溫度/4-硝基苯酚敏感型聚合物熒光探針的合成與性能分析

馬祥梅 馬 靜 王 斌 何苗苗 胡勁松

1（安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院 淮南232001）

2（安徽世華化工有限公司 六安237400）

芳香族硝基苯類化合物是工業(yè)廢水中常見的污染組分，具有危害性大、穩(wěn)定性高、生物毒性強等特點［1］，即使含量很低，也可能對人類造成嚴重且不可逆轉(zhuǎn)的損害［2］。迅速準(zhǔn)確地測定廢水中的有害污染物對于保護水資源和國民經(jīng)濟的發(fā)展具有重要意義，快速、靈敏地識別污染組分中的目標(biāo)分子是檢測的關(guān)鍵［3-4］。常用的檢測有機化合物分子的方法有原子吸收光譜法、氣相色譜法和高效液相色譜法等，但在實際應(yīng)用中以上方法均存在設(shè)備昂貴［5-6］、操作麻煩且耗時等問題。氣相色譜法和高效液相色譜法由于色譜柱或檢測器對水分子非常敏感，不能直接用于水介質(zhì)的檢測。熒光檢測具有選擇性高、簡單、快速、無破壞性和高靈敏度等優(yōu)點［7-8］。而在實際應(yīng)用中，小分子熒光化合物由于水溶性較差、難于原位定點成像［9-10］、易脫落、與基料相溶性不好、儀器穩(wěn)定性較差等因素在水體檢測領(lǐng)域的應(yīng)用受到嚴重制約［11-13］。熒光聚合物是把小分子熒光基團以化學(xué)鍵結(jié)合的形式引入到聚合物中，與小分子熒光化學(xué)傳感器相比，具有含量穩(wěn)定、分布均勻且不易脫落、選擇性高和靈敏度高等優(yōu)點［14-15］。因此，帶有熒光基團的水溶性聚合物作為熒光傳感器的設(shè)計和構(gòu)建一直是人們關(guān)注的焦點［16］。由于絕大多數(shù)聚合物以及聚合物制成的材料都不溶于水，從而在很大程度上限制了其在熒光檢測領(lǐng)域的應(yīng)用。水溶性熒光聚合物實現(xiàn)了在水溶液中進行熒光檢測的目的，很大程度上拓寬了聚合物的應(yīng)用范圍。

近年來含砜基的材料引起人們的廣泛興趣，一些基于二苯砜衍生物的材料可以作為主體材料、電子傳輸材料和熒光材料等，例如該材料可以被用于制作高效OLEDs 基來增強熒光［17-18］。N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM）和丙烯酰（AM）單元不僅對溫度變化有快速地響應(yīng)而且能達到人體的低臨界溶解溫度（LCST），使用NIPAM 作為高分子聚合單體，不僅來源廣泛，價廉易得，能夠很好地節(jié)約成本，而且聚合物極易溶于水，具有很好的溫度敏感性［19-20］。

本文以NIPAM 和AM 為水溶性單體，與自制的熒光單體4，4′-二（甲基）丙烯酰氧基二苯砜進行三元共聚反應(yīng)，得到一種高靈敏性、高選擇性的溫度/4-硝基苯酚敏感型聚合物熒光響應(yīng)化學(xué)傳感器。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

4，4'-二羥基二苯砜、三乙胺、甲基丙烯酰氯、偶氮二異丁腈（AIBN）、AM 和NIPAM 購于阿拉丁試劑（上海）有限公司，分析純；AIBN 和NIPAM 分別使用乙醇和正己烷重結(jié)晶后使用；蒸餾水實驗室自制。

Hitachi F-4600熒光光譜儀；Bruker400 MHz核磁共振儀；FTIR-NICOLET-380傅里葉變換紅外光譜儀。

1.2 方法

熒光聚合物聚（BSA-co-AM-co-NIPAM）（PBAN）以二苯砜為熒光信號基團，具體的合成路線如式（1）所示。

1.2.1 熒光單體4,4′-二（甲基）丙烯酰氧基二苯砜（BAS）單體合成

將2.5 g 4, 4′-二羥基二苯砜、5 mL 三乙胺和30 mL 四氫呋喃（THF）依次加入50 mL 圓底燒瓶中，攪拌使其完全溶解。冰水浴下，將3 mL 甲基丙烯酰氯緩慢滴加至燒瓶內(nèi)，室溫下攪拌12 h，過濾除去沉淀，濾液經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去溶劑后加入大量蒸餾水，室溫放置24 h，過濾，50 ℃下干燥2 h，得到的白色固體用無水乙醇重結(jié)晶，干燥，收率94%。

