水溶液中對Cr3＋高選擇性熒光化學傳感器的研究

孔華杰，祖福麗，李 茜，王晨娟，徐括喜

（河南大學 化學化工學院 精細化學與工程研究所，河南 開封475004）

鉻，主要以三價和六價兩種價態(tài)存在.三價鉻，Cr3＋，在人和動物體內(nèi)是一種重要的金屬離子，因為它能夠提高胰島素的敏感性，并通過碳水化合物，脂肪，蛋白質(zhì)的代謝成為“葡萄糖耐量因子”的重要組成部分［1］.Cr3＋是人體中所必需的微量元素之一，Cr3＋缺乏會增加糖尿病和心血管疾病發(fā)生的概率［2］；而Cr6＋會導致肝、腎病變等嚴重的健康問題［3］.此外，工農(nóng)業(yè)活動引起的Cr6＋積累也會殺死水體中浮游動植物，造成環(huán)境的污染.因此，為了很好的區(qū)分這兩種價態(tài)，選擇和發(fā)展合適的化學傳感器變得非常重要.由于熒光傳感檢測手段較其他技術手段（例如電化學檢測技術［4］）先進，到目前為止，Cr3＋的熒光化學傳感器的設計合成也取得了顯著的成果［5］.但是，大多數(shù)的傳感器具有選擇性不高、靈敏度差、易受其他過渡金屬離子干擾等缺點.此外，有些熒光傳感器是由多個有機合成步驟實現(xiàn)的，增加了傳感器的成本［6］.我們所設計合成的對Cr3＋具有專一選擇性的熒光化學傳感器克服了上述的缺點，其在生理pH水溶液中對Cr3＋選擇性和專一性至今還未見報道.

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

F－7000FL型熒光光譜儀；用Mel－TEMPⅡ型熔點儀測定熔點；所用試劑均為市售分析純試劑，所有無水試劑使用前均使用標準方法純化；去離子水用二次蒸餾水.傳感器1按照文獻［7］的方法合成，其結(jié)構如圖1所示.

2 結(jié)果與討論

2.1 熒光光譜研究

我們通過熒光滴定的方法在水溶液中（含有0.3%DMSO）測定金屬離子與化合物的配合情況，化合物1在水溶液中的熒光發(fā)射波長為388nm.向化合物1中分別加入30倍的不同金屬離子時，其熒光變化如圖2所示.當加入30倍的Cr3＋時，熒光發(fā)射波長不變，熒光強度猝滅.然而當加入30倍的其他金屬離子（如Li＋，Na＋，K＋，Zn2＋，Co2＋，Ni2＋，Cu2＋，F(xiàn)e3＋，Mn2＋）時，化合物1的熒光發(fā)射波長和熒光強度都基本上保持不變.

圖1 傳感器1的結(jié)構Fig.1 The structure of the sensor 1

圖2 加入不同金屬離子時傳感器1的熒光光譜Fig.2 Fluorescence spectra changes of sensor 1 upon addition of various metal ions

圖3是化合物1隨著Cr3＋的濃度的增加的熒光光譜變化曲線圖和最小二乘法非線性擬合圖.隨著Cr3＋的加入，熒光在388nm處強度逐漸降低至猝滅.通過最小二乘法非線性擬合公式計算得到其相關系數(shù)為0.999 4.熒光猝滅現(xiàn)象可以用經(jīng)典的光誘導電子轉(zhuǎn)移機理（PET）［8］來解釋.當加入Cr3＋后，主客體形成絡合物，增強了鍵合位的還原電勢，促進了鍵合位到萘環(huán)激發(fā)態(tài)的電子轉(zhuǎn)移，使PET過程變得更加容易，從而觀測到Cr3＋誘導的熒光猝滅現(xiàn)象.我們通過紫外光譜驗證了這一機理，在加入不同濃度的Cr3＋后，主體化合物中萘環(huán)的特征吸收峰強度沒有發(fā)生改變，從而驗證了主客體作用時的PET機理.

圖3 （a）加入Cr3＋后傳感器1的熒光光譜變化圖；（b）非線性擬合曲線Fig.3 （a）Fluorescence spectra of the sensor 1 upon addition of Cr3＋ ；（b）The nonlinear curve fitting of sensor 1

2.2 絡合常數(shù)計算

非線性曲線擬合（相關系數(shù)大于0.99）表明主客體之間形成了1∶1的配合物.對于化學計量比為1∶1的配合物［9］，絡合常數(shù)（Kass）和相關系數(shù)（R）在Origin 7.5軟件中可以使用下面的公式進行計算：

式中I表示熒光化學傳感器1加入不同金屬離子后的熒光強度，I0表示熒光化學傳感器1不加金屬離子的熒光強度，cH、cG分別表示熒光化學傳感器1和金屬離子的濃度.根據(jù)以上公式，利用熒光化學傳感器1在388nm處的熒光猝滅計算出來絡合常數(shù)Kass＝（7.80±0.34）×103.非線性曲線擬合所得的相關系數(shù)值極高（R＞0.99），證明熒光化學傳感器1和Cr3＋間形成了1∶1的絡合物.

我們用工作曲線法證明了傳感器1和Cr3＋間的化學計量比.當主體與客體總濃度（H2O作溶劑，3.0×10－4mol／L）不變情況下，通過連續(xù)改變客體的物質(zhì)的量｛［G］／（［G］＋［H］）｝，測定主體化合物的熒光強度.圖4為主體1與客體Cr3＋作用時的工作曲線圖（I0：熒光初始強度，I：加入Cr3＋后的熒光強度）.當主客體的物質(zhì)的量的比例為0.5時，溶液熒光強度最大，說明主體1與Cr3＋形成 了1∶1絡合物.

檢出限是用來說明目標分析物能被準確檢測出的最小量.我們利用熒光光譜作圖，進行直觀的線性計算得到主客體相互作用能檢測到熒光響應時的Cr3＋的最小濃度，即檢出限為1.66×10－5mol／L，低于質(zhì)量控制的方法檢出限，說明該傳感器能檢測到痕量的Cr3＋（圖5）.

圖4 傳感器1和Cr3＋的工作曲線Fig.4 Job plots of sensor 1 with Cr3＋

圖5 傳感器1在HEPES緩沖溶液中對Cr3＋的檢測限Fig.5 The determination 1 of the detection limit（LOD）for Cr3＋in HEPES buffer

通過以上對熒光光譜的研究和對絡合常數(shù)的計算，我們推測了可能的鍵合模式，并且在紫外光譜中得到了驗證，可能的鍵合模式如圖6所示.

圖6 傳感器1與Cr3＋可能的鍵合模式Fig.6 Proposed binding model of sensor 1 with Cr3＋

3 結(jié)論

設計了一個基于1－萘酚的新型金屬離子熒光化學傳感器，通過熒光光譜研究了其對不同金屬離子的選擇性識別能力.結(jié)果表明，該傳感器在生理pH水溶液中對Cr3＋表現(xiàn)出較高的選擇性.通過傳感器1與Cr3＋絡合常數(shù)和相關系數(shù)的計算進一步表明，其與Cr3＋形成的1∶1配合物，對Cr3＋表現(xiàn)出高度的選擇性和專一性，具有很好的潛在應用價值.

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