5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉(TCPP)檢測水體痕量Hg2+的研究

呂向菲，呂東，Muhammad Asim Shahzad，王家宏，常江峰，李婷

(1.長安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2．陜西科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710021； 3.國家科技大學(xué)，巴基斯坦伊斯蘭堡 999010)

汞離子具有持久性、易遷移性、高毒性和強(qiáng)生物富集性，進(jìn)入水體環(huán)境后借助微生物作用可形成劇毒的有機(jī)汞(例如：甲基汞)，嚴(yán)重危害人類健康[1]。美國國家環(huán)境保護(hù)局規(guī)定飲用水中無機(jī)汞的最高濃度為2 μg/L[2]； ROHS表明歐盟自2006年起投放歐盟市場的電子電器設(shè)備中不得含有汞[3]；我國對生活飲用水中總汞含量規(guī)定必須小于0.001 mg/L[4]。國務(wù)院《“十三五”生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》中提出加強(qiáng)汞污染控制[5]。2017年9月23日至29日《關(guān)于汞的水俁公約》第一次締約方大會在瑞士日內(nèi)瓦召開，會議提出要嚴(yán)格控制汞和汞化合物向水中釋放[6]。因此，水體汞離子的超靈敏和高選擇性檢測對于深入認(rèn)識汞的分布特點(diǎn)及轉(zhuǎn)換過程，構(gòu)筑汞污染的預(yù)警體系具有重要意義。

在各種檢測技術(shù)中，傳統(tǒng)的汞離子檢測方法普遍存在缺陷[7]。熒光探針檢測法具有便捷、靈敏度高、樣品無損、高效篩選及可進(jìn)行實(shí)時、原位檢測等優(yōu)點(diǎn)，成為水中汞離子檢測的熱點(diǎn)研究方法[8-9]。該技術(shù)的關(guān)鍵是設(shè)計、合成高選擇性和靈敏性的熒光探針分子。卟啉分子含18 π電子的共軛平面，在400～500 nm具有較大的吸光系數(shù)，除具有熒光探針的普遍優(yōu)點(diǎn)外，卟啉環(huán)外圍有多個取代位點(diǎn)，通過不同功能側(cè)鏈取代基的引入，實(shí)現(xiàn)汞離子的熒光檢測[10]。目前，大部分的汞離子熒光探針在水溶性方面多數(shù)使用混合溶劑或緩沖溶液，其水溶性與熒光檢測性之間難以統(tǒng)一協(xié)調(diào)。

5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉作為一種常見的卟啉化合物，合成方法成熟，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且具有較強(qiáng)的極性，可保證其在水體的溶解性，且卟啉環(huán)及外圍羧基取代基都可為Hg2+提供多個結(jié)合位點(diǎn)，有效提高探針對Hg2+的檢測特性。因此，該探針用于檢測水體中的痕量Hg2+對降低檢測成本，提高檢測效率具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

4-甲酰基苯甲酸(98%)；吡咯(新蒸)，化學(xué)純；無水乙醇、甲醇、其它藥品均為分析純。

VECTOR-22紅外光譜儀；FU2600紫外光譜儀；愛丁堡FS5熒光光譜儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 TCPP的合成與純化 使用Alder[11]法合成該物質(zhì)，稱取4-甲?；郊姿?0.82 g(0.072 07 mol)，用50 mL丙酸溶解后轉(zhuǎn)移至三口燒瓶中。油浴加熱溶液至丙酸回流溫度(約130 ℃)，通N2保護(hù)30 min，然后加入與4-甲?；郊姿岬饶柕倪量?，避光反應(yīng)2 h。反應(yīng)結(jié)束后蒸掉1/3的丙酸，加入適量等體積的乙醇與水，冷藏24 h后抽濾，得5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉粗品。用乙醇洗滌、多次重結(jié)晶后，再次用甲醇重結(jié)晶得到紫色晶體1.2 g，產(chǎn)率為8.4%。

1.2.2 TCPP熒光探針檢測水體Hg2+熒光探針具有靈敏度高的特點(diǎn)，即使是微小的環(huán)境變化也可能會對其熒光強(qiáng)度產(chǎn)生影響。因而，確定最適宜的測試條件對卟啉探針的應(yīng)用顯得十分重要。為此，我們通過實(shí)驗(yàn)對該探針的選擇性、靈敏度、pH穩(wěn)定性、時間穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，確定了該探針用于檢測水體Hg2+的最佳條件。

