基于卟啉-聯(lián)吡啶的銅離子熒光化學(xué)傳感器及其應(yīng)用研究

林偉琦

（廈門市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗院，福建廈門361004）

0 引言

銅是人體不可缺少的微量元素，存在于所有器官和組織中，通常與蛋白質(zhì)或其它有機物結(jié)合，在許多生理過程起著重要的作用，如血紅素的合成、結(jié)締組織的生長、氧化磷酸化作用等[1～2]。然而，當其濃度過大時，也會引起膽汁排泄銅的功能紊亂，慢性活動性肝炎，帕金森綜合癥，腎小管中毒等。因此，探索銅離子的新分析方法特別是痕量分析方法已引起現(xiàn)代分析化學(xué)工作者愈來愈多的注意。

近年來，利用光纖技術(shù)來構(gòu)建Cu2+的光化學(xué)傳感器已經(jīng)引起了人們越來越廣泛的關(guān)注[3～6]，與傳統(tǒng)的Cu2+檢測方法相比，光化學(xué)傳感器具有尺寸小、成本低、不需要基準物質(zhì)、且信號輸出不受電磁場影響等諸多優(yōu)點。大多數(shù)光纖傳感器信號輸出都是基于固定于不同基質(zhì)中的敏感物質(zhì)的吸收或反射信號，盡管熒光信號在靈敏度上優(yōu)于吸收和反射信號，但是基于熒光測量的Cu2+的光纖傳感器的報道還很少[7～8]。熒光傳感器的敏感物質(zhì)通常包括兩個部分：熒光基團(控制信號輸出)和離子識別基團(選擇性的識別金屬離子)，兩部分通過化學(xué)鍵連接起來。由于這兩部分之間的光致電子或能量轉(zhuǎn)移[9～10]，當識別基團與某種離子選擇性絡(luò)合，絡(luò)合作用將誘導(dǎo)熒光基團的熒光性質(zhì)發(fā)生變化。

尋找對Cu2+具有高選擇性響應(yīng)的熒光傳感器對分析工作者仍是一個非?；钴S的研究領(lǐng)域[11～13]。卟啉是一類在自然界普遍存在的大環(huán)類化合物，在生命體的新陳代謝過程中起著非常重要的作用。同時卟啉具有非常好的光化學(xué)特性，大的Stokes位移，相對長的激發(fā)(＞400 nm)和發(fā)射(＞600 nm)波長，能將背景熒光的影響降到最小。這些優(yōu)點使得卟啉成為設(shè)計新的熒光分子傳感器的潛在熒光基團。該文選擇了卟啉枝接聯(lián)吡啶的化合物(H2Pbpy)作為Cu2+的光纖傳感器的敏感物質(zhì)。其中卟啉作為熒光基團，聯(lián)吡啶作為識別基團。聯(lián)吡啶與Cu2+絡(luò)合以后，卟啉激發(fā)態(tài)電子可以通過聯(lián)吡啶轉(zhuǎn)移給Cu2+，從而猝滅卟啉的熒光，這為Cu2+熒光傳感器的構(gòu)建提供了理論基礎(chǔ)。 實驗結(jié)果表明， 在 pH(6.0～8.0)，Cu2+濃度在2.0×10-8～1.0×10-5mol/L 之間，熒光強度變化的對數(shù)與離子濃度的對數(shù)呈線性關(guān)系。利用該方法對碳酸飲料中的Cu2+進行測定。

1 實驗

1.1 試劑

聚氯乙烯(PVC)、癸二酸二辛酯(DOS)、CuCl2購自上海化學(xué)試劑公司。四氫呋喃(THF)以二苯甲酮為指示劑，在氬氣保護加鈉蒸餾除水得到。若沒有特別指出，其它試劑均為分析純且無須進一步純化。實驗用水均為二次蒸餾水。系列的 Cu2+標準溶液由1.0×10-2mol/L 的 Cu2+溶液經(jīng) NaOAc-HOAc(pH為 6.22)緩沖溶液逐步稀釋得到。按照文獻方法合成H2Pbpy(結(jié)構(gòu)見圖1)。

