西維因在甲醇-水二元混合溶劑中的三維熒光光譜特性研究

肖 雪，趙南京*，于紹慧，馬明俊，楊瑞芳，殷高方，段靜波，方 麗，張玉鈞，劉文清

1. 中國科學(xué)院環(huán)境光學(xué)與技術(shù)重點實驗室，中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所，安徽 合肥 230031 2. 合肥師范學(xué)院數(shù)學(xué)系，安徽 合肥 230061

西維因在甲醇-水二元混合溶劑中的三維熒光光譜特性研究

肖 雪1，趙南京1*，于紹慧2，馬明俊1，楊瑞芳1，殷高方1，段靜波1，方 麗1，張玉鈞1，劉文清1

1. 中國科學(xué)院環(huán)境光學(xué)與技術(shù)重點實驗室，中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所，安徽 合肥 230031 2. 合肥師范學(xué)院數(shù)學(xué)系，安徽 合肥 230061

農(nóng)藥的廣泛使用對環(huán)境產(chǎn)生了重要的影響，西維因作為一種重要的廣譜高效殺蟲劑在很多地表水中殘留，了解和掌握西維因在環(huán)境中的光譜特性及檢測方法具有重要意義。研究了西維因的激發(fā)-發(fā)射三維熒光光譜特性，通過改變甲醇-水二元混合溶劑中甲醇的體積比，探討了不同體積比的甲醇-水混合溶劑對西維因三維熒光光譜的影響。研究結(jié)果表明，西維因的特征熒光光譜峰為單峰，西維因的激發(fā)波長和發(fā)射波長范圍分別處于： 244～304和300～350 nm，最大激發(fā)/發(fā)射峰位置分別位于280和335 nm。隨著甲醇-水二元混合溶劑中甲醇含量的增加，西維因的三維熒光光譜未出現(xiàn)明顯位移，但是熒光光譜強度隨甲醇含量的增加出現(xiàn)了非線性的變化，這主要與二元混合溶劑自身獨特的性質(zhì)有關(guān)。

西維因； 甲醇-水混合溶劑； 溶劑效應(yīng)； 三維熒光光譜

引 言

殺蟲劑是化學(xué)污染物中的一類重要的潛在化合物，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)和衛(wèi)生等領(lǐng)域，并被釋放到環(huán)境中。然而，其中大多數(shù)是高毒性的，可以表現(xiàn)出高的化學(xué)穩(wěn)定性和耐降解性，對水生和土壤生態(tài)系統(tǒng)造成持續(xù)污染。西維因是氨基甲酸酯類農(nóng)藥的一種，氨基甲酸(NH2COOH)結(jié)構(gòu)中的氧或者氮原子上的酯被脂肪族或芳香族所取代。西維因和氨基甲酸酯分子結(jié)構(gòu)如圖1所示。雖然西維因具有膽堿酯酶抑制作用，但最近的研究結(jié)果表明西維因也具有一定的危害。例如，西維因可以改變肝微粒體酶，引起亞慢性神經(jīng)毒性，造成免疫功能的改變，氰基細(xì)菌與西維因和1-萘酚結(jié)合后具有更高的毒性[1]。EPA將其列為可能對人體產(chǎn)生致癌作用的一類物質(zhì)。西維因在美國的許多地表水中被檢測到，濃度為微克每升[2-3]。

由于西維因自身具有熒光，熒光方法對西維因的檢測引起了人們廣泛的興趣，其中激發(fā)-發(fā)射矩陣三維熒光光譜在其定性和定量分析中發(fā)揮著越來越大的作用。Pablo Santa-Cruz等[4]利用三階多元校正算法結(jié)合動力學(xué)光譜測量，研究了西維因在水解過程中的熒光光譜隨時間變化； Rubio等[5]利用激發(fā)-發(fā)射分子熒光和平行因子分析方法對干石灰樹花中的西維因、多菌靈和1-萘酚進(jìn)行了識別和定量分析； 朱紹華等利用激發(fā)發(fā)射矩陣熒光定量分析了自來水、河水[6]和污水[7]中的西維因，并考察了西維因在測定過程中的水解情況。本文利用激發(fā)-發(fā)射矩陣三維熒光方法研究了西維因的三維熒光光譜特性，并通過不同濃度的西維因三維熒光光譜的檢測，得出了西維因的工作曲線和檢測限，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了西維因在甲醇-水二元混合溶劑中的熒光光譜隨甲醇含量的變化情況。

圖1 西維因和氨基甲酸酯官能團(tuán)結(jié)構(gòu)圖

1 實驗部分

1.1 儀器

利用日立(HITACHI)F-7000熒光分光光度計采集樣品的熒光信號。PHS-3C精密pH計(上海雷磁儀器廠)用于緩沖液pH的測定。AL-104101電子天平(梅特勒-托利多儀器有限公司)用于物質(zhì)質(zhì)量的準(zhǔn)確稱量。所有光學(xué)測試均在室溫下進(jìn)行。

