一種可視性識(shí)別氰離子的比色探針及其作用機(jī)理研究

朱道林，舒 嵐，趙利華，聶 麗

(1.合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院 科技處，安徽 合肥 238000；2.皖西學(xué)院 實(shí)驗(yàn)中心，安徽 六安 237012)

氰化物被廣泛應(yīng)用于冶金、采礦等許多行業(yè)中，因此，在工業(yè)生產(chǎn)方面扮演著重要的角色。如氰化物在電鍍中不僅可以增大電鍍的導(dǎo)電性能，同時(shí)又能使產(chǎn)品鍍層更細(xì)致，提高產(chǎn)品的質(zhì)量。常人道：真金不怕火來煉，但金、銀等貴金屬在氰化物的溶液中可以被溶解，因而，在礦石浮選提取金、銀中需用大量的氰化物[1-3]。但氰化物并非都是來自于化學(xué)工業(yè)得到，在自然界中許多植物中也含氰化物，如杏仁、楊梅、葡萄籽、蘋果籽、桃、李子、櫻桃，其果核中均含有氰化物[4]。

氰化物對(duì)人體的危害是眾所周知的，長(zhǎng)期以來，人們談“氰”色變，可見其毒性及危害之大。氰化物致人體中毒的傳播途徑主要是通過口、鼻及皮膚表面等被人體吸收，特別是從業(yè)人員，如在工作防護(hù)措施不當(dāng)很容易被氰中毒。其中毒癥狀，輕者有黏膜刺激，唇舌麻木頭痛、眩暈、無力、惡心、嘔吐、血壓上升等，重者呼吸困難，逐漸昏迷、抽搐、大小便失禁、血壓下降、迅速發(fā)生呼吸障礙而死亡。氰化物中毒機(jī)制，與氰根離子超強(qiáng)的配合能力有關(guān)，當(dāng)氰化物進(jìn)入人體內(nèi)釋放出氰根離子，氰根離子與細(xì)胞色素氧化酶的鐵(Ⅲ)結(jié)合，阻止氧化酶中鐵(Ⅲ)的還原，妨礙細(xì)胞正常呼吸，導(dǎo)致呼吸鏈中斷，造成組織缺氧，引起機(jī)體窒息而死亡[5-7]。氰化物在人體內(nèi)的半致死量為1.0 mg/kg,世界衛(wèi)生組織(WHO)規(guī)定，飲用水中氰離子的濃度必須低于1.9 μM[8]，因此，準(zhǔn)確、快速檢測(cè)出氰根離子，不僅對(duì)生命科學(xué)意義重大，同時(shí)對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)與保護(hù)也有非常重要的作用。

氰根離子檢測(cè)方法眾多，比如電化學(xué)、滴定分析、子色譜等[9，10]，但這些方法檢測(cè)耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，過程煩瑣，操作麻煩，對(duì)儀器精密度要求也較高。相比之下，比色傳感法具有操作簡(jiǎn)單、成本低、直接易于裸眼觀察被檢出，更受研究者們青睞[11，12]。本文基于前期的工作[13，14]，設(shè)計(jì)合成一種基于氫鍵作用可“裸眼”檢測(cè)CN-比色探針(合成路線如圖1所示)，進(jìn)一步功能化到普通試紙上，探討其與CN-比色作用機(jī)理，并應(yīng)用到CN-比色分析檢測(cè)。

圖1 目標(biāo)探針分子A的合成路線

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

實(shí)驗(yàn)所用的所有陰離子(CN-、F-、AcO-、H2PO4-、HSO4-、NO3-、 SCN-、ClO4-、Cl-、Br-和I-等)為四丁基銨鹽，分析純，購(gòu)買于阿拉丁試劑公司；光譜實(shí)驗(yàn)所用的乙腈為色譜純，DMSO為分析純，使用前經(jīng)過無水處理；其余均為國(guó)產(chǎn)分析純，直接使用；實(shí)驗(yàn)用水為純凈水。

1H NMR (400 MHz) 由Bruker AV400 MHz型核磁共振儀測(cè)得，溶劑為DMSO-d6，四甲基硅烷(TMS)為內(nèi)標(biāo)。紫外-可見光譜用Varian Cary300紫外-可見分光光度計(jì)測(cè)定(1 cm石英液池)。

1.2 紫外光譜滴定方法

將探針(A)及陰離子(四丁基銨鹽)分別配成8×10-3mol/L的DMSO溶液和1×10-2mol/L的CH3CN溶液作儲(chǔ)備液。

光譜測(cè)定在DMSO溶液中進(jìn)行，探針A的測(cè)試濃度恒定為4.0×10-4mol/L。測(cè)試時(shí)用移液管移取2 mL探針A溶液于1 cm石英液池中，用微量進(jìn)樣器逐漸加入不同體積的陰離子溶液并與探針A溶液混合均勻，加人陰離子的量不超過100微升。每加一次掃描光譜一次，直至光譜不再變化為止。記錄光譜數(shù)據(jù)，用Origin軟件繪圖。

