬 婷，李 露，朱 軍,*

（1.公安部鑒定中心，北京 100038；2.陜西科技大學，西安 710021）

硝化甘油（nitroglycerine，NG），又名三硝酸甘油酯，可用于制造猛炸藥和火藥。由于機械感度過高，以它為基礎(chǔ)的炸藥爆炸威力較大，同時它也是槍彈發(fā)射藥和炮彈推進劑不可缺少的重要組分。目前，在法庭科學領(lǐng)域，硝化甘油的測定方法主要有氣相色譜-質(zhì)譜法和液相色譜-質(zhì)譜法[1-3]，然而由于其爆炸完全、熱敏性較高且極易揮發(fā)，現(xiàn)有實驗室檢驗技術(shù)難以滿足案件現(xiàn)場勘驗的需要。

近年來，熒光檢測技術(shù)因具有靈敏度高、選擇性好、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性高以及操作簡單等優(yōu)點，在爆炸物檢測領(lǐng)域受到了研究者的廣泛關(guān)注[4]。為了實現(xiàn)案件現(xiàn)場爆炸殘留物的快速勘查檢測，必須進一步提高熒光探針的檢測靈敏度。當前文獻報道中，提高熒光檢測靈敏度的方法主要包括熒光探針的結(jié)構(gòu)修飾和采用特殊的檢測基底兩種方式[5]。光子晶體，又被稱為光子帶隙材料，它的本質(zhì)是通過至少兩種介電材料的周期性排列而對特定波長光的傳播起到選擇性阻礙或者限域作用[6-7]。光子晶體使人們操縱和控制光子的夢想成為可能，這使得光子晶體具有巨大的理論意義和實際應(yīng)用價值[8-12]。目前，光子晶體在傳感器、光纖、光波導(dǎo)、微型激光器以及微波天線等方面有著廣泛的應(yīng)用[13-16]。由于具有獨特的光子帶隙效應(yīng)、帶邊效應(yīng)和慢光子效應(yīng)等，光子晶體能夠使熒光探針信號有效增強，從而實現(xiàn)案件現(xiàn)場爆炸殘留物的高靈敏快速檢測[17-18]。

圖1 光子晶體熒光增強/淬滅檢測爆炸物示意圖Fig. 1 Schematic illustration for detection of explosives with fluorescence enhancement/quenching of photonic crystals

如圖1所示，在合適波長位置光子帶隙的空心球光子晶體中，因光子晶體光子帶隙的帶邊效應(yīng)和慢光信號，當溶液中存在硝化甘油爆炸物時，熒光探針的信號能被有效淬滅，且不同濃度的爆炸物淬滅程度不同，從而可通過熒光強度的顯著變化實現(xiàn)對硝化甘油的半定量檢測。本文研究制備了一套能夠增強熒光探針信號的光子晶體功能體系，進而通過熒光強度變化實現(xiàn)對有機炸藥硝化甘油的高靈敏檢測。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 主要材料

苯乙烯、偶氮二異丁脒鹽酸鹽（AIBA）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、正硅酸乙酯（TEOS）等購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；過氧化氫（30%水溶液）、濃硫酸、無水乙醇、氨水等購自國藥集團化學試劑有限公司；去離子水由實驗室自制；有機玻璃片（PMMA）、普通玻璃片購自當?shù)毓?yīng)商；所有溶劑和化學藥品均為分析純。硝化甘油由西安204研究所提供。

1.1.2 主要儀器

FEG650掃描電子顯微鏡（美國FEI）；G2F20S透射電子顯微鏡（美國FEI）；AvaSpec-ULS2048光纖光譜儀（荷蘭AVANTES）；H1850臺式高速離心機（湖南湘儀實驗室儀器開發(fā)有限公司）；DH-202電熱恒溫干燥箱（天津市中環(huán)實驗電爐有限制造公司）；KSL-1200X馬弗爐（合肥科晶材料技術(shù)有限公司）；DF-101S磁力攪拌器（鞏義子華科技有限公司）；RW20機械攪拌機（德國IKA）。