圖1 H2Pbpy和H2P的結(jié)構(gòu)式Fig.1 Structures of porphyrin derivatives and meso-tetraphenylporphyrin

1.2 儀器

所有熒光測量均在F4600熒光光譜儀(HITACHI)完成，激發(fā)和發(fā)射狹縫分別為5.0 nm和10.0 nm。紫外吸收光譜在UV-2450(SHIMADZU)完成。使用一個自制的聚四氟乙烯的流通池和一雙臂光纖(30+30石英光纖，直徑6 mm，長1 m)[14]用于Cu2+測量。激發(fā)光通過光纖的一臂進入流通池，而發(fā)射光從另一臂進入檢測器。將涂有敏感膜的石英玻璃片(直徑10 mm)放入一個帶固定螺絲的流通池，并保持敏感膜與溶液接觸。樣品由蠕動泵(浙江國康儀器公司)輸入流通池。溶液pH值用Mettler-Toledo Delta 320 pH計測量。

1.3 光極膜的制備

將 1.5 mg H2Pbpy，50 mg PVC 和 100 mg 增塑劑溶于2 mL新蒸餾的THF中制成光極膜溶液。為提高膜的粘附，對石英玻璃片(直徑10 mm，厚1 mm)進行了活化，先用濃HNO3浸泡12 h，然后用3%的HF和10%的H2O2浸泡30 min，后用蒸餾水和乙醇洗凈晾干。滴加0.1 mL光極膜溶液于旋轉(zhuǎn)的玻璃片上(600 r/min)，使之形成敏感光極膜。放置過夜蒸發(fā)除去THF，形成了一層很薄的聚合物敏感膜附著在玻璃片上。

1.4 測量過程

將光纖接到光譜儀的檢測池上，使其傳輸激發(fā)光和發(fā)射光。測量時激發(fā)光波長固定在423 nm。樣品溶液以0.8 mL/min的速度輸入流通池的檢測室。每次測量后，依次用0.3 mol/L的EDTA溶液(pH9)和緩沖溶液(0.1 mol/L NaOAc-HOAc，pH6.22)洗檢測池，直至光極膜的熒光強度回到初始時。

1.5 吸收光譜的測定

為了研究響應(yīng)機理，將 1.0×10-5mol/L H2Pbpy的乙醇溶液和等摩爾量的Cu2+的水溶液(pH6.22)在室溫下混合。記錄混合溶液的吸收光譜，并與H2P的乙醇溶液(1.0×10-5mol/L)與空白緩沖溶液(pH6.22)混合溶液的吸收光譜進行比較。

2 結(jié)果與討論

2.1 敏感膜的熒光光譜

敏感膜在423 nm波長處激發(fā)，Cu2+的濃度變化引起敏感膜熒光光譜的變化見圖2。熒光光譜記錄λex為423 nm，在600～725 nm范圍內(nèi)熒光強度的變化。從圖2可以看出敏感膜熒光發(fā)射波長在643 nm，隨著Cu2+濃度的增加，敏感膜熒光強度逐漸下降，基于此設(shè)計出了Cu2+光纖傳感器。

圖2 不同Cu2+(mol/L)濃度下H2Pbpy敏感膜的熒光光譜(1)0;(2)1.0×10-8;(3)2.0×10-8;(4)3.2×10-8;(5)6.4×10-8;(6)1.0×10-7;(7)2.0×10-7;(8)3.2×10-7;(9)6.4×10-7;(10)1.0×10-6;(11)2.0×10-6;(12)3.2×10-6;(13)6.4×10-6;(14)1.0×10-5;(15)2.0×10-5;(16)3.2×10-5;(17)1.0×10-4(敏感膜組成:1%H2Pbpy,66%DOS and 33%PVC)Fig.2 Fluorescence emission spectra of the H2Pbpy sensing membrane in equilibrium with different concentrations of Cu2+