所有光譜數(shù)據(jù)使用Matlab和Origin8.0軟件處理。

1.2 試劑

西維因(分析標(biāo)準(zhǔn)品，98%)購自阿拉丁試劑(上海)有限公司，甲醇(分析純)和氫氧化鈉(分析純)購自上海蘇懿化學(xué)試劑有限公司，甲醇(色譜純)購自TEDIA COMPANY.INC，磷酸(分析純)和醋酸(分析純)購自天津市富宇精細(xì)化工有限公司，硼酸(分析純)購自天津市津北精細(xì)化工研究所，實驗用水為Molecular自制的超純水。

西維因儲備液的配制： 稱取0.011 1 g西維因，用甲醇溶解，并用甲醇定容至100 mL。

西維因工作液的配制： 取0.5 mL濃度為111 mg·L-1的西維因儲備液至50 mL容量瓶，用水定容。

緩沖溶液的配制： 向100 mL磷酸、硼酸和醋酸(濃度均為0.04 mol·L-1)的混合液中，加入35 mL濃度為0.2 mol·L-1的NaOH溶液。配制成pH 4.83的Britton-Robison緩沖溶液。

1.3 方法

取不同體積的西維因工作液至10 mL容量瓶中，用水定容，配制成濃度范圍為1.11～155.4 g·L-1的一系列西維因溶液。利用F-7000熒光分光光度計測量三維熒光光譜，參數(shù)設(shè)置為： 激發(fā)波長244～308 nm，激發(fā)波長步長2 nm，發(fā)射波長245～490 nm，發(fā)射波長步長5 nm，狹縫寬度5 nm，PMT電壓700 V，掃描速度12 000 nm·min-1。

分別取1 mL西維因工作液加入到10 mL容量瓶中，再向容量瓶中加入2 mL pH 4.83的Britton-Robison緩沖溶液，最后用不同體積比的甲醇-水混合液對相應(yīng)的溶液進(jìn)行定容。得到一系列不同體積比的甲醇-水定容后的西維因溶液。利用F-7000測量三維熒光光譜，F(xiàn)-7000的參數(shù)設(shè)置為： 激發(fā)波長244～308 nm，激發(fā)波長步長2 nm，發(fā)射波長310～490 nm，發(fā)射波長步長5 nm，狹縫寬度5 nm，PMT電壓700 V，掃描速度12 000 nm·min-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 西維因的三維熒光光譜特征

西維因的三維熒光光譜如圖2所示，圖2為去除瑞利散射和拉曼散射后的光譜圖。由圖2可以看出，西維因的激發(fā)波長和發(fā)射波長分別為： 244～304 nm和300～350 nm。其特征熒光光譜峰為單峰，最大激發(fā)/發(fā)射峰位置分別位于280和335 nm。

圖2 西維因的激發(fā)-發(fā)射三維熒光光譜

2.2 工作曲線和檢測限

通過測量不同濃度西維因的三維熒光光譜，得到西維因的熒光強度與濃度之間的關(guān)系，如圖3所示。由圖3可知當(dāng)西維因的濃度范圍在1.11～155.4 g·L-1時，熒光強度與濃度呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系，線性回歸方程為：Y=64.005 09X+17.735 929，相關(guān)系數(shù)為0.999 559 4。

圖3 西維因熒光強度與濃度的工作曲線

由國際理論與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(IUPAC)關(guān)于檢測限的定義，見式(1)

(1)

其中Sb為空白多次測定的標(biāo)準(zhǔn)偏差；S為測定方法的靈敏度；k為根據(jù)一定置信水平確定的系數(shù)。1975年，IUPAC建議光譜化學(xué)分析法取k=3，計算可得西維因的檢測限為0.92 g·L-1。

2.3 不同比例甲醇-水二元混合溶劑中西維因的三維熒光光譜比較

實驗測量了不同體積比的甲醇-水作為溶劑下西維因的三維熒光光譜。相同濃度的西維因在不同體積比的甲醇-水二元混合溶劑中的激發(fā)光譜和發(fā)射光譜分別如圖4和圖5所示。由圖5可以看出，當(dāng)甲醇-水的體積比由0%到100%之間變化時，最大激發(fā)峰和最大發(fā)射峰的位置基本沒有發(fā)生變化，只有熒光峰的強度存在一些差異。圖6為不同甲醇體積比改變過程中，西維因最大熒光峰的變化情況。由圖6可以看到，當(dāng)甲醇的體積比由0%增大時，熒光峰的強度也隨之增大，直至甲醇的體積比為50%時，熒光峰的強度達(dá)到最大，當(dāng)繼續(xù)增大甲醇的體積比由50%至100%的過程中，熒光峰的總體變化趨勢為逐漸下降。這一結(jié)果與煤油在不同體積比的乙醇-水中的結(jié)果相似[8]。

圖4 西維因在不同體積比的甲醇-水二元混合溶劑中的激發(fā)光譜

Fig.4 The excitation spectra of carbaryl with different volume ratio of methanol in binary mixture

圖5 西維因在不同體積比的甲醇-水二元混合溶劑中的發(fā)射光譜

Fig.5 The emission spectra of carbaryl with different volume ratio of methanol in binary mixture