1.2 實驗方法

1.2.1 單分散聚苯乙烯微球的制備

聚苯乙烯微球通過分散聚合法制備，具體過程如下：將10 mL苯乙烯、100 mL去離子水、1.5 g聚乙烯吡咯烷酮依次加入到250 mL的三口燒瓶中，機械攪拌下通氮氣驅(qū)氧15 min；接著通冷卻水，油浴鍋中升高反應(yīng)溫度到70 ℃，待體系溫度穩(wěn)定后快速加入0.25 g AIBA，繼續(xù)恒溫攪拌5 h；最后用無水乙醇將所得懸浮液進行反復(fù)離心、分散洗滌（10 000 r/min, 40 min），烘干，得到白色聚苯乙烯（PS）粉末，備用。

1.2.2 聚苯乙烯@二氧化硅（PS@SiO2）核殼結(jié)構(gòu)的制備

稱量PS粉末0.200 g，超聲分散在50 mL無水乙醇中，待PS微球完全分散后，加入到250 mL的單口燒瓶中，在水浴條件下，磁力攪拌至50 ℃，待溫度穩(wěn)定后，快速加入一定量的TEOS和氨水繼續(xù)攪拌3 h，最后用無水乙醇將所得的懸浮液進行反復(fù)離心、分散洗滌（7 000 r/min, 10 min），備用。

1.2.3 PS@SiO2光子晶體模板的制備

將上述所得的PS@SiO2核殼微球分散液配制成一定濃度（一般體積分數(shù)為0.5%），然后滴入事先用食人魚溶液（H2SO4/H2O2，體積比為7∶3）處理好的小燒杯中，接著用鑷子將經(jīng)過同樣處理的玻璃片垂直放入，最后置于30 ℃的恒溫干燥箱中，待溶劑揮發(fā)完成后，在玻璃片表面即可形成PS@SiO2光子晶體薄膜。

1.2.4 空心球二氧化硅（SiO2）光子晶體模板的制備

將上述制備得到的PS@SiO2光子晶體薄膜放入馬弗爐中，升溫至500 ℃（速率2 ℃/min），保溫2 h，待爐內(nèi)溫度自然冷卻至常溫后取出，空心球SiO2光子晶體薄膜即在玻璃片表面形成[19]。

1.2.5 傳感器對爆炸物的響應(yīng)檢測

配制熒光探針溶液：羅丹明6G染料溶于無水乙醇中，超聲混合均勻，定容使其濃度為10-7～10-3mol/L；接著在空心球SiO2光子晶體基底上覆蓋同樣大小的蓋玻片，組成玻璃/光子晶體/玻璃的“三明治”結(jié)構(gòu)，然后滲入熒光探針溶液，在波長為365 nm的激發(fā)光照射下，記錄熒光發(fā)射光譜。光纖探頭與熒光傳感器面垂直測量，控制光斑直徑大小約為1.5 mm；配制0.8～32 mg/mL濃度的硝化甘油并從低到高依次檢測，記錄相應(yīng)的光譜數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)條件對聚苯乙烯（PS）微球的影響

單體、引發(fā)劑和穩(wěn)定劑的用量都會對微球粒徑和均一性有較大的影響。單分散性和均一性良好的聚苯乙烯微球是制備核殼光子晶體模板的基礎(chǔ)，因此需要平衡各個影響因素來制備所需粒徑的微球。如圖2所示，本實驗制備得到的PS微球尺寸大小均一，單分散性好。通過對單體、引發(fā)劑和穩(wěn)定劑某一因素的改變可調(diào)節(jié)微球的粒徑，為下一步制備PS@SiO2核殼微球奠定良好基礎(chǔ)。