2.2 膜響應(yīng)機理

Cu2+是一種順磁性物質(zhì)，能跟熒光物質(zhì)作用發(fā)生光致能量轉(zhuǎn)移或者是光致電子轉(zhuǎn)移，猝滅熒光物質(zhì)的熒光[15]。聯(lián)吡啶絡(luò)合Cu2+使卟啉發(fā)生光致電子轉(zhuǎn)移而猝滅卟啉的熒光。為了研究光極膜響應(yīng)機理，記錄了H2Pbpy和H2P加入等摩爾Cu2+的吸收光譜變化(圖3)。與四苯基卟啉的吸收光譜比較，H2Pbpy的Soret吸收由四苯基卟啉的409 nm紅移至413 nm，這可能是由于聯(lián)吡啶基團與卟啉基團之間有一定的作用造成的。加入等摩爾的Cu2+后，H2Pbpy的Soret吸收峰由413 nm藍移至410 nm。吸收峰位移值的大小表明了熒光團和被螯合的Cu2+之間相互作用的強弱[14]，位移值越大，作用越強。H2Pbpy的Soret吸收峰位移了3 nm，這是由于卟啉基團比較靠近識別基團。而H2P加入等摩爾Cu2+后，其吸收光譜幾乎沒有變化。說明卟啉沒有跟Cu2+發(fā)生作用，這一點也可以由表1看出，H2P對Cu2+沒有響應(yīng)。因此，在當前實驗條件下，卟啉基團只是作為報告基團，作為識別基團的是聯(lián)吡啶部位。

圖3 加入等摩爾的 Cu2+，H2Pbpy(10 μmol/L)和 H2P(10 μmol/L)的吸收光譜變化(1)H2Pbpy吸收光譜;(2)加入等摩爾的Cu2+后H2P的吸收光譜;(3)H2P吸收光譜;(4)加入等摩爾的Cu2+后H2Pbpy的吸收光譜Fig.3 Changes in the UV-Vis spectra of H2Pbpy(10 μmol/L)and H2P(10 μmol/L)upon the addition of equivalent molar Cu2+

2.3 膜的優(yōu)化

使用不同的敏感材料H2Pbpy和H2P與增塑劑DOS制成兩種不同傳感器，并考察這兩種傳感器性能，結(jié)果見表1。

表1 不同敏感膜對Cu2+的響應(yīng)Tab.1 The effect of sensing materials on the response behavior of optodes

由表1可以看出，H2Pbpy為敏感材料的光極對Cu2+都有比較好的響應(yīng)特性，而H2P的光極對Cu2+沒什么響應(yīng)。這是因為卟啉必須改變構(gòu)像才能與Cu2+絡(luò)合[16]，速度很慢，而聯(lián)吡啶是一個很好的Cu2+絡(luò)合劑，速度非?？?。因此，當PVC基質(zhì)中只有卟啉存在時，不會對Cu2+產(chǎn)生響應(yīng)。

考察了基質(zhì)中敏感物質(zhì)含量對傳感器性能的影響。結(jié)果顯示在表2中，發(fā)現(xiàn)其測量范圍變化比較小，但是響應(yīng)時間卻是隨著敏感材料濃度的降低而拉長，這可能是由于膜相中的敏感物質(zhì)濃度過低，Cu2+需要花更多的時間才能接觸到識別部位。膜層的敏感物質(zhì)濃度太高將會引起熒光物質(zhì)發(fā)生自猝滅現(xiàn)象，使得測量范圍變差。結(jié)果表明含 1%H2Pbpy，66%DOS和 33%PVC的光極膜(光極5)對Cu2+有很好的響應(yīng)。

表2 不同H2Pbpy含量的敏感膜對Cu2+的響應(yīng)Tab.2 The effect of amount of H2Pbpy on the response behavior of optode

2.4 pH影響

固定 Cu2+濃度在 1.0×10-5mol/L，用 0.1 mol/L的HCl或NaOH溶液調(diào)節(jié)NaOAc-HOAc緩沖溶液到不同的pH下，測得H2Pbpy(λex=423 nm，λem=643 nm)的熒光強度并對pH作圖(圖4)。pH在6.0～8.0 范圍內(nèi)時，熒光猝滅效果最好，pH ＞ 8 和pH＜5.5時，猝滅效果都有些減弱。pH＜5.5的酸性環(huán)境中，Cu2+不能完全與聯(lián)吡啶絡(luò)合。在pH為6.0～8.0 時，Cu2+很容易與聯(lián)吡啶絡(luò)合， 所以熒光猝滅作用最強。而當pH＞8時，熒光猝滅效率減弱是因為Cu2+發(fā)生部分水解，聯(lián)吡啶只能與未水解的Cu2+絡(luò)合。因此，選擇pH為6.22的NaOAc-HOAc(0.1 mol/L)緩沖溶液作為實驗介質(zhì)。

