杨丽,冷慧婷,陈新

(1.皖西学院 实训部,安徽 六安 237012;2.皖西学院 材料与化工学院,安徽 六安 237012)

重金属离子污染已严重威胁到人类生存安全。发展重金属离子的检测方法也成为一个研究热点[1-2]。目前重金属离子的检测方法主要有络合滴定法[3]、分光光度法[4]、化学分光分析法[5]、电化学分析法[6]、色谱法[7]、高效液相色谱法[7-8]、原子光谱法[9]、质谱法[10]、紫外分光光度法[11]等。以上方法具有高效、迅速和精确等优点,但是由于需要大型设备和复杂操作,具有很大的局限性[12]。

现今人们已经合成出了许多罗丹明类金属阳离子的荧光探针,如检测Pb2+[13-14]、Hg2+[15-16]、Cu2+[17-19]、Fe3+[20-21]。本文通过合成的罗丹明6G酰肼与水杨醛的缩合反应,两步法合成了探针L,用比色法、荧光光谱法、紫外-可见吸收光谱法对探针L识别金属阳离子性能进行了研究,并且用红外对探针识别机理进行研究。根据实验结果发现探针L可以很灵敏地通过荧光光谱和紫外光谱分别识别Bi3+和Cu2+,由于此探针L的合成工艺操作绿色安全,通过荧光光谱仪和紫外-可见分光光度计识别金属离子操作成本低,所以可以将本文的识别方法应用到工业生产以及工业重金属识别中,并且还能应用定量识别金属离子中。重金属离子检测一直都是当代的研究热点,因此,发展高选择性、高灵敏度地检测生物体内外以及环境中的金属离子的检验方法,一直是具有非常重要意义的研究课题[22-23]。

1 材料和方法

紫外光谱、红外光谱和荧光光谱检测分别采用TU-1950型紫外-可见分光光度计、LR 65912C型傅里叶变换红外光谱仪和RF-5301PC型荧光光谱仪,紫外光照射采用ZF-1型三用紫外分析仪。所有试剂均为分析纯,购自国药集团。

2 实验方法

2.1 水杨醛衍生物探针L的合成

探针L的合成流程如图1所示。

图1 探针L的合成流程图

两步法合成探针L:第一步以罗丹明6G和水合肼为原料合成罗丹明6G酰肼[23];取2.352 6 g(0.005 mol)罗丹明6G(95%)溶解于20 mL的无水乙醇中,再加入6 mL的水合肼(80%)在80 ℃下反应2.5 h,生成浅粉色沉淀,即为罗丹明6G酰肼,然后采用离心操作(离心泵转速9 000 r/min 5 min)两次,并且用无水乙醇和去离子水混合液(V无水乙醇∶V去离子水= 1∶1)洗涤三次。放置真空干燥箱内,65 ℃干燥12 h后得到1.859 9 g罗丹明6G酰肼浅粉色颗粒,产率86.91 %。第二步以第一步合成的罗丹明6G酰肼和水杨醛合成席夫碱[19];取0.852 2 g (0.002 mol)罗丹明6G酰肼溶于100 mL无水乙醇中,加入2 mL水杨醛,并且加入3 mL乙酸作催化剂,在70 ℃下反应10 h,得到橙红色的溶液。静置18 h,得到红色沉淀物。采用离心操作(离心泵转速10 050 r/min 5 min),先用乙醇洗涤两次,再用乙醚洗涤两次。然后放置真空干燥箱内,60 ℃干燥12 h,得到水杨醛衍生物探针固体0.487 g,产率45.9 %。

2.2 母液的配制

2.2.1 金属阳离子溶液配制

配制Zr3+、Ag+、La3+、Cd2+、Zn2+、Sr2+、Co2+、Ca2+、Mn2+、Na+、K+、Cu2+、Ba2+、Hg2+和Bi3+金属阳离子2×10-2mol/L的水溶液为母液。其中,Mn2+和Cd2+溶液用醋酸盐配制,其余溶液均用硝酸盐配制。