1.3 探針(A)的合成與表征

中間體對(duì)硝基苯重氮鹽(1)5-(4-硝基苯基)呋喃-2-甲醛(2)參考文獻(xiàn)[15]的方法合成：取4.2 g(0.03 mol)對(duì)硝基苯胺于150 mL圓底燒瓶，依次加入10 mL濃鹽酸、30 mL水和1 0mL乙醇，使之完全溶解。另取6 g(0.087 mol)NaNO2溶于9 mL水，冰浴冷卻后，在攪拌條件下，緩慢滴加到對(duì)硝基苯胺鹽酸鹽中，反應(yīng)20 min得到橙紅色的重氮鹽(1)溶液。

準(zhǔn)確移取2.9 mL呋喃甲醛于20 mL丙酮中，在冰浴條件下緩慢滴加到上述重氮鹽溶液中，再加入3 mL含有0.8 g(0.0047 mol)氯化銅水溶液，室溫磁力攪拌反應(yīng)4 h，有土黃色沉淀生成，減壓抽濾，洗滌，用丙酮重結(jié)晶，得晶體2。

將2 mmol 中間體2和1 mmol 4-硝基苯肼分別溶于20 mL丙酮和20 mL乙醇中，充分混合后，再加入5 d醋酸和30 mL乙醇，置于80～85 ℃范圍內(nèi)油浴中回流反應(yīng)4 h。停止反應(yīng)，減壓蒸去部分溶劑，冷卻到室溫，有橙黃晶體沉淀析出。過濾，粗產(chǎn)物用丙酮和乙醇混合溶劑(體積比1∶1)重結(jié)晶，得針狀晶體A。1H NMR (,ppm, DMSO-d6): 10.52 (1H, s, NH), 9.7 (1H, s, N=CH), 8.35 (2H, d, Ar-H), 8.14 (2H, d, Ar-H), 7.90 (2H, d, Ar-H), 7.72 (2H, d, Ar), 7.590(1H, d, CH), 7.410 (1H, d, CH)。

2 結(jié)果討論

2.1 探針A的紫外可見光譜性能及其對(duì)CN-的響應(yīng)

分別測(cè)試了在有無陰離子存在下(CN-、F-、AcO-、H2PO4-、HSO4-、NO3-、 SCN-、ClO4-、Cl-、Br-和I-等)，目標(biāo)探針A 在DMSO溶劑中紫外-可見吸收光譜，如圖2a所示。在沒有陰離子存在下，探針A在350 nm處有較強(qiáng)吸收峰，摩爾吸光系數(shù)為40399.975 L·mol-1·cm-1，相關(guān)系數(shù)為0.9994。當(dāng)有陰離子如CN-、F-、AcO-、H2PO4-、HSO4-、NO3-、 SCN-、ClO4-、Cl-、Br-和I-存在下，除CN-外，探針A在350 nm處的吸光強(qiáng)度變化不大，且保持相同的峰型；但CN-存在下，不僅350 nm處的吸光強(qiáng)度大大降低，而且703 nm處出現(xiàn)新的吸收峰，同時(shí)溶液的顏色變成藍(lán)色(圖2c)，表明探針分子A與CN-發(fā)生了強(qiáng)烈的相互作用。化合物A可能是一種潛在的選擇性識(shí)別CN-的比色傳感器。

圖2 a) DMSO中不同陰離子存在時(shí)探針A的吸收光譜變化軌跡; b) DMSO中探針A加入CN-時(shí)的紫外吸收光譜圖; c) DMSO溶劑中陰離子存在下探針A的顯色反應(yīng); d) DMSO中不同濃度CN-對(duì)探針A的比色傳感圖([A]=4×10-4 mol/L [Anion]=8.0×10-4mol/L)

為進(jìn)一步確定探針A與待測(cè)CN-間的定量關(guān)系，我們進(jìn)行了紫外-可見光譜滴定實(shí)驗(yàn)(圖2b)。由圖2b可以看出，隨著CN-濃度的增加，探針A在350 nm處的吸收強(qiáng)度有規(guī)律地減弱并緩慢紅移，同時(shí)在703 nm新吸收峰的強(qiáng)度按比例增強(qiáng)(圖2b插圖)。尤其是隨著CN-濃度增加(從0.0 mol/L到1.9×10-2mol/L)，探針A溶液的顏色由淺黃色(近無色)變?yōu)樗{(lán)色(圖2d)，探針A可以作為裸眼檢測(cè)CN-比色探針，裸眼檢測(cè)限為10-5mol/L。

