雙極四齒配體的合成及其超分子聚合物共振光散射法測(cè)定錳

酈志陽(yáng)，蘇昌霖，廖力夫，肖錫林

(1.南華大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001；2.南華大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001)

錳(Mn)是生物機(jī)體必需的微量元素之一，也是若干生物酶不可或缺的重要組成部分。但錳過(guò)量會(huì)導(dǎo)致中毒、塵肺、甚至死亡，因此建立一種快速有效檢測(cè)錳離子的新方法對(duì)生命活動(dòng)具有重要意義。共振光散射(Resonance light scattering，RLS)是指發(fā)射光與分子吸收帶相近或相等時(shí)，散射頻率與電子吸收頻率相同，電子發(fā)生共振，進(jìn)而再次散射的過(guò)程。通過(guò)吸收-再散射這一過(guò)程，體系RLS強(qiáng)度急劇增大，不同于瑞利(Rayleigh)散射和丁達(dá)爾(Tyndall)散射，且散射強(qiáng)度與發(fā)射波長(zhǎng)的4次方不成反比關(guān)系?；谶@些性質(zhì)，共振光散射技術(shù)是一種基于分子體積增大、散射強(qiáng)度與溶液的濃度呈線性關(guān)系、能進(jìn)行定量分析的光譜檢測(cè)技術(shù)。該方法僅需在熒光光譜儀上設(shè)置通帶寬度、相等的激發(fā)波長(zhǎng)和發(fā)射波長(zhǎng)等參數(shù)，進(jìn)行同步掃描即可[16-18]。相對(duì)于目前已經(jīng)發(fā)展的原子發(fā)射光譜法[19]、紫外可見光光譜法[20]、化學(xué)發(fā)光法[21]和熒光光譜法[22]等測(cè)定錳的分析方法，共振光散射法具有更寬的檢測(cè)范圍，而且具有操作簡(jiǎn)便、低成本、高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)[23-24]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

3,3′-二氨基聯(lián)苯胺、水楊醛、四水合硝酸錳、二甲基亞砜(DMSO)、乙醇均為分析純；實(shí)驗(yàn)用水為二次蒸餾水。

IR Prestige-21傅立葉變換紅外光譜儀(日本島津公司)；Bruker 400 MHz NMR核磁譜儀(瑞士布魯克公司)；UV-3900紫外-可見分光光度計(jì)、Hitachi F-7000熒光光譜儀(日本日立公司)；Flash EA 1112元素分析儀(美國(guó)熱電公司)；PHS-3C型精密酸度計(jì)(上海雷磁儀器廠)。

1.2 配體合成及超分子自組裝

配體合成：將1.220 g(10 mmol)水楊醛和0.535 g(2.5 mmol) 3,3′-二氨基聯(lián)苯胺分別溶解于25 mL無(wú)水甲醇中，再加入2～3滴冰乙酸作催化劑，在50 ℃下充分反應(yīng)6 h。隨后冷卻到室溫，過(guò)濾，得黃色固體，將黃色固體用無(wú)水乙醇重結(jié)晶，再真空干燥，即得到純產(chǎn)物Bis-salophen(1.358 g,收率86%)。

自組裝反應(yīng)：稱取0.630 g(1 mmol) Bis-salophen，溶解在含有10%(體積分?jǐn)?shù))的DMSO水溶液中，配成濃度為50 nmol/mL的溶液；稱取0.214 g(1 mmol)3,3′-二氨基聯(lián)苯胺溶解在含有10%(體積分?jǐn)?shù))的DMSO的水溶液中，配成濃度為50 nmol/mL的溶液；稱取0.251 g(1 mmol)四水合硝酸錳溶解在二次蒸餾水中，配成濃度為10 nmol/mL的溶液。在10 mL比色管中加入1 mL 50 nmol/mL Bis-salophen溶液和1 mL 50 nmol/mL 3,3′-二氨基聯(lián)苯胺溶液，再加入1 mL Tris-HCl緩沖溶液，以不同體積的10 nmol/mL錳離子溶液稀釋至10 mL，再孵化30 min，即得不同濃度的錳配位的超分子聚合物溶液。

