馬來腈修飾的鋇離子熒光傳感器

(德州學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，山東 德州 253023)

隨著社會發(fā)展，金屬離子污染問題已引起全球的共同關(guān)注，亦是我國經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展所面臨的問題之一。例如鉛、鎘、汞等金屬在工業(yè)生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用，當(dāng)以陽離子形式隨工業(yè)廢水排放到自然界后，對整個水系污染嚴(yán)重，給生態(tài)系統(tǒng)和人類生存環(huán)境造成巨大危害。與有機(jī)污染物不同，金屬離子不能被降解，一旦被排放到環(huán)境中就很難自消除，且在食物鏈的生物放大作用下，可成千倍地富集，最后進(jìn)入人體導(dǎo)致重金屬中毒，對身體造成嚴(yán)重傷害。因此，工業(yè)廢水金屬離子的去除非常必要，發(fā)展高效、便捷的水中金屬離子檢測方法對化學(xué)化工、環(huán)境科學(xué)及生命科學(xué)等具有重要意義。

在諸多檢測方法中，熒光檢測已成為研究的熱點之一[1-2]。與其他分析測試技術(shù)相比，熒光分子探針具有選擇性好、成本低、易操作等優(yōu)點，且通常以獨立的分子狀態(tài)分散于被檢測體系中并發(fā)出檢測信號，在單分子水平上實現(xiàn)了原位、實時檢測，分析結(jié)果靈敏、精確[3-5]?；诓煌臋z測需求，人們已制備了數(shù)目眾多、功能各異的熒光分子探針[6-8]。但目前已報道的Ba2+熒光分子探針較少[9-10]，開發(fā)靈敏、易于制備的檢測Ba2+的熒光分子探針是當(dāng)前各監(jiān)測領(lǐng)域的迫切需求。

在熒光分子探針構(gòu)筑過程中，離子受體設(shè)計一般選擇含較強(qiáng)配位能力的N、O、S等原子的基團(tuán)作為金屬離子結(jié)合位點，通過特定連接方式使其與信號基團(tuán)橋連，得到靈敏檢測金屬離子性能的熒光分子探針[11-13]。易于合成的亞胺(—C=N—)基團(tuán)具有較強(qiáng)的金屬配位能力，與熒光基團(tuán)連接后的p-π共軛作用可增加熒光分子的共軛性；當(dāng)—C=N—基團(tuán)中氮原子與金屬離子配位后，可導(dǎo)致熒光分子共軛度變化，從而表現(xiàn)出靈敏的光譜信號變化[14-15]。鑒于此，結(jié)合二氨基馬來腈對金屬離子較強(qiáng)的絡(luò)合性能[16-17]，本實驗用二氨基馬來腈和對氰基苯甲醛合成氰基苯-馬來腈希夫堿化合物，并探討其對金屬離子的熒光檢測性能，特別是對Ba2+的熒光“關(guān)-開”檢測性能。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

所用試劑均為市售分析純或化學(xué)純，未經(jīng)過進(jìn)一步提純；實驗所用各種金屬鹽由上海國藥試劑公司提供；核磁共振氫譜(hydrogen nuclear magnetic resonance，HNMR)用Bruker DPX 400 MHz 核磁譜儀測試；元素分析用Elementar Vavio El Ш分析儀測試；紅外光譜(infrared spectroscopy，IR)用傅立葉變換紅外光譜儀測試；紫外吸收光譜用U-4100光譜儀完成；穩(wěn)態(tài)熒光在日立F-4500熒光光度計上操作。試樣在1.00 cm 石英熒光杯中測量，所有實驗均在25 ℃下操作。

1.2 對氰基苯-馬來腈希夫堿熒光分子探針的制備

圖1 對氰基苯-馬來腈希夫堿分子合成示意圖Fig. 1 Synthesis of p-cyanobenzaldehyde-diaminomaleonitrile-based Schiff compound

1.3 光譜實驗溶液配制

稱取0.2 mmol的對氰基苯-馬來腈希夫堿，將其移入10 mL容量瓶后用5%水-乙腈混合溶劑定容配制成濃度為2×10-3M的母液；準(zhǔn)確稱取一定量的Zn(NO3)2·6H2O、CdCl2·5/2H2O、MnCl2·4H2O、CuCl2·2H2O、NiCl2·6H2O、Pb(NO)2、CoCl2·6H2O、FeCl3·7H2O、CaCl2、BaCl2、NaCl、Mg(SO4)2、AlCl3、KCl等金屬鹽溶于5%水-乙腈混合溶劑中，配成2×10-3M的金屬鹽母液。根據(jù)紫外吸收光譜，確定氰基苯-馬來腈希夫堿最適測試濃度為40 μM；量取0.2 mL 2×10-3M馬來腈希夫堿熒光分子的母液并置于10 mL容量瓶中，根據(jù)不同比例量取一定量的金屬鹽溶液分別放入上述容量瓶中，用5%水-乙腈混合溶劑稀釋至10 mL。20 min后測定所配溶液的紫外吸收及熒光發(fā)射光譜，研究對氰基苯-馬來腈希夫堿對所測金屬離子的光譜學(xué)響應(yīng)。