圖4 不同pH下對Cu2+的響應(yīng)(Cu2+濃度固定在1.0×10-5mol/L)Fig.4 Effect of pH on the determination of Cu2+with proposed optode(the concentration of Cu2+was fixed at 1.0×10-5mol/L)

2.5 光極膜的響應(yīng)特性

依據(jù)修正的 Stern-Volmer方程[14]，Cu2+濃度在 2.0×10-8～1.0×10-5mol/L 范圍內(nèi)時，log(ΔF/F)和log[Cu2+]呈良好的線性關(guān)系，方程為log(ΔF/F)=3.499+0.595 log[Cu2+]， 相關(guān)系數(shù)為 0.998 04(n=12)。最低檢測濃度5×10-9mol/l由空白值的標準差的三倍計算得到。Cu2+與H2Pbpy結(jié)合條件穩(wěn)定常數(shù)為8.55×105由實驗的熒光數(shù)據(jù)通過Stern-Volmer方程計算得到。Cu2+濃度低于 5.0×10-6mol/L時，傳感器響應(yīng)時間小于5 min。 光極膜的穩(wěn)定性是通過連續(xù)測量 Cu2+濃度為5.0×10-6mol/L，10 h內(nèi)記錄24次而得到。熒光強度變化相對標準偏差為2.1%。每次測量后依次使用0.3 mol/L的EDTA(pH=9.00)和緩沖溶液沖洗檢測池使光極膜熒光強度恢復(fù)到初始時。光極膜浸泡在二次蒸餾水中貯藏一個月，熒光強度沒有明顯的變化，這表明H2Pbpy在PVC膜中是非常穩(wěn)定的。

2.6 選擇性

繼續(xù)考察了實驗室常見的金屬離子對Cu2+測定的干擾。 固定 Cu2+濃度在 5.0×10-6mol/L，加入干擾離子，記錄加入前后熒光強度的變化。其結(jié)果見表3。大多堿金屬和堿土金屬離子濃度在小于1.0×10-2mol/L時對Cu2+測量沒有明顯的干擾。一些過渡金屬離子濃度小于1.0×10-3mol/L時不會對Cu2+的測量產(chǎn)生干擾，只有Fe3+和Hg2+在濃度大于1.0×10-5mol/L時有輕微的干擾。

表3 其它離子對Cu2+測量的干擾Tab.3 Interference of different species with the fluorescence determination of Cu2+with the optode

2.7 碳酸飲料中微量銅的測定

取1 mL碳酸飲料到100 mL容量瓶中，用0.1 mol/L 的 NaOAc-HOAc(pH6.22)緩 沖溶液 準確定容到100 mL。結(jié)果與用原子吸收光譜法所測數(shù)據(jù)作比較，相對誤差在5%內(nèi)。實驗結(jié)果(表4)表明該光纖傳感器能夠用于實際中測Cu2+。

表4 測定碳酸飲料中Cu2+Tab.4 Determination of Cu2+of carbonated beverage

3 結(jié)論

通過將卟啉衍生物(H2Pbpy)固定在PVC基質(zhì)中制成Cu2+光纖傳感器，該傳感器在其它離子共存下對Cu2+有很高的選擇性、且響應(yīng)時間快，只有 Fe3+和 Hg2+在濃度大于1.0×10-5mol/L 時有輕微的干擾。傳感器在pH為6.22，Cu2+濃度在2.0×10-8～1.0×10-5mol/l時相對熒光強度的對數(shù)與Cu2+濃度的對數(shù)有線性關(guān)系，檢測限為5×10-9mol/L。當[Cu2+]＜5×10-6mol/L時，響應(yīng)時間小于5 min。用0.3 mol/L的EDTA和緩沖溶液連續(xù)清洗光極膜使之再生。通過測定碳酸飲料中Cu2+證明該方法具有應(yīng)用的價值。

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