1.3 Bis-salophen的結(jié)構(gòu)表征

1.3.1 元素分析利用元素分析儀對(duì)產(chǎn)物Bis-salophen中C、H、O、N 4種元素進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而初步分析其組成，并推斷出化學(xué)組成最簡(jiǎn)式。

1.3.2 紅外光譜分析通過(guò)壓片法和基線掃描，利用傅立葉紅外光譜儀在400～4 000 cm-1范圍內(nèi)掃描，確定其主要特征官能團(tuán)，并結(jié)合數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1.3.3 核磁共振氫譜分析利用Bruker 400 MHz NMR核磁共振氫譜儀得到Bis-salophen的核磁共振氫譜圖，并結(jié)合元素分析和紅外光譜圖，推理出該化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)及構(gòu)成。

1.4 Bis-salophen自組裝的條件優(yōu)化

在10 mL比色管中加入1 mL 50 nmol/mL Bis-salophen溶液、1 mL 50 nmol/mL 3,3′-二氨基聯(lián)苯胺溶液和1 mL 50 nmol/mL硝酸錳溶液，利用熒光光譜儀進(jìn)行共振光散射同步掃描，考察不同酸度、反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)溫度對(duì)體系RLS強(qiáng)度的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)原理及檢測(cè)機(jī)理

Bis-salophen的合成及超分子自組裝示意圖見圖1。由圖可知，配體Bis-salophen是一種雙極四齒席夫堿，它具有兩個(gè)N2O2型四齒空腔，一分子Bis-salophen可與兩分子錳離子反應(yīng)生成雙核配合物。錳離子與Bis-salophen螯合后，剩余的配位點(diǎn)可進(jìn)一步與3,3′-二氨基聯(lián)苯胺發(fā)生自組裝反應(yīng)，形成錳配位的超分子聚合物。由于體系中聚合物的生成，分子體積增大，導(dǎo)致強(qiáng)烈的共振光散射。研究表明，當(dāng)體系中不存在錳離子時(shí)，體系的RLS強(qiáng)度很小；隨著錳離子濃度不斷增加，體系的RLS強(qiáng)度也隨之增大。由此可見，分子體積和濃度是影響RLS強(qiáng)度的兩個(gè)重要因素。表明該方法可用于錳離子的分析檢測(cè)。

圖1 Bis-salophen的合成及超分子自組裝示意圖Fig.1 Synthesis and supramolecular self-assembly of bis-salophen

2.2 Bis-salophen的結(jié)構(gòu)表征

2.2.1 Bis-salophen的元素分析配體Bis-salophen的元素分析結(jié)果見表1。由表中數(shù)據(jù)可知，C、H、O、N的質(zhì)量分?jǐn)?shù)實(shí)驗(yàn)值和理論值基本一致，可初步證明產(chǎn)物為目標(biāo)產(chǎn)物，分子式推斷其為C40H30O4N4。

表1 Bis-salophen的元素分析(%)Table 1 Elemental analysis of bis-salophen(%)

圖2 Bis-salophen的紅外光譜圖Fig.2 IR spectrum of bis-salophen

圖3 Bis-salophen的核磁共振氫譜圖Fig.3 1H NMR spectrum of bis-salophen

圖4 錳形態(tài)隨pH值的分布Fig.4 Distribution of manganese speciation with pH value

圖5 體系RLS光譜圖Fig.5 RLS spectra of the systema:Mn2+(5 nmol/mL);b:3,3′-diaminobenzidine(5 nmol/mL);c:bis-salophen solution 5 nmol/mL;d-j:b+c+Mn2+(Mn2+=0.4,1.0,2.0,3.0,4.0,5.0,6.0 nmol/mL);insert:calibration curve

