基于八羧基酞菁鋁近紅外熒光檢測(cè)銅(Ⅱ)離子

劉 峰,夏新泉,陳 靈,張海麗

(湖北師范學(xué)院 化學(xué)與工程學(xué)院, 湖北 黃石 435002)

銅是動(dòng)植物體內(nèi)一種必需的微量重金屬元素，參與體內(nèi)20多種重要酶的構(gòu)成，如細(xì)胞色素氧化酶，過(guò)氧化物歧化酶，酪氨酸酶等，這些酶大多與人體的氧化還原反應(yīng)有關(guān)[1]。研究表明，體內(nèi)銅含量過(guò)低會(huì)導(dǎo)致貧血，但過(guò)量的銅也會(huì)導(dǎo)致機(jī)體功能紊亂產(chǎn)生許多疾病，如：老年癡呆癥[2]，威爾森氏癥[3]，門(mén)克氏綜合癥[4]及肌萎縮性側(cè)索硬化癥[5]等, 同時(shí)過(guò)量的銅對(duì)水生生物的毒性較強(qiáng)。所以，檢測(cè)生物體和環(huán)境水樣中的銅離子有著重要的意義。

目前檢測(cè)銅離子的方法有原子吸收光譜法[6]，電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜[7]，電感耦合等離子體質(zhì)譜[8]， 循環(huán)伏安法[9]和熒光分析法等。與其他方法相比熒光分析法因?yàn)殪`敏度較高，不需要復(fù)雜的樣品處理，儀器操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。

檢測(cè)銅離子的熒光染料發(fā)射波長(zhǎng)大多在紫外區(qū)，在測(cè)定樣品尤其是生物樣品時(shí)存在較大的背景干擾。酞菁是一類(lèi)具有18電子的大π共軛體系配合物，在結(jié)構(gòu)上類(lèi)似與卟啉類(lèi)化合物。酞菁和金屬酞菁對(duì)光、熱及各種有機(jī)溶劑的高度穩(wěn)定性[10]，使得其在催化、有機(jī)半導(dǎo)體、光導(dǎo)體、彩色照相、激光、液晶、LB膜、光動(dòng)力治療[11]等方面有著廣泛的應(yīng)用。水溶性金屬酞菁具有高的摩爾吸光系數(shù)，良好的量子產(chǎn)率[12]，并且熒光發(fā)射在近紅外區(qū)，因而大大減小了背景熒光的干擾，已應(yīng)用在金屬離子的檢測(cè)[13]和空氣中酸類(lèi)物質(zhì)的檢測(cè)[14]。本文目的是利用Cu2+能使八羧基酞菁鋁(octa-carboxylic pthalocyanine aluminum, AlC8Pc)的熒光猝滅，且在一定濃度范圍內(nèi)其熒光強(qiáng)度的變化與Cu2+濃度成良好的線性關(guān)系,建立一種靈敏的檢測(cè)Cu2+的新方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

F-4500熒光分光光度計(jì)(日本日立公司)，Model pHs-3C酸度計(jì)(中國(guó) 上海)。八羧基酞菁鋁(AlC8Pc) 的合成參照文獻(xiàn)[15]進(jìn)行，其紅外光譜，紫外光譜，熒光光譜與文獻(xiàn)報(bào)道相符[16]。CuCl2·2H2O(分析純)，其他試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為二次蒸餾水。AlC8Pc以0.2 mol·L-1NaOH溶液配成1.0×10-3mol·L-1儲(chǔ)備液，使用時(shí)用二次水稀釋至所需濃度。Cu2+配成5.0×10-3mol·L-1儲(chǔ)備液。Britton-Robison緩沖溶液：(0.04 mol·L-1磷酸、硼酸、醋酸)用0.2 mol·L-1NaOH進(jìn)行調(diào)節(jié)，配成不同pH的緩沖溶液。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

在10 mL 比色管中依次加入一定量的B-R 緩沖溶液、八羧基酞菁鋁(1.0×10-3mol·L-1)、Cu2+(5.0×10-3mol·L-1)，用水稀釋至刻度，混合均勻。熒光激發(fā)波長(zhǎng)為620 nm，發(fā)射波長(zhǎng)為698 nm，室溫下測(cè)定空白和含有Cu2+溶液的熒光強(qiáng)度F0和F.

2 結(jié)果與討論

2.1 AlC8Pc熒光光譜特性

圖1 是AlC8Pc的熒光發(fā)射光譜，可以看到八羧基酞菁鋁的發(fā)射光譜位于近紅外區(qū)，當(dāng)加入Cu2+時(shí)，八羧基酞菁鋁熒光猝滅，但峰位置不發(fā)生變化,在一定濃度范圍內(nèi)，Cu2+的含量與八羧基酞菁鋁熒光強(qiáng)度變化成線性關(guān)系。

2.2 AlC8Pc紫外可見(jiàn)-吸收光譜特性

圖2 是AlC8Pc的紫外-可見(jiàn)吸收光譜，由圖可以看到AlC8Pc有兩個(gè)吸收峰，分別在356 nm(B帶)，692 nm(Q帶)并且在620 nm附近有酞菁二聚體的特征峰。加入Cu2+時(shí)，位于近紅外區(qū)的Q帶逐漸減降低，但峰的位置并沒(méi)有移動(dòng)，同時(shí)620 nm 處的特征峰消失，說(shuō)明銅離子與八羧基酞菁鋁發(fā)生了強(qiáng)烈的作用。綜合銅離子與AlC8Pc作用的熒光光譜及紫外-可見(jiàn)吸收光譜性質(zhì)，可以推斷銅離子與AlC8Pc作用的熒光猝滅機(jī)理為靜態(tài)猝滅[17]。

