熒光光譜滴定法對痕量喹硫磷的測定

沈新

（安徽省滁州市環(huán)境監(jiān)測站，安徽滁州239000）

葫環(huán)聯(lián)脲（CBn）是一類由多個甘脲單元構(gòu)成的大環(huán)超分子化合物，它具有兩端開口的被羰基環(huán)繞的疏水空腔，兩端口尺寸相同，羰基可形成陽離子鍵合位點，故可以通過離子偶極相互作用和與脲羰基的氫鍵作用來鍵合金屬離子或有機分子的帶電部分[1-2]。特別是CB5，它的空腔很小，入口直徑為2.4AO，空腔內(nèi)徑為 4.4AO[3]，在純水中溶解性很小，而農(nóng)藥基本均不溶于水，因此適合用來包裹農(nóng)藥分子。

喹硫磷（Quinalphos）[O-diethyl-O-quinoxalin-2-ylphosphorothi-oate]（圖1）是一種中等毒性的高效有機磷農(nóng)藥，適用于水稻、棉花、果樹、蔬菜上多種害蟲的防治，對害蟲具有觸殺和胃毒作用，對植物組織和動物表皮具有很好的滲透性，一般可持續(xù)作用10～15天[4]，因此，檢測農(nóng)業(yè)廢水中的喹硫磷殘余是環(huán)境監(jiān)測工作的一項重要內(nèi)容。目前對喹硫磷的檢測有多種方法，如高效液相色譜法（HPLC）[5]、重量分析法、氣質(zhì)聯(lián)用色譜法（GC-MS）[6]等。由于喹硫磷對熱非常敏感，受熱易分解，故這些方法不是非常合適，并且有些方法對儀器維護要求很高。

本文根據(jù)葫環(huán)聯(lián)脲[5]（CB5）對喹硫磷的包合作用，在室溫（21.5℃）下用熒光光譜滴定法對痕量喹硫磷進行了分析測定，具有良好的線性范圍和低檢出限，并對其相互作用的機理進行了討論。

圖1 喹硫磷和CB5的化學結(jié)構(gòu)

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

日本Hitachi F-4600型熒光光譜儀（附有恒溫池，1cm×1cm的四通光石英比色皿），激發(fā)和發(fā)射帶寬分別是5nm和10nm；Avance Bruker-300MHz核磁共振儀。實驗溫度為21.5℃。

葫環(huán)聯(lián)脲[5]按照文獻制備[7-9]，經(jīng)1H NMR、IR和元素分析確證；喹硫磷（99%，阿拉丁試劑公司）。葫蘆脲[5]配置成10-3mol·L-1的溶液，喹硫磷與1∶1的乙醇溶液配置成10-4mol·L-1的溶液，低溫貯存?zhèn)溆?，兩化合物的結(jié)構(gòu)式如圖1所示。整個實驗過程用水為石英亞沸水。

1.2 CB5-quinalphos包合物的熒光性質(zhì)

準確移取0.2mL的10-4mol·L-1喹硫磷溶液于一系列10mL容量瓶中，以不加CB5的溶液為空白，然后依次準確加入不同量（0.1～2.2mL）10-3mol·L-1的 CB5溶液，用1∶1的乙醇溶液稀釋至刻度，搖勻。靜置15min后測定其熒光光譜。儀器參數(shù)為:光柵狹縫寬度5nm/10nm，電壓 700V。

為了檢驗該方法測定喹硫磷具有很好的線性范圍，我們做了另一組實驗：保持 CB5濃度（2.00×10-6mol·L-1）不變，依次準確加入不同量（0.05×10-5～1.20×10-5mol·L-1）的喹硫磷溶液，用1∶1的乙醇溶液稀釋至刻度，搖勻。靜置15min后測定其熒光光譜，儀器參數(shù)同上。

2 結(jié)果與討論

2.1 熒光光譜性質(zhì)

固定喹硫磷的濃度為2.00×10-6mol·L-1，當CB5溶液不斷加入喹硫磷溶液中時，喹硫磷的熒光強度隨著CB5濃度的增加而升高（見圖2），同時可以看到熒光峰位的藍移（389.2→390.4nm）?？梢?，本身無熒光的CB5的加入，可增強有熒光的喹硫磷的熒光強度，進而降低檢測限。