2 結(jié)果與討論

2.1 金屬離子選擇性

為了研究對氰基苯-馬來腈希夫堿化合物對金屬離子的選擇識別特性，以Li+、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Ba2+、Co2+、Pb2+、Mn2+、Ni2+、Cd2+、Cu2+、Zn2+、Al3+、Fe3+等金屬離子作為研究對象，分別測試了該化合物在濃度為40 μM的5%水-乙腈混合溶劑中與10倍當(dāng)量的不同金屬離子混合后的熒光發(fā)射光譜性質(zhì)。如圖2所示，對氰基苯-馬來腈希夫堿化合物在435 nm位置有一弱熒光發(fā)射峰；加入10倍當(dāng)量的Ba2+后，其在435 nm的熒光發(fā)射明顯增加、發(fā)射強(qiáng)度增加到1.92倍，同時伴隨著19 nm紅移到454 nm；其他金屬離子如Li+、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Co2+、Pb2+、Mn2+、Ni2+、Cd2+、Cu2+、Zn2+、Al3+、Fe3+等加入后，該化合物在435 nm處最大熒光發(fā)射基本沒有變化。上述數(shù)據(jù)表明對氰基苯-馬來腈希夫堿化合物對Ba2+離子具有明顯的熒光增強(qiáng)響應(yīng)，具有熒光“關(guān)-開”型識別Ba2+的潛能。

圖2 對氰基苯-馬來腈與不同金屬離子作用后的熒光發(fā)射光譜Fig. 2 Fluorescence emission of p-cyanobenzaldehyde-diaminomaleonitrile-based compound after adding different metal ions

2.2 光譜滴定實驗

鑒于對氰基苯-馬來腈化合物對Ba2+的明顯光譜學(xué)響應(yīng)，在該化合物濃度為40 μM的5%水-乙腈混合溶劑中分別加入不同濃度的Ba2+，測試熒光發(fā)射光譜性質(zhì)。如圖3(a)所示：隨著溶液中加入Ba2+的量從0增加到10倍當(dāng)量時(濃度從40增加到400 μM)，對氰基苯-馬來腈在435 nm處最大熒光發(fā)射強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，并慢慢紅移到454 nm；繼續(xù)增加Ba2+濃度至20倍當(dāng)量，其熒光發(fā)射光譜基本不變。根據(jù)Benesi-Hildebrand方程，加入的Ba2+在40～400 μM范圍內(nèi)，1/(F-Fmin)和1/[Ba2+]之間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系(y=0.000 352 595+0.077 31x，R2=0.999 35)，F(xiàn)和Fmin分別為不同Ba2+濃度和未加Ba2+時的熒光強(qiáng)度，y=1/(F-Fmin),x=1/[Ba2+]。表明對氰基苯-馬來腈與Ba2+之間可能為1∶1絡(luò)合關(guān)系，如圖3(b)。此外，還進(jìn)行了對氰基苯-馬來腈和Ba2+之間的熒光Job′s plot實驗，橫坐標(biāo)[Ba2+]/([Ba2+]+[對氰基苯-馬來腈化合物])為混合體系Ba2+的摩爾分?jǐn)?shù)，縱坐標(biāo)為對氰基苯-馬來腈在454 nm處熒光發(fā)射強(qiáng)度，如圖3(c)。由該圖可清楚看到，在Ba2+摩爾分?jǐn)?shù)為0.5處熒光最強(qiáng)，再次證實了對氰基苯-馬來腈與Ba2+之間1∶1的絡(luò)合關(guān)系，顯示了二者之間可能的絡(luò)合方式，如圖3(d)[18]。對氰基苯-馬來腈分子中氨基、亞胺基團(tuán)較強(qiáng)的金屬絡(luò)合能力，結(jié)合Ba2+獨特的電子結(jié)構(gòu)特征，二者之間形成較穩(wěn)定的配合物，抑制了對氰基苯-馬來腈分子內(nèi)轉(zhuǎn)動等，導(dǎo)致其熒光發(fā)射增強(qiáng)?；谏鲜鰺晒獾味▽嶒炛袑η杌?馬來腈與Ba2+線性關(guān)系，根據(jù)公式D=3б/k(б是空白溶液標(biāo)準(zhǔn)偏差，樣本數(shù)n=3；k是探針熒光發(fā)射強(qiáng)度與Ba2+濃度關(guān)系曲線的斜率)，得出該探針化合物對Ba2+的檢測底限為4.2 μM[19-20]，顯示對氰基苯-馬來腈對Ba2+具有靈敏的檢測潛能。