2.3 自組裝條件優(yōu)化

在其他變量相同的條件下，考察不同酸度對(duì)體系RLS強(qiáng)度的影響。結(jié)果顯示，RLS強(qiáng)度隨pH值增大呈先增大后減小的趨勢(shì)，在pH 7.0～8.0范圍內(nèi)達(dá)到最大，表明該自組裝反應(yīng)需在中性條件下進(jìn)行。由于不同的緩沖溶液有不同的緩沖范圍，因此本實(shí)驗(yàn)采用pH 7.5的Tris-HCl緩沖溶液來(lái)調(diào)節(jié)溶液的酸度，用量為1 mL。

2.3.2 反應(yīng)時(shí)間的影響體系共振光散射強(qiáng)度隨著反應(yīng)時(shí)間的增大而增大，在15 min后達(dá)到最大，此后基本保持不變。表明Bis-salophen、3,3′-二氨基聯(lián)苯胺與錳離子的自組裝反應(yīng)可在15 min后達(dá)到飽和狀態(tài)，因此，實(shí)驗(yàn)選擇在自組裝15 min后進(jìn)行測(cè)定。

2.3.3 反應(yīng)溫度的影響實(shí)驗(yàn)通過(guò)在不同溫度下檢測(cè)共振光散射強(qiáng)度，考察反應(yīng)溫度的影響。結(jié)果顯示，體系RLS強(qiáng)度隨溫度的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)反應(yīng)溫度為15～25 ℃時(shí)，RLS強(qiáng)度最大。這是由于該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，隨著溫度升高，平衡向正向進(jìn)行，低溫下自組裝能力下降；而高溫下客體配體3,3′-二氨基聯(lián)苯胺易發(fā)生氧化反應(yīng)，導(dǎo)致配位能力下降，因此實(shí)驗(yàn)選擇反應(yīng)溫度為20 ℃。

2.4 抗干擾實(shí)驗(yàn)

2.5 光譜特征、標(biāo)準(zhǔn)曲線與檢出限

RLS光譜圖見圖5，由圖可知，隨著錳離子濃度逐漸增大，體系的RLS強(qiáng)度也隨之增大，且錳離子濃度在0.4～6.0 nmol/mL范圍內(nèi)，共振光散射強(qiáng)度(IRLS)與Mn2+濃度(c)呈良好的線性關(guān)系，線性方程為IRLS=270.64c(nmol/mL)+1 530.21，相關(guān)系數(shù)(r)為0.999 4。根據(jù)公式LOD=3Sb/m(其中Sb為空白標(biāo)準(zhǔn)偏差，m為工作曲線的斜率)計(jì)算得該方法的檢出限(LOD)為0.13 nmol/mL。比電感耦合等離子原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)[25]具有更低的檢出限，靈敏度更高。

2.6 實(shí)際樣品測(cè)定及回收率

采集湘江水樣(稀釋10倍)、生活用水和蒸餾水在優(yōu)化條件下測(cè)定。首先通過(guò)預(yù)處理，將樣品的pH值調(diào)至近中性，再加入二巰基丙醇和F-溶液，利用共振光散射法進(jìn)行測(cè)定，并進(jìn)行錳離子不同梯度的加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)[26]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，樣品的回收率為98.5%～103%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)低于5%。表明該方法能很好地檢測(cè)實(shí)際樣品中的錳離子，且具有良好的回收率。

表2 實(shí)際樣品分析(n=6)Table 2 Analysis of real samples(n=6)

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3 結(jié) 論

本研究采用水楊醛和3,3′-二氨基聯(lián)苯胺合成雙極四齒主體配體Bis-salophen，再利用3,3′-二氨基聯(lián)苯胺作為客體配體，通過(guò)共振光散射技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)錳離子的檢測(cè)。該方法具有操作簡(jiǎn)便、靈敏度高、檢測(cè)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，并成功應(yīng)用于湘江水樣和生活用水中錳離子的檢測(cè)，為其他金屬離子的痕量檢測(cè)提供了新的思路和方法。