1.2.2 聚合物PBAN的合成

100 mL 三口燒瓶在攪拌條件下加入1.7 g（0.015 mol） NIPAM、2.5 g （0.035 mol） AM、0.1 g （0.35 mmol）單體BSA和45 mL溶劑四氫呋喃并攪拌，再稱取0.04 g 的AIBN 使其完全溶于5 mL四氫呋喃后加入上述三口燒瓶中，在N2保護下加熱至65 ℃并保溫反應(yīng)24 h，冷卻至室溫后，倒入乙醚生成沉淀除去未反應(yīng)的單體，產(chǎn)物溶于少量的四氫呋喃并再次在乙醚中沉淀，該步驟重復(fù)2次以完全除去未反應(yīng)的單體，收率82%。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅外光譜分析

為了確定熒光單體BAS 及聚合物PBAN 的結(jié)構(gòu)，對其進行了紅外光譜測試（圖1）。

圖1 單體BAS和PBAN的紅外光譜Fig.1 FTIR spectra for monomer BAS and PBAN

熒光單體的紅外譜圖中1 740 cm-1處為酯基中C=O 的伸縮振動峰；1 450～1 650 cm-1歸屬于苯環(huán)骨架的特征峰；1 210 cm-1、1 160 cm-1、1 120 cm-1歸屬于S=O 的特征吸收峰；而與AM 和NIPAM 聚合后，由于熒光單體BAS 的含量很少，苯環(huán)骨架和S=O的特征峰幾乎消失；聚合物PBAN 譜圖中1 666 cm-1處出現(xiàn)的較強吸收為羰基的特征吸收峰，對應(yīng)于酰胺I （C=O 伸縮振動）峰；2 968 cm-1處出現(xiàn)了歸屬于NIPAM中異丙基上甲基C?H的伸縮振動峰；在1 630 cm-1附近沒有強的C=C 吸收峰，表明聚合物中無烯烴單體殘留。這些特征峰的同時出現(xiàn)初步證明了聚合產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)。

2.2 核磁共振氫譜分析

圖2是聚合物PBAN的核磁共振氫譜（400 MHz，D2O，δ）：3.64和3.85 處出現(xiàn)的峰分別歸屬于異丙基結(jié)構(gòu)中的亞甲基和甲基的化學(xué)位移，1.60和1.82處出現(xiàn)的峰分別歸屬于鏈段上亞甲基和次甲基的化學(xué)位移。聚合物中二苯砜功能化單體由于含量太少，圖2中沒有出現(xiàn)苯環(huán)上質(zhì)子的化學(xué)位移，也沒有雙鍵碳上質(zhì)子的信號出現(xiàn)，進一步說明了聚合物的成功合成。

圖2 PBAN的核磁共振氫譜Fig.2 1H-NMR spectrum of PBAN

2.3 共聚物PBAN的熒光性質(zhì)

2.3.1 溫度對PBAN水溶液熒光性能的影響

圖3為水溶性熒光聚合物在不同溫度的熒光光譜，由圖3可看到明顯的熒光發(fā)射峰。在測試的溫度范圍內(nèi)，溫度升高熒光強度減弱，只有發(fā)生相轉(zhuǎn)變時（溫度30～32 ℃），其熒光強度明顯變?nèi)酢．?dāng)溫度達到低臨界溶解溫度（LCST）時，其微環(huán)境由極性轉(zhuǎn)變?yōu)榉菢O性，聚合物在溶液中由伸展的線團結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫o密的球狀結(jié)構(gòu)，熒光表現(xiàn)為突變，表明聚合物此時發(fā)生了由親水至疏水的相轉(zhuǎn)變。聚合物的LCST和文獻中報道的PNIPAM的LCST有很好的一致性［21］，這是因為雖然聚合物體系中引入了AM基團，但并沒有使聚合物的活動性及溶解性有所下降，同時熒光基團二苯砜的含量極低，影響很小。

