淀粉修飾熒光素材料測(cè)定三峽庫(kù)區(qū)土壤和水體中的Fe3+及其來源分析

來守軍 +賈天明 關(guān)曉琳++林俊杰++楊季冬++陳星++左波

摘要：基于金屬離子的路易斯（Lewis）酸性和配位能力的差別，設(shè)計(jì)合成環(huán)保型修飾劑淀粉接枝的功能化熒光素。紅外光譜和熒光光譜表征表明，該功能材料保持了熒光素的光學(xué)特性，利用材料的酸敏感特性建立了測(cè)定Fe3+濃度的標(biāo)準(zhǔn)方法。采用光學(xué)探針方法測(cè)定三峽庫(kù)區(qū)土壤和水體中的Fe3+濃度，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果分析庫(kù)區(qū)的污染物來源，為控制污染提供了參考。

關(guān)鍵詞：淀粉；熒光素；三峽庫(kù)區(qū)；Fe3+；熒光；污染分析

中圖分類號(hào)： X524；X502文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2016）12-0449-03

收稿日期：2015-11-04

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：21475014、51363019、41301248）；三峽庫(kù)區(qū)水環(huán)境演變與污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（編號(hào)：WEPKL2013MS-01）。

作者簡(jiǎn)介：來守軍（1977—），男，吉林遼源人，博士，教授，主要從事污染物的熒光探針合成與應(yīng)用研究。Tel：（0931）8685568；E-mail：shoujunlai@163.com。

路易斯（Lewis）酸堿理論認(rèn)為，化學(xué)反應(yīng)中，能接受電子對(duì)的物質(zhì)是酸，能給出電子對(duì)的物質(zhì)是堿。因此，凡是分子中某原子有空軌道的都是Lewis酸，金屬離子吸電子的能力越強(qiáng)，其酸性也越強(qiáng)[1]。雖然該理論已經(jīng)提出了近百年，但是利用金屬離子自身的酸堿性差異性測(cè)定金屬離子的報(bào)道非常少，主要原因在于，金屬離子的酸堿性不僅取決于自身性質(zhì)，例如電荷數(shù)、半徑大小、元素周期表中的位置等，還與配體的結(jié)合能力有關(guān)。更為主要的是，很難找到合適的試劑指示金屬離子酸度差異性。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，對(duì)于金屬離子的分析測(cè)試不僅要求靈敏度高，同時(shí)還應(yīng)具備環(huán)保型的要求，所以尋找一種環(huán)保、高效的試劑用于分析金屬離子非常重要。目前對(duì)金屬離子的分析主要采用原子吸收光譜法[2-3]和電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）[4]。熒光素是1871年由化學(xué)家Bayer合成的一類經(jīng)典的熒光試劑，由于氧橋鍵把2個(gè)苯環(huán)固定在1個(gè)平面上，使得熒光素分子具有剛性共平面結(jié)構(gòu)，在激發(fā)光的作用下能產(chǎn)生強(qiáng)烈的熒光，關(guān)鍵是熒光素具有無毒、成本低的特性，雖然熒光素對(duì)pH值變化敏感，但是由于其水溶性差以及具有一定細(xì)胞毒性，導(dǎo)致應(yīng)用受限[5]。本研究采用共混方法合成淀粉修飾的熒光素，將其用于三峽庫(kù)區(qū)土壤和水體中Fe3+的測(cè)定，旨在提供一種基于Lewis酸的測(cè)定金屬離子的新方法。

1材料與方法

1.1試劑與儀器

主要試劑：碘化鉀（分析純，上?；瘜W(xué)試劑總廠）、環(huán)氧氯丙烷（分析純，成都市科龍化工試劑廠）、無水乙醇（重慶西南化學(xué)試劑有限公司）、熒光素（分析純，北京科華科技特種試劑聯(lián)合開發(fā)中心）、氫氧化鈉（分析純，汕頭西隴化工廠有限公司）、二甲基亞砜（DMSO，分析純，成都市科龍化工試劑廠）、氫化鈉（分析純，成都市科龍化工試劑廠）、鹽酸（分析純，汕頭西隴化工廠有限公司）、可溶性淀粉（四川省彭州市軍樂化工廠）、無水甲醇[分析純，重慶川東化工（集團(tuán)）有限公司化學(xué)試劑廠]、硝酸鐵（分析純，上海化學(xué)試劑總廠）。

主要儀器：F-4500熒光分光光度計(jì)（日本日立公司）、UV2450紫外-可見分光光度計(jì)（日本島津公司）、IR prestige-21紅外光譜儀（日本島津公司）、FA1104N電子天平（上海精密科學(xué)儀器有限公司）、 TDL-40B臺(tái)式離心機(jī)（上海安亭科學(xué)儀器廠）、DHG-9070A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海齊欣科學(xué)儀器有限公司）、CL-2恒溫加熱磁力攪拌器（鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司）。