圖1 八羧酞菁鋁在不同濃度Cu2+下熒光發(fā)射光譜圖 圖2 八羧酞菁鋁在不同濃度Cu2+下吸收光譜

2.3 pH值的影響

圖3是在Cu2+存在下，AlC8Pc熒光強(qiáng)度變化隨pH變化曲線。可以看出，當(dāng)溶液pH=4.5時(shí)，八羧基酞菁鋁熒光猝滅程度最大，實(shí)驗(yàn)表明以B-R緩沖溶液調(diào)節(jié)溶液pH效果最好，故實(shí)驗(yàn)選擇在pH為4.5的B-R緩沖溶液中測(cè)定。

2.4 AlC8Pc濃度的影響

圖4是八羧基酞菁鋁濃度對(duì)熒光強(qiáng)度變化的影響，固定Cu2+濃度為1.0×10-5mol·L-1，溶液的pH為4.5，研究了八羧基酞菁鋁濃度在3.0×10-6mol·L-1～1.0×10-5mol·L-1范圍內(nèi)對(duì)熒光強(qiáng)度變化的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)八羧基酞菁鋁濃度在5.0×10-6mol·L-1時(shí)，Cu2+與八羧基酞菁鋁的熒光強(qiáng)度猝滅程度最大，所以實(shí)驗(yàn)選擇AlC8Pc的濃度為5.0×10-6mol·L-1.

圖3 酸度的影響 圖4 八羧酞菁鋁濃度的影響

2.5 反應(yīng)時(shí)間和溫度的影響

考察了反應(yīng)時(shí)間對(duì)體系的影響，圖5是反應(yīng)時(shí)間的影響，可以看出當(dāng)加入Cu2+后，AlC8Pc的熒光強(qiáng)度立即減小到480后基本不變，并隨著時(shí)間增加保持穩(wěn)定，由此可知Cu2+與AlC8Pc很快發(fā)生反應(yīng)，本實(shí)驗(yàn)選擇反應(yīng)5min后進(jìn)行測(cè)定。

圖5 時(shí)間的影響

在17℃～37℃溫度范圍內(nèi)研究了溫度對(duì)體系的影響，發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)AlC8Pc與Cu2+作用的熒光強(qiáng)度變化影響很小，因此本實(shí)驗(yàn)選擇在室溫下進(jìn)行。

2.6 選擇性實(shí)驗(yàn)

圖 6是分別加入濃度與Cu2+濃度相同的其它常見(jiàn)金屬離子、幾種氨基酸和牛血清白蛋白(BSA)后八羧基酞菁鋁熒光強(qiáng)度的變化關(guān)系圖?？梢钥闯鯪i2+、BSA與八羧基酞菁鋁有作用，但熒光強(qiáng)度變化沒(méi)有銅離子與八羧基酞菁鋁作用顯著。加入其它常見(jiàn)金屬離子，八羧基酞菁鋁熒光變化很小。所以本實(shí)驗(yàn)選擇八羧基酞菁鋁與Cu2+作用體系作為研究對(duì)象。

圖7是常見(jiàn)金屬離子、幾種氨基酸和牛血清白蛋白(BSA)和相同濃度的Cu2+同時(shí)加入時(shí)，八羧基酞菁鋁熒光強(qiáng)度的變化關(guān)系圖。當(dāng)Cu2+與其它物質(zhì)同時(shí)存在時(shí)，Cr3+、BSA對(duì)Cu2+與八羧基酞菁鋁的相互作用有影響，其它物質(zhì)影響很小，說(shuō)明該方法的選擇性較好。

2.7 標(biāo)準(zhǔn)曲線

在上述優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件下繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。在Cu2+濃度2.5×10-6mol·L-1～3.0×10-5mol·L-1范圍內(nèi)，八羧基酞菁鋁熒光強(qiáng)度變化與Cu2+濃度呈良好的線性關(guān)系。線性方程為：△F=-0.46+1.05×107c(mol·L-1) (n=11)，相關(guān)系數(shù)R為0.9974，檢出限為8.3×10-7mol·L-1.

2.8 樣品的測(cè)定

取50 mL體積的黃石青山湖水樣，濾去漂浮物，加5mL濃硝酸,加熱，消解到10mL 左右，稍冷卻，再加入5mL濃硝酸和2 mL H2O2，繼續(xù)加熱消解，蒸至近干，冷卻后，加水40mL，加熱煮沸3min，冷卻后，將溶液轉(zhuǎn)入50 mL容量瓶中，用水稀釋至標(biāo)線，按實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行分析。表1是實(shí)際水樣的檢測(cè)結(jié)果，結(jié)果表明：該湖泊水樣中未檢出Cu2+,且加標(biāo)回收率較好，說(shuō)明該方法準(zhǔn)確度較好。

圖6 加入不同金屬離子八羧基酞菁鋁的熒光強(qiáng)度 圖7 同時(shí)加入銅離子和其他金屬離子，氨基酸，BSA，八羧基酞菁鋁熒光強(qiáng)度的分析

表1 青山湖水樣中Cu2+含量的檢測(cè)

3 結(jié) 論

建立了一種近紅外熒光猝滅法檢測(cè)Cu2+的新方法，可以大大減小背景熒光和散射光的干擾，提高了測(cè)定的靈敏度和準(zhǔn)確度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法選擇性好，反應(yīng)時(shí)間快，操作簡(jiǎn)單，靈敏度較高。

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