2.2.2 探针L母液的配制

用丙酮与乙醇混合溶剂(V丙酮∶V乙醇= 2∶1)配制1×10-3mol/L的探针L溶液。

2.3 荧光光谱法识别

2.3.1 荧光光谱识别Bi3+操作

配制丙酮、乙醇和水的混合溶剂(V丙酮∶V乙醇∶V水= 4∶2∶1),后续荧光检测和紫外检测均采用此混合溶剂。取2 mL混合溶剂置于比色皿中,分别加入2 μL的L+Mn+溶液,充分混匀,得到10-6mol/L的L+Mn+溶液。用荧光光谱仪测定各种L+Mn+溶液的荧光强度。激发波长350 nm,狭缝宽度5 nm。后续实验所有荧光检测条件相同。

2.3.2 荧光光谱识别Bi3+干扰实验

取2 mL丙酮、乙醇和水(V丙酮∶V乙醇∶V水= 4∶2∶1)的混合溶剂置于比色皿中,加入2 μL 2×10-3mol/L的Bi3+溶液,再加入2 μL的L + Mn+溶液(n(Bi3+)∶n(Mn+)=3∶10),摇匀后室温检测荧光强度,观察Bi3+溶液对L+Mn+溶液荧光强度的影响。

2.3.3 荧光光谱检测Bi3+的检测限

根据公式LOD= 3δ/k,计算探针L识别Bi3+的检测限。其中δ表示空白溶液(不加任何金属阳离子溶液的探针溶液)荧光强度的标准偏差;k表示加入不同浓度Bi3+溶液后的探针溶液的荧光强度随浓度的变化斜率。

空白溶液用2 mL有机溶剂加入2 μL探针L溶液配制,混匀,分别荧光检测三组。求得标准偏差δ。

取2 mL混合溶剂加2 μL探针L溶液,采用累加法依次加1×10-4mol/L Bi3+溶液5,10,15,20,25,30 μL,分别混匀等待络合充分,测定荧光强度,用origin软件线性拟合,可得到k值。

2.3.4 荧光光谱检测Bi3+和探针的络合比

在2 mL有机溶剂加入2 μL不同物质的量比的(0∶10,1∶9,2∶8,3∶7,4∶6,5∶5,6∶4,7∶3,8∶2,9∶1,10∶1)探针L溶液和Bi3+溶液。分别混匀,待络合充分后,测定荧光强度,根据荧光强度最大值确定探针L和Bi3+的络合比。

2.4 紫外光谱法识别

2.4.1 紫外光谱识别Cu2+离子

取2 mL混合溶剂置于比色皿中,分别加入20 μL的L+Mn+溶液,充分混匀,得到10-5mol/L的L+Mn+溶液。用紫外-可见分光光度计测定各种L+Mn+(Zn2+、Na+、K+、Ba2+、Sr2+、Ca2+、Cu2+、Ag+、Co2+、La3+、Mn2+和Cd2+)溶液的吸光度。设置参数范围:扫描200～900 nm波长范围,吸光度数值范围为-1.000～2.000,后续实验所有紫外光谱检测条件相同。

2.4.2 紫外光谱识别Cu2+干扰实验

取2 mL丙酮、乙醇和水(V丙酮∶V乙醇∶V水= 4∶2∶1)的混合溶剂置于比色皿中,加入20 μL 1×10-3mol/L的Cu2+溶液,再加入20 μL的L+Mn+溶液(n(Cu2+)∶n(Mn+)=3∶20),摇匀后室温检测吸光度,观察Cu2+溶液对L+Mn+溶液吸光度的影响。

2.4.3 紫外-可见光谱检测Cu2+的检测限

根据公式LOD= 3δ/k,计算探针L识别Cu2+的检测限。其中δ表示空白溶液(不加任何金属阳离子溶液的探针溶液)吸光度的标准偏差;k表示加入不同浓度Cu2+溶液后的探针溶液的吸光度随浓度的变化斜率。