2.2 TEOS用量對PS@SiO2微球的影響

PS@SiO2核殼微球殼層厚度可以通過TEOS的添加量來調(diào)節(jié)。當體系中的氨水量一定時，分別考察了不同TEOS的添加量對殼層厚度的影響。如圖3所示，PS@SiO2微球核層所使用的PS微球粒徑為270 nm，隨著TEOS添加量的增加，微球殼層厚度也逐漸增加，包覆得到的PS@SiO2微球的粒徑分別為300、330、360 nm?？梢园l(fā)現(xiàn)，制備得到的PS@SiO2微球具有明顯的核殼結(jié)構(gòu)，同時保持了原有PS微球的良好均一性和單分散性。

圖2 PS微球掃描電鏡圖Fig. 2 SEM images of PS microspheres

圖3 不同殼層厚度的 PS@SiO2微球（a、b、c：粒徑300、330、360nm）Fig. 3 PS@SiO2 microspheres with different shell thickness and their particle diameters equaling to (a: 300nm; b: 330nm; c: 360nm)

2.3 PS@SiO2光子晶體薄膜表征

圖4為PS微球和PS@SiO2核殼微球組裝形成的光子晶體的光學照片和反射光譜圖。如圖4所示，制備得到的薄膜色彩飽和度高，色澤亮麗，整個模板表面平整且顏色均一，且與單純的PS微球光子晶體薄膜相比，包覆后的薄膜的衍射峰位置發(fā)生了明顯紅移，原因是由于包覆SiO2后微球粒徑增大，綜合折射率增大，根據(jù)布拉格衍射定律，衍射峰發(fā)生紅移。此外，包覆SiO2層的厚度不同，光子晶體衍射峰的紅移程度不同，宏觀上顏色也就不同。

圖4 不同光子晶體薄膜的光學圖片（a）和衍射光譜（b）Fig. 4 Optical images (a) and diffraction spectra (b) of different photonic crystals

2.4 空心球SiO2光子晶體薄膜的表征

通過煅燒去除PS內(nèi)核即可制備得到空心球SiO2光子晶體薄膜，且煅燒后組成薄膜的微球排列得更加緊密。如圖5所示，制備得到的空心球SiO2光子晶體薄膜表面平整，顏色均一且鮮艷，衍射光譜半峰寬較為狹窄，具有優(yōu)異的光學性能。

圖5 空心球SiO2光子晶體薄膜的衍射光譜（a：光學圖片）Fig. 5 Diffraction spectra of SiO2 hollow-sphere photonic crystals (a: optical image of SiO2 hollow-sphere photonic crystals)

經(jīng)過高溫煅燒之后，PS@SiO2微球核結(jié)構(gòu)中心的PS微球位置被空氣代替，由于空氣的折射率（nair＝1.003）小于PS微球的折射率（nps＝1.59），使得體系的綜合折射率明顯降低，由布拉格衍射定律可知，衍射光譜將會發(fā)生藍移。如圖6所示，制備得到的空心SiO2微球內(nèi)部有清晰的球形空腔，外部的SiO2層密實均勻，內(nèi)外壁輪廓均清晰可見。此外，煅燒之后的空心SiO2微球與煅燒前的相比較，粒徑并未發(fā)生明顯變化，表明在500 ℃高溫狀態(tài)下微球未發(fā)生收縮。通過改變內(nèi)核PS微球尺寸和殼層SiO2厚度，可以制備得到具有不同波長位置光子帶隙的空心球光子晶體薄膜。

圖6 不同殼層厚度（a：15nm；b：30nm；c：45nm）的空心球SiO2微球的透射電鏡（TEM）圖Fig. 6 TEM images of SiO2 hollow sphere with different shell thickness equaling to (a/b/c: 15/30/45nm)