由圖3可以看出，固定CB5濃度不變，隨著喹硫磷濃度的增加，熒光強度逐漸增強，熒光光譜發(fā)生微弱藍移（389.4→390.2 nm）。

圖3為喹硫磷濃度為0.15～35.8μg·mL-1時的熒光增強曲線。喹硫磷的濃度可以從下面公式求得：F=506.9+1.61×10-2C（R=0.9991，SD=26.80，n=12），F(xiàn)是增大的熒光強度，C是喹硫磷的濃度（mol·L-1）。在喹硫磷濃度為1.00μg·mL-1時進行了12組平行試驗，求得相對標準偏差（SD）。當儀器信噪比（S/N）為3時，計算出最低檢測限為0.10μg·mL-1。熒光強度和喹硫磷濃度的線性關(guān)系見圖3。

2.2 相互作用機理的討論

由實驗可以看出，加入CB5后，喹硫磷的熒光強度顯著增強。我們認為是喹硫磷分子乙基上的氫原子與CB5的羰基通過氫鍵在外部包合所致，圖4是利用Gaussian03程序給出的分子模擬。結(jié)合所需的最低能量是-9.31KJ。

2.3 包合穩(wěn)定常數(shù)的計算

由于主客體分子形成了1∶1的配合物，當無熒光的主體分子（H）不斷加入有熒光的客體分子（G），可檢測到熒光顯著增強。根據(jù)公式化合物熒光增強主要取決于主體分子加入的多少[8-9]。

圖2 喹硫磷濃度的熒光光譜

圖3 固定CB5濃度2.00×10-6 mol·L-1的熒光光譜

公式中 8F/F0是客體分子被100%包合時的熒光強度；F0為不加CB5時喹硫磷空白溶液的熒光強度；而F是主客體包結(jié)后體系的熒光強度；[H]是主體CB5濃度；K是包結(jié)配合物的平衡常數(shù)。

如圖5所示，根據(jù)公式（1）以1/（F/F0-1）對1/[CB5]作圖得到一條線性關(guān)系良好的直線（R=0.9993），說明該化合物是1∶1包合，該直線與等式（1）對照，得出K=（2.45±0.14）×104L·mol-1。

圖4 CB5-quinalphos化合物的分子模擬（a）為CB5-quinalphos化合物的側(cè)視圖；（b）為CB5-quinalphos化合物的俯視圖

圖5 1/[F/F0-1]對 1/[CB5]作圖

同時，通過用Job's曲線來計算金屬配合物的絡(luò)合比，此方法同樣適用于超分子配合物體系[10]。為研究喹硫磷與CB5的包合關(guān)系（如圖6），通過實驗我們發(fā)現(xiàn)，當[o-PDA]/（[CB7]+[o-PDA]）=0.5時，其相對熒光強度最大，由此更進一步證明喹硫磷與CB5的包結(jié)比為1∶1。

圖6 JOB曲線

2.4 有關(guān)熱力學參數(shù)的計算

利用熒光光譜滴定法在不同溫度下向CB5中加入喹硫磷得到包合常數(shù)，如表1所示。隨著溫度的升高，包合穩(wěn)定常數(shù)K逐漸減小。根據(jù)Van'tHoff方程，將lnK對1/T作圖（T=275K-312.5 K），通過斜率和截距求得相應(yīng)的焓變 ΔH（-19.40KJ·mol-1） 和熵變 ΔS（18.48 J·mol-1K-1）?？梢?，焓變是構(gòu)成CB5-quinalphos化合物的主要因素。反應(yīng)的焓變主要來自于喹硫磷與CB5羰基間的偶極作用。在298K時，體系的自由能變化ΔG=-24.91KJ·mol-1，說明該溫度下的反應(yīng)是自發(fā)進行的。當然，在1∶1的乙醇溶液中，水分子也進入了CB5的空腔，位于配體的羰基。在絡(luò)合物形成過程中，高能量的水分子從主體空腔的遷移以及陽離子的溶劑化作用對焓變也有一定的貢獻。

表1 不同溫度下的包合常數(shù)

3 結(jié)論

本文探討了一種新的簡單有效的檢測喹硫磷的熒光光譜分析法，并且將檢測限降至微克級（μgmL-1）。該方法不僅拓寬了CB5在有機磷農(nóng)藥檢測方面的應(yīng)用，也發(fā)展了環(huán)境監(jiān)測中檢測有機磷農(nóng)藥喹硫磷的新方法，對于環(huán)境監(jiān)測中殘余農(nóng)藥的檢測具有一定的意義。

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