一種新型的羅丹明席夫堿探針在水環(huán)境中檢測銅離子的應用

秦紅霞　顧崢燁　光善儀

摘????? 要： 為快速、高效地檢測環(huán)境中的Cu²⁺，以羅丹明B酰肼與2-羥基-4-甲基苯甲醛為起始原料，采用一步反應法制備了一種新型的羅丹明席夫堿探針（（E）-3'，6'-雙（二乙氨基）-2-（（2-羥基-4-甲基亞芐基）氨基）螺[異二氫吲哚-1，9'-呫噸]-3-酮，簡稱RHHM），研究表明該探針可以高選擇性的識別Cu²⁺。將該探針應用于湖水和自來水中Cu²⁺的檢測，其加標回收率均在94%以上，檢測結(jié)果具有很高的準確性和可靠性。并將該探針制備成一種便攜式試紙條，結(jié)果表明該試紙條具有檢測方便、快速的優(yōu)點。

關(guān)? 鍵? 詞：探針;羅丹明-席夫堿衍生物;Cu²⁺;水環(huán)境

中圖分類號：O657.3?????? 文獻標識碼： A?? ???文章編號： 1671-0460（2020）07-1273-05

A novel Rhodamine Schiff Base Probe for Detection of Cu2+ in Water

QIN Hong-xiaa， GU Zheng-yeb， GUANG Shan-yia*

（a. College of Chemistry， Chemical Engineering and Biotechnology， Key Laboratory of Science & Technology of Eco-Textile Ministry of Education;

b. Research Center for Analysis and Measurement & College of Materials Science and Engineering， State Key Laboratory for Modification of Chemical Fibers and Polymer Materials， Donghua University， Shanghai 201620， China）

Abstract： A noval Rhodamine Schiff base probe named （E）-3'，6'-bis（diethylamino）-2-（（2-hydroxy-4-methylbenzy -lidene）amino）spiro[isoindoline-1，9'-xanthen]-3-one （RHHM） was prepared by one-step reaction. The research result showed that this probe had high selectivity for Cu²⁺. When the probe was applied in the detection of Cu²⁺in lake water and tap water， the recovery rate was up to 94%. It has been further proved that this probe can achieves satisfied accuracy in the detection of Cu²⁺in water. Finally， a kind of portable test strip was prepared by using this probe to detect Cu²⁺. The results showed that this test strip was convenient and fast in detection of Cu²⁺.

Key words： Probe; Rhodamine-Schiff base derivative; Cu²⁺; Water environment

金屬離子與人類健康和環(huán)境污染息息相關(guān)。銅作為一種微量元素，在有機生物體的肝、腦、腎中發(fā)揮著非常重要的作用^[1-2]。銅含量過高或者過低都會影響人的身體健康。銅離子含量過低會引起骨質(zhì)疏松，銅離子含量過高，輕者引起嗜睡和血壓升高，重者會引起神經(jīng)性疾病，例如帕金森病，朊病毒和阿爾茨海默病等^[3]。目前檢測金屬離子的方法有很多，比如：原子吸收/發(fā)射光譜（AAS/AES）、電感耦合-質(zhì)譜連用（ICP-MS）、電化學法等，但是這些方法由于儀器設(shè)備昂貴、操作復雜、攜帶不方便而使實際應用受限。因此尋找一種能夠快速、準確、簡便地檢測Cu²⁺的方法，對于環(huán)境污染修復和人體健康等具有重要的意義。熒光探針因具有選擇性好，靈敏度高，儀器成本低，操作簡單，分析速度快等優(yōu)點已成為科研工作者研究的熱點。熒光探針的種類十分豐富^[4-6]，如熒光素熒光染料、羅丹明熒光染料、萘酰亞胺熒光染料等。羅丹明類染料是以羅丹明為母體，通過多種官能團修飾的一系列衍生物，具有氧雜蒽環(huán)剛性平面結(jié)構(gòu)，閉環(huán)無色無熒光，開環(huán)顯色有熒光^[7]。因其具有良好的光穩(wěn)定性、較大的摩爾吸收系數(shù)以及高的熒光量子產(chǎn)率等優(yōu)點，從而成為設(shè)計熒光探針較理想的熒光團^[8]。席夫堿^[9]是指含有亞氨基（HC=N）或烷亞氨基基團（RC=N）的一類有機化合物。其C=N鍵上的N原子含有孤對電子，容易與金屬離子配位形成配合物，此外席夫堿配基含有共軛芳環(huán)結(jié)構(gòu)，所以具有強的光吸收能力，易發(fā)生分子內(nèi)能量轉(zhuǎn)移。因此，多齒的席夫堿配基是一種兼具有配位螯合和敏化發(fā)光雙重功能的配基^[10]。近年來，已經(jīng)報道了很多用于檢測Cu²⁺的探針，然而多數(shù)探針存在水溶性差^[11]以及受到其他金屬離子的干擾^[12]等問題，因此，設(shè)計一種高選擇性、水溶性好、檢測方便、高效快速的探針具有重要的科學價值。