圖3 PBAN水溶液熒光強度隨溫度的變化Fig.3 Fluorescence intensity changes recorded for PBAN at varying temperatures

2.3.2 芳香族硝基化合物的熒光性能

為了研究共聚物PBAN對芳香族硝基化合物的識別性能，以水為溶劑，在環(huán)境溫度下檢測它們的熒光傳感性能。在等體積的水溶液中分別加入4-硝基甲苯（4-NT）、2，6-二硝基甲苯（2，6-DNT）、三硝基甲苯（TNT）、2，4-二硝基甲苯（2，4-DNT）、對硝基苯酚（4-NP）、鄰硝基苯酚（2-NP）、硝基苯（NB）、2-硝基甲苯（2-NT）和三硝基苯酚（TNP）并使?jié)舛认嗟?，結(jié)果如圖4 所示。僅4-NP 使傳感器的熒光圖譜有明顯的猝滅現(xiàn)象，其他的NACs 對熒光強度影響很小，即使4-NP 的濃度很小，熒光強度也被明顯猝滅。表明PBAN對4-NP具有較高的選擇性（圖4（a））。

圖4 PBAN與不同NACs在293 nm處的熒光發(fā)射強度(a)；PBAN與4-NP的熒光滴定圖(b)；PBAN加入4-NP的熒光淬滅圖(c)；PBAN與不同濃度4-NP的S–V圖(d)(彩色見網(wǎng)絡(luò)版)Fig.4 Fluorescence intensity changes of PBAN in the presence of different NACs(a);fluorescence spectra of PBAN with different amounts of 4-NP(b);quenching percentages of 4-NP(c);S–V plot of PBAN in different concentrations of 4-NP(d)(color online)

為了進一步研究PBAN 對4-NP 的檢測靈敏度，用熒光滴定法測定了PBAN 對4-NP的最低檢測限（LOD）。如圖4（b）所示，10-4mol/L 的4-NP溶液對2 mL PBAN水溶液（1 g/L）進行滴定實驗，結(jié)果表明體系熒光強度隨4-NP 濃度的增加而顯著減弱。當(dāng)4-NP加入量達到250 μL時，體系的熒光強度達到最小值，相對于未加4-NP 時出現(xiàn)了極大的變化（圖4（c））。通過Sterne-Volmer方程（I0/I）-1=KSV［Q］（I0和I是滴定前后的熒光強度；［Q］是分析物的濃度；KSV是表示傳感器靈敏度的Sterne-Volmer 常數(shù)），計算得到最低檢測限為2.8×10-8mol/L，線性相關(guān)系數(shù)高達0.99（圖4（d））。表明PBAN對4-NP的熒光檢測具有很高的敏感性，可以在較低濃度對環(huán)境中的4-NP 進行檢測。反應(yīng)機理是芳香族硝基化合物由于硝基強烈的吸電子效應(yīng)能有效降低π 空軌道的能量，使這些化合物成為良好的電子受體；而二苯砜的兩個苯環(huán)與S=O 以及和苯環(huán)相連的氧形成大π 鍵共軛平面結(jié)構(gòu)，具有良好的供電子能力［22］，該類聚合物易于與電子受體的芳香硝基化合物之間產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移絡(luò)合物，從而使聚合物的熒光性能明顯改變［23］。

3 結(jié)論

本文利用簡單可行的方法合成了一種基于BSA、NIPAM 和AM 單體的水溶性熒光聚合物PBAN，并對其4-NP 響應(yīng)性能和溫敏性分別進行了研究。熒光單體的高分子化顯著改善了熒光單體的水溶性，熒光光譜研究表明，傳感器分子熒光發(fā)射強度及穩(wěn)定性高，熒光強度具有溫度敏感性，對4-NP 分子有良好的選擇性識別能力。熒光滴定結(jié)果表明4-NP 濃度與熒光強度呈很好的線性關(guān)系。計算的檢測限達到2.8×10-8mol/L，實現(xiàn)了高靈敏度、高選擇性地快速檢測水中的4-NP，在環(huán)境監(jiān)測和生物分析等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。