2.3 金屬離子競爭實驗

為了排除其他金屬離子的干擾，在5%水-乙腈混合溶劑中，濃度為40 μM的對氰基苯-馬來腈中同時加入10倍當(dāng)量的Ba2+和其他不同金屬離子，測試其熒光發(fā)射及紫外吸收光譜。如圖4所示，馬來腈希夫堿熒光分子中加入10倍當(dāng)量的Ba2+后，其在454 nm位置有一強(qiáng)的熒光發(fā)射；當(dāng)把Li+、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Co2+、Pb2+、Mn2+、Ni2+、Cd2+、Cu2+、Zn2+、Fe3+、Al3+等金屬離子加入對氰基苯-馬來腈-Ba2+混合體系后，其熒光發(fā)射光譜幾乎沒有變化，且混合體系的紫外吸收光譜也幾乎沒有變化，表明即使Ba2+與其他金屬離子共存時，對氰基苯-馬來腈仍對Ba2+表現(xiàn)出良好的選擇檢測性能。

圖4 對氰基苯-馬來腈中Ba2+與其他金屬離子共存時的光譜Fig. 4 Optical properties of p-cyanobenzaldehyde-diaminomaleonitrile-based compound under the coexistence of Ba2+ with other metal ions

2.4 抗酸性光譜學(xué)研究

鑒于對氰基苯-馬來腈化合物中含有對質(zhì)子敏感的亞胺氮原子，研究了該化合物在濃度為40 μM的5%水-乙腈混合溶劑中分別加入不同當(dāng)量比例HCl時的光譜學(xué)性質(zhì)。如圖5(a)所示，隨著加入HCl濃度增加，從0增到10，甚至500倍當(dāng)量(pH=7～4.8)時，對氰基苯-馬來腈化合物熒光發(fā)射光譜沒有明顯變化。之后，對氰基苯-馬來腈化合物中加入10倍HCl和Ba2+時的熒光發(fā)射光譜，如圖5(b)所示，對氰基苯-馬來腈化合物中加入10倍當(dāng)量的HCl時，其熒光發(fā)射光譜基本沒有變化；但對氰基苯-馬來腈-HCl-Ba2+(三者當(dāng)量比1∶10∶10))混合體系熒光增強(qiáng)且紅移，與對氰基苯-馬來腈-Ba2+混合體系熒光光譜類似，表明該化合物具有識別酸性環(huán)境(pH=4.8～7)下Ba2+的潛能。

圖5 對氰基苯-馬來腈在不同濃度HCl及HCl與Ba2+共存時的熒光發(fā)射光譜Fig. 5 Fluorescence changes of p-cyanobenzaldehyde-diaminomaleonitrile-based compound along with the increasing HCl or HCl-Ba2+ coexistence

3 實際水樣檢測

為了進(jìn)一步探索對氰基苯-馬來腈化合物在實際水樣中對Ba2+的應(yīng)用潛力，采集了德城區(qū)域徒駭河和自來水2種實際水樣，通過膜預(yù)處理除去懸浮物，并通過原子吸收光譜法確定所取水樣中沒有Ba2+，然后在實際水樣中加入不同量的Ba2 +，計算其回收率。結(jié)果如表1所示，對氰基苯-馬來腈化合物對Ba2+的回收率為99%～102%，表明對氰基苯-馬來腈化合物對實際水樣中Ba2+的分析檢測具有較高的準(zhǔn)確度及廣泛的應(yīng)用前景[21]。

表1 對氰基苯-馬來腈對河水或自來水中鋇離子實際檢測性能Tab. 1 Detection of p-cyanobenzaldehyde-diaminomaleonitrile-based compound for Ba2+ from river/tap water samples

4 結(jié)論

研究了對氰基苯-馬來腈希夫堿熒光分子對不同金屬離子的光譜學(xué)識別性能。通過詳細(xì)的光譜學(xué)性質(zhì)研究得知：對氰基苯-馬來腈希夫堿中加入Li+、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Co2+、Pb2+、Mn2+、Ni2+、Cd2+、Cu2+、Zn2+、Al3+、Fe3+等金屬離子時，其熒光發(fā)射光譜學(xué)性質(zhì)基本不變；Ba2+存在時，該化合物熒光發(fā)射強(qiáng)度增加了1.92倍，同時發(fā)生了19 nm紅移，表現(xiàn)出對Ba2+良好的識別響應(yīng)，檢測底限為4.2 μM；且Ba2+在金屬離子競爭及抗酸實驗中具有出良好的競爭性。這些性質(zhì)賦予對氰基苯-馬來腈希夫堿靈敏檢測中性及酸性環(huán)境中Ba2+的潛能。實際樣品中的應(yīng)用表明，對氰基苯-馬來腈希夫堿可有效地用于實際水樣中Ba2+的檢測。