本文將羅丹明B酰肼與2-羥基-4-甲基苯甲醛通過一步反應制得新型羅丹明席夫堿探針RHHM。研究發(fā)現(xiàn)RHHM可以高選擇性的識別Cu²⁺，對水環(huán)境中Cu²⁺的檢測具有很高的準確性和可靠性，并可制備成便攜式試紙條，實現(xiàn)裸眼識別快速檢測Cu²⁺的效果。

1. 實驗部分

1.1? 主要儀器及試劑

Perkin Elmer UV/Vis Spectrometer Lambda 35;

CuSO₄·5H₂O，DMSO均為分析純，均通過國藥化學試劑有限公司購買得到，探針RHHM為本實驗室自己合成。

1.2? 實驗方法

探針儲備液的配制：準確稱量0.1437 g RHHM溶于二甲基亞砜溶劑中，在250 mL容量瓶內(nèi)定容，配制成10^-3mol濃度溶液。

銅離子儲備液的配制：準確稱取10^-1mol質(zhì)量的銅離子鹽固體溶于二甲基亞砜中，100 mL容量瓶內(nèi)定容后配制成10^-2mol濃度離子儲備液。

1. 結(jié)果與討論

RHHM結(jié)構(gòu)見圖1。

2.1 ?RHHM光學性能分析

2.1.1? 探針識別的光譜性能

圖2為RHHM和RHHM+Cu²⁺的紫外-可見吸收光譜。從圖中可以看出，探針RHHM本身在560 nm處沒有吸收峰，Cu²⁺加入后，在560 nm處出現(xiàn)吸收峰，并且可以觀察到溶液顏色由無色變?yōu)榉奂t色，這表明RHHM可以選擇性地識別Cu²⁺，并形成了絡(luò)合物。

2.1.2? 不良溶劑水的影響

測試不良溶劑水的影響對于探針的實際應用具有重要意義，因此研究了不同含水量（0%，1%，5%，10%，20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%，90%）對RHHM及RHHM+Cu²⁺吸光度的影響，如圖3所示，由于探針本身的吸光度很弱，因此含水量對RHHM本身影響很小，對于RHHM+Cu²⁺，其吸光度隨水含量的增加先升高后減小，水含量為50%時吸光度最大，因此選擇DMSO/HEPES（1/1， v/v）進行實驗，這也為探針實際應用于水環(huán)境中Cu²⁺的檢測提供了條件。

2.1.3? 時間響應

測試了RHHM與Cu²⁺的響應時間，如圖4所示，吸光度隨著時間的延長而逐漸增強，當時間為160 s時，吸光度基本達到穩(wěn)定，說明RHHM與Cu²⁺的響應時間為160 s，反應非?？焖?。

2.1.4? 離子選擇性

圖5為在DMSO/HEPES（1/1， v/v）溶液中，反應160 s時，RHHM（10.0 μmol）對不同金屬離子

（10.0 μmol）選擇性識別的吸收光譜圖。從圖中可以看出探針RHHM本身在560 nm沒有吸收峰，加入金屬離子后，只有Cu²⁺在560 nm出現(xiàn)了一個新的吸收峰，并伴有溶液顏色變化，由無色變?yōu)榉奂t色，而其他金屬離子沒有響應，這表明RHHM可以高選擇性的識別Cu²⁺，無其他離子的干擾。

2.1.5? 檢出限及絡(luò)合常數(shù)