(1)儲備液的配制

以乙醇為溶劑，配制1×10-4mol/L的卟啉儲備液，避光冷藏；用純水配制25 mL濃度為1×10-2mol/L的Hg2+儲備液(加入500 μL濃度為1 mol/L鹽酸防止水解)；用乙醇與水體積比1∶1的混合溶劑配制pH=6的CH3COOH-CH3COONa緩沖液，室溫下保存。

(2)熒光光譜儀的測試條件

所有熒光測試的最大激發(fā)波長為427 nm，最大發(fā)射波長為580 nm，掃描速度為0.1 nm/s，狹縫寬度分別為1.5，1.8 nm。

(3)TCPP熒光探針的選擇性檢測

以CH3COOH-CH3COONa緩沖液為基礎(chǔ)，配制濃度為1×10-4mol/L的K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Ni2+、Co2+、Mn2+、Zn2+、Cu2+、Fe2+、Ag+、Hg2+離子溶液。用1 mol/L的鹽酸和1 mol/L氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH為7，在反應(yīng)時間為15 min，卟啉濃度為1×10-5mol/L，金屬離子濃度為20 μmol/L的條件下，分別測定體系的熒光強(qiáng)度。

(4)TCPP熒光探針的靈敏度檢測

在相同熒光測試條件下，調(diào)節(jié)pH為7，卟啉濃度為 1×10-5mol/L，分別測定Hg2+濃度為0，0.5，0.7，1，3，5，7，10，20，30，40，50 μmol/L時體系的熒光強(qiáng)度。

(5)TCPP熒光探針的pH穩(wěn)定性檢測

以pH=6的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液為基礎(chǔ)，用1 mol/L的鹽酸和1 mol/L氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH在2～10內(nèi)變化。在反應(yīng)時間為15 min，Hg2+濃度為5×10-5mol/L，卟啉濃度為10-5mol/L的體系下檢測各pH條件下的TCPP-Hg2+體系熒光特性。

(6)TCPP熒光探針的時間穩(wěn)定性檢測

在pH為7，卟啉濃度為1×10-5mol/L，Hg2+濃度為 5×10-5mol/L的條件下，分別測定熒光體系在10，15，20，5，30，35 min時的熒光強(qiáng)度，比較熒光強(qiáng)度與反應(yīng)時間的關(guān)系。

2 結(jié)果與討論

2.1 TCPP的合成與性能測試

2.1.1 紅外光譜 采用KBr壓片法對5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉的結(jié)構(gòu)進(jìn)行測定，表征結(jié)果見圖1。

圖1 TCPP的紅外光譜Fig.1 IR spectra of TCPP

2.1.2 紫外光譜 以乙醇為溶劑，配制濃度為5×10-5mol/L的TCPP溶液進(jìn)行紫外檢測。

卟啉類化合物均有兩個主要吸收帶，400～500 nm范圍內(nèi)的B(Soret)帶，它主要表示卟啉環(huán)的特征吸收特性。500～700 nm的為Q帶，其主要是卟啉環(huán)共軛體系π-π*躍遷產(chǎn)生的吸收帶[12]。由圖2可知，5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉的Soret帶波長為416 nm，Q帶波長分別為512，546，590，645 nm。

圖2 TCPP的紫外光譜Fig.2 UV spectra of TCPP

2.1.3 熒光光譜 以乙醇為溶劑，配制濃度為5×10-5mol/L的TCPP溶液進(jìn)行熒光檢測，結(jié)果見圖3。5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉的較強(qiáng)發(fā)射峰在652 nm處，較弱的發(fā)射峰在719 nm處。在溶液中加入Hg2+后，顏色明顯變黃，體系發(fā)生藍(lán)移現(xiàn)象，在607 nm處出現(xiàn)一個較弱特征峰。因此，該探針可用于鑒別水體中的Hg2+。