由圖2b的光譜滴定曲線，我們繪制了探針A在703 nm處吸光強(qiáng)度與CCN-間的定量關(guān)系，如圖3所示。由圖3可以看出，探針A在703 nm處吸光強(qiáng)度與CN-濃度之間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，CCN-的線性區(qū)間為0～5.0×10-4mol/L，線性方程為A703=141.81CCN-+0.00336 (×10-4mol/L)，相關(guān)系數(shù)(R)為0.9913。根據(jù)最低檢測(cè)限公式DL=Kδ/S，K取3，標(biāo)準(zhǔn)偏差δ=8.57×10-5(23次)，S=141.809，計(jì)算得到探針A對(duì)CN-濃度的最低檢出限(DL)為1.81×10-6mol/L，達(dá)到WHO規(guī)定飲水含CN-最高標(biāo)準(zhǔn)值，分析檢測(cè)CN-靈敏度較高。

圖3 探針A與[CN-]線性關(guān)系圖

2.2 可視性識(shí)別CN-比色試紙的制作

將中速定性濾紙裁剪成長(zhǎng)條狀并放在0.1 mol/L的鹽酸溶液中浸泡4小時(shí)后取出，用蒸餾水洗滌至中性，晾干后再將其放入濃度為2×10-3mol/L探針A的DMSO溶液中，浸泡一夜后取出晾干，得到淺黃色的試紙(如圖4所示)。在試紙上滴加濃度為1×10-3mol/L CN-標(biāo)準(zhǔn)溶液，試紙立即由淺淡黃色變?yōu)樯钏{(lán)色?？梢?，根據(jù)試紙的變色，探針A功能化普通試紙將為快速檢測(cè)環(huán)境中CN-提供又一便捷的比色新方法。

圖4 試紙A(左)及其CN-存在時(shí)試紙(右)顏色變化

2.3 探針A比色識(shí)別CN-的機(jī)理探討

為弄清探針A比色識(shí)別CN-的機(jī)理，我們向藍(lán)色的A與CN-共存DMSO溶液加入少量的質(zhì)子性溶劑甲醇，發(fā)現(xiàn)隨甲醇加入量的遞增，溶液藍(lán)色逐漸褪去，且在703 nm 處吸收峰減弱并逐漸消失，而350 nm 處的吸收峰逐漸增強(qiáng)并恢復(fù)至未加入氰離子時(shí)的強(qiáng)度；這是由于甲醇分子與氰離子競(jìng)爭(zhēng)探針A分子中的氫鍵結(jié)合位點(diǎn)所致，表明探針A分子與氰離子間的作用本質(zhì)可能為氫鍵作用[13]。

用等摩爾連續(xù)變化法[16](P613-615)測(cè)定CN-受體與探針A主體的結(jié)合比，即將探針A與CN-的總濃度恒定在5×10-5mol/L，改變CN-與探針A濃度分?jǐn)?shù)，記錄混合液在703 nm處吸光度的變化值[10]。以吸光度為縱坐標(biāo)，以[CN-]/[A]+ [CN-]比值為橫坐標(biāo)作圖，得到探針A與CN-的Job曲線(圖5)，由圖可計(jì)算得到探針A與CN-作用的結(jié)合化學(xué)計(jì)量比為1∶1，其結(jié)合模式可能為如圖5插圖所示。

圖5 探針A與CN-作用的Job曲線(總濃度為5×10-5mol/L)；插圖為探針A與CN-可能結(jié)合模式

將光譜滴定曲線(圖2b)進(jìn)行非線性擬合[17]得到圖6。由圖6可得：探針A在DMSO溶劑中與CN-的結(jié)合常數(shù)K為2.73×103，相關(guān)系數(shù)為0.99245。探針A與CN-較大的結(jié)合常數(shù)，證明了探針A對(duì)CN-較強(qiáng)的選擇性識(shí)別能力。

圖6 探針A與CN-濃度之間非線性擬合曲線

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)合成一種選擇性識(shí)別CN-的比色探針A及其功能化普通試紙，CN-存在下，不僅A溶液及其功能化試紙的顏色由淺黃色變?yōu)樯钏{(lán)色，其溶液在703 nm處吸光度與在0～5.0×10-4mol/L CN-濃度范圍內(nèi)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，檢出限達(dá)1.8×10-6mol/L，滿足國(guó)際衛(wèi)生組織(WHO)規(guī)定飲水中CN-濃度最高值小于1.9 μM的健康標(biāo)準(zhǔn)?！奥阊邸弊R(shí)別CN-最低檢測(cè)濃度可達(dá)到10-5mol/L(功能化普通試紙的最低可檢測(cè)濃度為10-3mol/L)，其他陰離子對(duì)CN-識(shí)別無干擾。機(jī)理研究證明了CN-之間作用本質(zhì)為氫鍵配位，結(jié)合比為1∶1，結(jié)合常數(shù)為2.7×103mol-1/L。本工作識(shí)別CN-，具有快速、便捷，現(xiàn)象直觀等特點(diǎn)，可為設(shè)計(jì)高效CN-傳感器的構(gòu)筑提供有益實(shí)驗(yàn)及理論依據(jù)。