為了探究RHHM對Cu²⁺檢測的靈敏度，做了紫外滴定實驗。如圖6所示，從圖中可以看出探針RHHM在560 nm處沒有吸收峰，隨著Cu²⁺的加入，RHHM+Cu²⁺在560 nm處的吸收峰逐漸增強并且溶液顏色逐漸變深。圖7為相對吸光強度A/A₀和Cu²⁺濃度的線性關(guān)系曲線。根據(jù)Stern-Volmer理論^[13]，確定了探針RHHM對Cu²⁺進行檢測時的線性范圍和檢出限等參數(shù)，從圖中可以看出Cu²⁺濃度在0.1～10 μmol范圍內(nèi)與RHHM+Cu²⁺體系的吸光度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，線性方程為：y=0.099x+0.015，相關(guān)系數(shù)R²=0.997，其最低理論檢出限（3σ/k）為0.1 μmol。圖8為相對吸光強度的倒數(shù)[1/A-A₀]和Cu²⁺濃度的倒數(shù)1/[Cu²⁺]的線性關(guān)系曲線，基于Benesi-Hildebrand方程^[14]，通過圖中的斜率和截距計算得絡(luò)合常數(shù)為7.5×10⁵mol^-1，由此表明探針RHHM與Cu²⁺形成了穩(wěn)定的絡(luò)合物。

2.2? 探針FHHM的應用研究

2.2.1? 探針RHHM在水環(huán)境中的應用

（1）水樣的提取與預處理

為了提高探針的實際應用價值，探究了探針RHHM分別在自來水和湖水中對Cu²⁺的檢測。首先利用帶有墜子的采樣瓶采取不同方向（東南西北）的流動水層表面的水樣約500 mL，再利用絕緣式采木器，采取不同方向（東南西北）不同深度的水樣，最后將采取的8個水樣進行均勻混合，新提取的湖水中含有大量的沉淀和懸浮物，首先對湖水靜置24 h，再取上層溶液進行抽濾，保留濾液，使用透析膜對濾液進行多次透析。最終得到本文章用于實驗檢測的湖水。

（2）對自來水和湖水中Cu²⁺的檢測

由2.1.4知RHHM對Cu²⁺的檢測具有高的選擇性，由2.1.5知RHHM對Cu²⁺檢測的線性范圍為0.1～10.0 μmol，本文章分別取湖水和自來水溶液10組，將湖水和自來水溶液各5組加入2 μmol的Cu²⁺，另外的10組加入5 μmol的Cu²⁺，所用探針濃度10^-5mol，溶液為DMSO/HEPES （1/1， v/v）。每組實驗進行5次，求標準偏差。由

表數(shù)據(jù)可知，每組實驗的回收率在94%以上，表中測得的結(jié)果與實際含有的Cu²⁺的量基本保持一致，且湖水和自來水中其他的成分均沒有干擾。通過對水環(huán)境中Cu²⁺的加標回收率實驗可以看出該探針對于水中Cu²⁺的檢測具有準確性和可靠性。

2.2.2? 便攜試紙的制作

為了使探針RHHM在實際應用中更方便，本文章將探針做成便攜試紙條，來研究探針RHHM試紙條在實際應用中的可行性。將試紙條完全浸泡在含有探針（0.01 mol）的DMSO-HEPES（1/1， v/v）溶液中，然后在真空烘箱中干燥24 h，制得便攜試紙條。從圖9當在試紙條上滴上Cu²⁺后，RHHM試紙條迅速由無色變?yōu)榉奂t色，可用于裸眼觀察，并且隨著滴加Cu²⁺濃度的增大，RHHM試紙條的顏色逐漸變深，因此其可用于不同濃度Cu²⁺的檢測。

3? 結(jié)論

本文利用羅丹明B酰肼與2-羥基-4-甲基苯甲醛制備了新型羅丹明席夫堿探針RHHM，利用紫外吸收光譜對RHHM的光學性能進行了研究，結(jié)果表明，探針RHHM在DMSO/HEPES （1/1， v/v）的溶液中，表現(xiàn)出了對Cu²⁺的高度選擇性，并且可以通過肉眼觀察到明顯的顏色變化，加入Cu²⁺后，溶液顏色由無色變?yōu)榉奂t色，檢測時間為160 s，響應速度快，對Cu²⁺檢測的線性范圍為0.1～10 μmol，最低理論檢出限（3σ/k）為0.1 μmol，絡(luò)合常數(shù)為7.5×10⁵mol^-1。最后將探針RHHM應用到實際水環(huán)境中，研究了其對湖水和自來水中Cu²⁺的檢測情況，發(fā)現(xiàn)在線性范圍內(nèi)探針可以定量檢測湖水和自來水中的Cu²⁺，回收率均在94%以上，并且制作了RHHM便攜式試紙條，達到裸眼快速檢測Cu²⁺的效果。

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