2.5 傳感器對硝化甘油的響應(yīng)檢測

不同于傳統(tǒng)的SiO2蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體在液相體系中光子帶隙效應(yīng)會減弱甚至完全消失，空心球光子晶體因其封閉的空氣腔存在，在液體滲入后結(jié)構(gòu)色反而會大大增強。原因是致密的殼層阻止了溶劑進入空氣腔，溶劑只能填充在空心微球的間隙中，替代了間隙的空氣，保持了組成光子晶體材料的折射率差且綜合折射率提高，從而保證了在液相體系檢測中具有足夠強的光子帶隙效應(yīng)。如圖7所示，以10-4mol/L的羅丹明6G為熒光探針溶液，其在合適光子帶隙的空心球光子晶體基底上有著明顯的熒光發(fā)射。分別滴加0.8、1.6、3.2、4.8、6.4、8.0、16.0、24.0、32.0 mg/mL的硝化甘油時，因其與羅丹明6G分子相互作用，熒光強度分別減少了2.89%、4.63%、8.08%、12.88%、17.47%、24.25%、29.66%、38.15%、50.22%。由于淬滅率隨著硝化甘油濃度的增大而增加，因此可實現(xiàn)對其進行半定量的檢測，最低檢出限達0.8 mg/mL。對紙張、織物、泥土等不同載體上的爆炸和射擊殘留物檢材過篩，除去部分雜物后，用丙酮浸泡、過濾后進行分析，通過圖8可以看到不同載體檢材上硝化甘油殘留物的半定量分析結(jié)果。

作為對比，相同條件下在普通玻璃基底上檢測1.6、3.2、4.8、6.4 mg/mL的硝化甘油時，它們的熒光強度相較光子晶體基底上的不僅低了很多，而且不同濃度間的光譜幾乎重疊，無法區(qū)分不同濃度下熒光光譜的差異性，結(jié)果如圖9所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，空心球光子晶體基底的熒光增強效果在檢測中起到了非常關(guān)鍵的作用。

圖7 基于空心球光子晶體檢測不同濃度硝化甘油的熒光光譜圖Fig. 7 Fluorescence spectra of concentration-different nitroglycerins based on SiO2 hollow-sphere photonic crystals

圖8 基于空心球光子晶體檢測不同載體上硝化甘油殘留物的熒光光譜圖Fig. 8 Fluorescence spectra of carrier-different nitroglycerin based on SiO2 hollow-sphere photonic crystals

圖9 基于普通玻璃檢測不同濃度硝化甘油的熒光光譜圖Fig. 9 Fluorescence spectra of concentration-different nitroglycerins placed on common glass

2.6 傳感器的體系抗干擾性

由于現(xiàn)場獲得的爆炸物溶液成分復(fù)雜，含有的雜質(zhì)比較多，抗干擾能力也是評價檢測體系的一個關(guān)鍵指標。在本實驗中，通過添加其他常見的干擾物（如苯酚、甲苯、甘油、環(huán)己烷、苯腈等幾種類似于爆炸物的雜質(zhì)）進行熒光淬滅檢測，發(fā)現(xiàn)這些分子均未能造成熒光淬滅，說明該傳感器有著比較好的抗干擾能力，在真實體系中有著較高的潛在應(yīng)用價值，如圖10所示。

圖10 探針溶液加入不同雜質(zhì)后的熒光光譜圖Fig. 10 Fluorescence spectra of probe solution added with different impurities

3 結(jié)論

本文基于空心球光子晶體在液相中對熒光信號的增強作用，實現(xiàn)了對有機炸藥硝化甘油的半定量檢測。以合適光子帶隙的空心球光子晶體為基底，通過其帶邊效應(yīng)和慢光子效應(yīng)，放大所用熒光探針的信號，使檢測時信號的淬滅效果更加明顯，且不同濃度的硝化甘油淬滅程度不同，從而通過熒光強度的顯著變化實現(xiàn)更為靈敏的定量或半定量檢測。同時，該方法具有很好的普適性，在同樣檢測條件下能夠進一步提高熒光探針的靈敏度，可在熒光痕量檢測領(lǐng)域廣泛使用。在這類檢測體系中，傳感器的選擇性和準確性更多地依賴于熒光探針，因此要實現(xiàn)對不同爆炸物的區(qū)別檢測，可以通過篩選特異性的熒光探針或者通過傳感陣列交互響應(yīng)等策略來實現(xiàn)。