圖3 卟啉的熒光譜圖Fig.3 Fluorescence spectra of TCPP

2.2 TCPP熒光探針檢測水體Hg2+

2.2.1 選擇性測試 分析各金屬離子對卟啉體系熒光強(qiáng)度變化的影響可得，除Cu離子對5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉有較小影響(可忽略不計)，該探針不與水體中的K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe2+等常見離子反應(yīng)。因此，該探針在水體中的Hg2+檢測中具有較大應(yīng)用價值。

圖4 TCPP檢測離子選擇性熒光圖Fig.4 TCPP detection of ion-selective fluorescence histogram

2.2.2 靈敏度測試 在波長為652 nm處，卟啉濃度為 1×10-6～5×10-5mol/L時，體系熒光強(qiáng)度隨Hg2+的變化滿足函數(shù)y=p1×exp(-x/p2)+p3+p4×x(p1=6.22×105，p2=5.04×10-6，p3=1.37×105，p4=-1.68×109)，R2=0.999。且該探針的檢出限為2×10-8mol/L，滿足我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的檢測限制的要求。

圖5 652 nm波長下濃度-熒光強(qiáng)度的關(guān)系圖Fig.5 The relation diagram of concentration-fluorescence intensity at 652 nm wavelength

2.2.3 TCPP-Hg2+體系最佳pH的確定 通過對不同pH條件下5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉-Hg2+體系熒光特性比較得出，當(dāng)pH為2時5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉-Hg2+體系的熒光譜圖異常，造成該現(xiàn)象的原因?yàn)樵趶?qiáng)酸性條件下，卟啉質(zhì)子化導(dǎo)致其性質(zhì)發(fā)生變化。當(dāng)pH為9或10時，卟啉的 —COOH與 —OH反應(yīng)，破壞了體系中卟啉的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其熒光強(qiáng)度減弱。對比各pH條件下的猝滅強(qiáng)度得出，在pH為7時，體系熒光猝滅效應(yīng)最為明顯。因此，當(dāng)pH在7附近時，5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉與Hg2+體系的反應(yīng)條件最佳。

圖6 不同pH 條件下TCPP-Hg2+體系熒光效應(yīng)Fig.6 Fluorescence effect diagram of TCPP-Hg2+ system under different pH conditions

2.2.4 TCPP-Hg2+體系時間穩(wěn)定性檢測 分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉-Hg2+體系具有較好的時間穩(wěn)定性，該體系可快速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)且在35 min內(nèi)體系保持相對穩(wěn)定，滿足檢測時間需要。實(shí)驗(yàn)中偶然發(fā)現(xiàn)，將TCPP-Hg2+體系長時間放置(2～3 d)，溶液顏色會由加入Hg2+后的顏色(黃綠色)褪色為TCPP溶液的顏色(粉紅色)。具體原因我們將進(jìn)一步分析研究。

圖7 TCPP-Hg2+體系時間穩(wěn)定性圖Fig.7 TCPP-Hg2+ system time stability

3 結(jié)論

通過對5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉熒光特性的研究發(fā)現(xiàn)，該探針在用于水體Hg2+的檢測中具有熒光效應(yīng)變化明顯(肉眼可見)，不易受水體中其他常見金屬離子干擾，對Hg2+具有良好的選擇性的優(yōu)點(diǎn)。Hg2+檢測時檢出限為1×10-6mol/L，Hg2+變化對體系熒光強(qiáng)度的影響滿足指數(shù)函數(shù)關(guān)系。因此，5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉可作為一種快速、便捷、有效的方法用于檢測水體中的Hg2+。

由于實(shí)際水體環(huán)境狀況復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中，未知影響因素可能會對5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉-Hg2+體系熒光變化產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致檢測結(jié)果出現(xiàn)誤差。為此，在下一步的研究中，我們將通過類比法、控制變量法對該檢測方法的可靠性進(jìn)行研究。以實(shí)際水體為檢測背景，分別使用該檢測法與現(xiàn)有Hg2+檢測方法(冷原子發(fā)射光譜法或電感耦合離子法等)對實(shí)際污染水體進(jìn)行測定，得出該探針用于測試實(shí)際水體時的其它各項條件及參數(shù)，以使得5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉可作為一種更為可靠的探針用于水體中Hg2+的檢測。