1.2淀粉修飾的熒光素材料合成與表征

1.2.1材料合成

于100 mL圓底燒瓶中加入約1.0 g氫化鈉，通入一定時(shí)間氬（Ar）氣后，慢慢向瓶中滴加溶有1.0 g淀粉（ST）的二甲基亞砜溶液，攪拌直至體系中無H2放出，加入溶有1.5 g 3-環(huán)氧丙氧基熒光素（EPF）的DMSO溶液[6]，室溫下（約25 ℃）反應(yīng)10 h，用大量無水乙醇沉淀得到棕紅色液體，離心后得到深黃色固體粉末。將該粉末溶于蒸餾水中，得到深棕色水溶液的pH值顯示強(qiáng)堿性。用一定量鹽酸中和至pH值為 3～4后靜置片刻，再用乙醇沉淀，得到亮黃色固體粉末。反復(fù)溶解沉淀3～4次后所得到的產(chǎn)品再用無水甲醇抽提直至抽提液無熒光為止。40 ℃左右恒溫干燥，得到亮黃色固體粉末狀產(chǎn)物：淀粉-3-環(huán)氧丙氧基熒光素（ST-EPF）。ST-EPF具體合成路線見圖1。

1.2.2材料表征

取2 mg ST-EPF在瑪瑙研缽中研磨成細(xì)粉末，與干燥的溴化鉀粉末（約100 mg，粒度200目）混合均勻，裝入模具內(nèi)，在壓片機(jī)上壓制成片，之后在紅外光譜儀上測(cè)試。取材料10 mg，用二次蒸餾水溶解，定容至1 L，濃度為

[FK（W13][TPLSJ1.tif]

10.0 mg/L，備用。設(shè)定激發(fā)波長(zhǎng)為460 nm，發(fā)射波長(zhǎng)范圍為480～650 nm，掃描電壓為700 V，狹縫寬度為10 nm。取備用溶液，稀釋10倍，測(cè)定其熒光光譜、紫外光譜。

1.3合成材料對(duì)金屬離子的響應(yīng)分析

為了考察該材料對(duì)金屬離子的響應(yīng)選擇性，配制一系列金屬離子水溶液，包括K+、Na+、Ag+、Ca2+、Ni2+、Co2+、Cd2+、Cu2+、Pb2+、Hg2+、Zn2+、Fe2+、Al3+，備用濃度均為 0.1 mmol/L，試驗(yàn)操作條件與之前的熒光測(cè)試條件相同。

1.4合成材料對(duì)Fe3+的熒光光譜響應(yīng)分析

基于材料對(duì)Fe3+的特性響應(yīng)，配制1.0×10-7～3.0×10-5 mol/L濃度的Fe3+溶液，基于標(biāo)準(zhǔn)曲線法建立標(biāo)準(zhǔn)曲線，計(jì)算相關(guān)系數(shù)，評(píng)價(jià)方法的實(shí)用性。

1.5三峽庫(kù)區(qū)土壤與水樣中Fe3+的測(cè)定

根據(jù)三峽庫(kù)區(qū)的土壤和水體特點(diǎn)，選取重慶市萬州段土壤和水體作為分析對(duì)象?；诠P者所在課題組之前的工作基礎(chǔ)[7]，在長(zhǎng)江萬州段及其支流苧溪河分別選取6個(gè)土壤和水體取樣點(diǎn)：（1）桐園；（2）盤盤石；（3）東方廣場(chǎng)；（4）南門口；（5）天仙湖；（6）曬網(wǎng)壩（圖2），分別在枯水期和豐水期采樣。采用王水提取法[8] 對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理。

[FK（W14][TPLSJ2.tif]

2結(jié)果與分析

2.1合成樣品的紅外光譜分析

圖3為ST-EPF的紅外光譜，圖中處于3 500cm-1附近的峰為淀粉的—OH峰，說明反應(yīng)后的淀粉仍有大量羥基存在，環(huán)氧基團(tuán)只取代了其中的小部分。參考純水溶性淀粉的紅外光譜，比較發(fā)現(xiàn)，在1 600～1 700 cm-1有明顯變化，當(dāng)?shù)矸叟cEPF反應(yīng)后，在1 700處出現(xiàn)1個(gè)明顯的尖銳吸收峰，歸屬于EPF上C[FY=，1]O的吸收峰。該新峰的出現(xiàn)可以證明EPF分子上的環(huán)氧基團(tuán)與ST-EPF上的羥基發(fā)生了反應(yīng)，EPF是以化學(xué)鍵合的方式連接在淀粉側(cè)鏈上的[5]。

[FK（W12][TPLSJ3.tif；S+3mm]