針對西維因的熒光光譜在甲醇-水二元溶劑中的變化情況，進(jìn)行以下幾個方面討論：

(1) 甲醇-水二元混合溶劑的物理性質(zhì)。在室溫條件下，

圖6 不同甲醇體積比下西維因最大熒光峰強度變化

Fig.6 The maximum fluorescence intensity of carbaryl with different volume ratio of methanol in binary mixture

甲醇和水可以以任意比例混溶。二元混合溶劑的組分與其物理性質(zhì)之間呈現(xiàn)非線性關(guān)系，包括密度、介電常數(shù)、NMR弛豫時間、介電松弛和熒光溶解探針壽命等。Will Thompson等[9]的研究顯示，當(dāng)甲醇占混合溶劑體積比為40%左右時，二元混合溶劑的粘度最大。這一結(jié)果也對本實驗現(xiàn)象進(jìn)行了有力的支持。介質(zhì)的粘度越大，熒光物質(zhì)與分子的碰撞概率越小，去活化過程減弱，熒光強度增加。

(2) 溶質(zhì)-溶劑的特異性關(guān)聯(lián)。根據(jù)El Seoud等提出的二元混合溶劑交換模型[10-11]，當(dāng)溶劑為有機溶劑(S)和水(W)構(gòu)成的二元溶劑時，存在如下溶劑交換模型，見式(2)—式(4)

(2)

Probe(S)m+m(S-W)Probe(S-W)m+mS

(3)

Probe(W)m+m(S-W)Probe(S-W)m+mW

(4)

式中，Probe表示溶質(zhì)。以上交換模型表明，由于溶質(zhì)/溶劑氫鍵和疏水相互作用，1∶1氫鍵溶劑更加有利于溶質(zhì)的溶劑化。西維因在甲醇-水二元混合溶劑中可能形成復(fù)雜的氫鍵混合物。出現(xiàn)這一實驗結(jié)果的原因可能與混合溶劑中氫鍵的產(chǎn)生有關(guān)。二元混合溶劑產(chǎn)生的溶劑效應(yīng)，還有待于更進(jìn)一步的研究。

3 結(jié) 論

通過對西維因三維熒光光譜的研究，得到了最大熒光強度與濃度呈線性關(guān)系的濃度范圍，西維因的濃度在1.11～155.4 g·L-1時，熒光強度與濃度呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系，線性回歸方程為：Y=64.005 09X+17.735 929，相關(guān)系數(shù)為0.999 559 4。工作中還研究了西維因在一元溶劑和甲醇-水二元混合溶劑中的三維熒光光譜，隨著溶劑中甲醇體積比的變化，西維因最大熒光峰的位置并沒有發(fā)生明顯改變，僅僅出現(xiàn)熒光峰強度的變化，當(dāng)甲醇和水的體積比為50%時，熒光峰的強度達(dá)到最大，這可能由于二元混合溶劑的物理性質(zhì)以及西維因在甲醇-水二元混合溶劑中形成復(fù)雜的氫鍵混合物所引起。

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(Received Feb. 9, 2015; accepted May 20, 2015)

*Corresponding author

Effect of Methanol-Water Mixture on Three-Dimensional Fluorescence Spectra of Carbaryl

XIAO Xue1，ZHAO Nan-jing1*，YU Shao-hui2，MA Ming-jun1，YANG Rui-fang1，YIN Gao-fang1，DUAN Jing-bo1，F(xiàn)ANG Li1，ZHANG Yu-jun1，LIU Wen-qing1

1. Key Laboratory of Environmental Optics and Technology, Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China 2. School of Mathematics and Statistics, Hefei Normal University, Hefei 230061, China

Extensive use of pesticides has a significant impact on the environment. Carbaryl, whose residues stay in the surface water, is one of the most widely used broad spectrum insecticides in agriculture. It is important to understand carbaryl spectral characteristics and detection methods. The characteristic of excitation-emission three-dimensional spectra of carbaryl is studied. By changing the concentration of methanol in methanol-water binary solvent, the impact of methanol-water mixture on three-dimensional fluorescence spectra of carbaryl is discussed. The results show that the characteristic excitation-emission spectra of carbaryl is single peak, the range of the excitation wavelength and emission wavelength are: 244～304 and 300～350 nm respectively, the maximum excitation/emission peak located at 280 and 335 nm. With increasing the content of methanol in methanol-water binary solvent mixture, there is no obviously spectra shift of three dimensional fluorescence spectra of carbaryl. However, the intensity of fluorescence is nonlinear dependent on the content of methanol, mainly due to the specific properties of binary mixed solvent.

Carbaryl; Methanol-water mixture solvent; Solvent effect; Three-way fluorescence

2015-02-09，

2015-05-20

國家自然科學(xué)基金項目(61378041，61308063)，國家(863計劃)項目(2013AA065502，2014AA06A509，2009AA063005)，安徽省杰出青年科學(xué)基金項目(1108085J19)和安徽省自然科學(xué)基金項目(1408085MD72)資助

肖 雪，1981年生，中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所助理研究員 e-mail: xiaoxue@aiofm.ac.cn *通訊聯(lián)系人 e-mail: njzhao@aiofm.ac.cn

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)06-1775-04