2.2合成樣品的光學(xué)性質(zhì)分析

圖4顯示該材料的光學(xué)性質(zhì)，紫外吸收光譜表明，該材料的最大吸收波長(zhǎng)在460～480 nm，熒光光譜發(fā)射峰在524 nm，與接枝淀粉之前的熒光素差別不大，保留了熒光物質(zhì)的基本光學(xué)性質(zhì)。為了避免激發(fā)光譜對(duì)熒光光譜的干擾，同時(shí)獲得較佳的靈敏度，熒光測(cè)定選定激發(fā)波長(zhǎng)為460 nm。

2.3金屬離子對(duì)合成樣品的熒光光譜的影響

通過對(duì)比加入金屬離子后材料的熒光強(qiáng)度，可以看出只有Fe3+能夠高效猝滅材料的熒光強(qiáng)度（圖5）。隨著pH值的變化，熒光素有不同的解離形式，其中只有2種陰離子形式的熒光素有較強(qiáng)的熒光發(fā)射[9]。由之前的表征可以看出，EPF成功修飾ST的同時(shí)，表面還有大量的羥基（3 500 cm-1附近的峰為—OH峰），是熒光的增色團(tuán)，同時(shí)可以充當(dāng)金屬離子的配體。當(dāng)金屬離子與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，由于酸度增強(qiáng)和—OH數(shù)量的減少，從而使得熒光強(qiáng)度降低。作為L(zhǎng)ewis酸的金屬離子的配位能力和酸性由于金屬離子的結(jié)構(gòu)不同而不同，所以材料的熒光強(qiáng)度降低程度也不同。Fe3+是很強(qiáng)的Lewis酸，電子構(gòu)型為3 d5，不僅具有3 d、4 s、4 p軌道可以成鍵[10-11]，K穩(wěn)一般也較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他金屬離子，所以對(duì)材料的猝滅效果較好。

2.4Fe3+對(duì)合成樣品的線性響應(yīng)

[JP2]研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e3+不僅對(duì)材料的熒光強(qiáng)度有猝滅作用，同時(shí)相對(duì)熒光強(qiáng)度（I）與濃度（c）在一定范圍內(nèi)滿足線性關(guān)系（圖6），線性方程為I =-4.375 1c+2 062.5，線性響應(yīng)范圍為 1.0 ×10-7～3.0×10-5 mol/L，相關(guān)系數(shù)為0.992 6，加標(biāo)回收率為95.2%～102.6%，暗示該光學(xué)材料可以作為測(cè)定Fe3+的潛在探針。

[FK（W13][TPLSJ6.tif]

2.5實(shí)際樣品的測(cè)定結(jié)果

為了考察探針的實(shí)際應(yīng)用效果，同時(shí)利用探針的分析結(jié)果，評(píng)價(jià)三峽庫(kù)區(qū)重慶市萬州段土壤和水體的Fe3+含量。

由表1可以看出，枯水期土壤中Fe3+檢出濃度多在 300 μg/g 以下，豐水期土壤中Fe3+檢出濃度大部分接近或超過300 μg/g；枯水期水體中Fe3+檢出濃度多在 20 μmol/L以下，豐水期水體中Fe3+檢出濃度大部分接近或超過 20 μmol/L。1號(hào)、6號(hào)取樣點(diǎn)土壤和水體中Fe3+濃度相對(duì)較小，因?yàn)檫@2個(gè)區(qū)域的污染物只來源于居民日常生活垃圾，經(jīng)過豐水期到枯水期的過渡，大多數(shù)Fe3+已經(jīng)被沖刷到庫(kù)區(qū)下游；2號(hào)取樣點(diǎn)土壤和水體中Fe3+濃度相對(duì)最高，主要是因?yàn)?號(hào)取樣點(diǎn)上游有化工園區(qū)、碼頭等，為面源污染；4號(hào)、5號(hào)取樣點(diǎn)位于苧溪河下游，目前苧溪河污染嚴(yán)重，所以污染物濃度也相對(duì)較高；3號(hào)取樣點(diǎn)位于長(zhǎng)江轉(zhuǎn)彎處，水體對(duì)于污染物的自凈功能較差，所以3號(hào)取樣點(diǎn)污染物濃度比4號(hào)、5號(hào)取樣點(diǎn)高?？傮w來說，豐水期各取樣點(diǎn)土壤和水體中Fe3+濃度高于枯水期，這可能是由于江水對(duì)沉積物的沖刷以及江水對(duì)岸邊垃圾的浸泡，使污染物來源得到了加強(qiáng)[12-14]。

3結(jié)論

本研究表明，利用環(huán)保修飾劑淀粉化學(xué)鍵合合成淀粉修飾的熒光素（ST-EPF），拓展了熒光素在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用。修飾合成的ST-EPF對(duì)于金屬離子Fe3+具有很好的響應(yīng)效果，歸結(jié)于Fe3+是強(qiáng)的Lewis酸。將熒光探針用于分析三峽庫(kù)區(qū)土壤和水體中的Fe3+濃度，方法簡(jiǎn)單環(huán)保。本研究還分析了重慶市萬州段的污染狀況及污染物來源，為污染控制研究提供了參考。

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