空白溶液用2 mL有机溶剂加入20 μL探针L溶液配制,混匀,分别用紫外-可见分光光度计检测三组。求得标准偏差δ。

取2 mL混合溶剂加20 μL探针L溶液,再依次加1×10-3mol/L Cu2+溶液24,30,36,42,48,54,60,66,72 μL。分别混匀等待络合充分,测定吸光度,用origin软件线性拟合,可得到k值。

2.4.4 紫外-可见光谱检测Cu2+和探针的络合比

在2 mL有机溶剂加入20 μL不同物质的量比例的(0∶10,1∶9,2∶8,3∶7,4∶6,5∶5,6∶4,7∶3,8∶2,9∶1,10∶1)探针L溶液和Cu2+溶液。分别混匀,待络合充分后,测定吸光度,根据吸光度最大值确定探针L和Cu2+的络合比。

3 结果与分析

3.1 荧光光谱法识别

3.1.1 荧光光谱法识别Bi3+

由图2可以看出,荧光扫描光谱在金属阳离子(Zr3+、Ag+、La3+、Cd2+、Zn2+、Sr2+、Co2+、Ca2+、Mn2+、Na+、K+、Cu2+、Ba2+、Hg2+和Bi3+)浓度均为1×10-6mol/L,在15种不同金属阳离子探针溶液中,Bi3+对应的在荧光强度峰值最高,探针L的荧光强度很低,加入Bi3+后的探针溶液的荧光强度明显加强,说明探针对Bi3+有明显的识别作用。

图2 在460～660 nm范围内15种不同金属阳离子探针溶液的荧光光谱图

3.1.2 荧光光谱识别Bi3+干扰实验

由图3干扰图可以看出,灰色空心柱体表示识别实验中不同金属离子探针溶液荧光强度的大小,可以看出Bi3+对应的柱体最高,而其他离子在其浓度温度等外界条件相同的情况下产生的荧光强度比较低。接着在上述含有不同金属离子的溶液中继续加入Bi3+,金属阳离子溶液在555 nm处的荧光强度均明显增大,如图黑色柱体所示,说明该探针对Bi3+的响应不受其它共存金属离子的干扰。

图3 其他金属阳离子对荧光识别Bi3+的干扰

3.1.3 荧光光谱检测Bi3+的检测限

未加Bi3+的探针空白溶液在555 nm测三组荧光强度分别为:67.94,67.598,67.929,求得δ=0.194 36。Bi3+的浓度从5×10-7mol/L到3×10-6mol/L,溶液的荧光强度随着Bi3+的浓度增大而增大,并且根据图4可以得到线性拟合后的k=2.065 2×108。根据检测限公式LOD= 3δ/k求得LOD=2.823×10-9mol/L。

图4 探针L在555 nm处的荧光强度与Bi3+浓度的线性关系

3.1.4 荧光光谱检测 Bi3+和探针的络合比

将L+ Bi3+浓度值控制在2×10-6mol/L,通过调整探针L浓度和 Bi3+浓度之比,检测最大荧光值。由图5可以看出,随着[L]的比值越来越大,荧光强度不断增大,并且在[L]∶[Bi3+]=2∶1时荧光强度达到最大值,随后探针L浓度再继续增大,荧光强度反而降低。由此可知[L]∶[Bi3+]=2∶1时荧光强度值最大,探针L和Bi3+的络合比为2∶1。

图5 探针L和 Bi3+络合比

3.2 紫外光谱法识别

3.2.1 紫外光谱识别Cu2+离子

由图6a可以看出Cu2+和探针L在325～600 nm范围吸光度值很高,并且探针L本身的吸光度较强,根据b图可以看出在430～600 nm范围里Cu2+的吸光度峰值高于探针L的吸光度,其他金属阳离子(Zn2+、Na+、K+、Ba2+、Sr2+、Ca2+、Ag+、Co2+、La3+、Mn2+、Cd2+)的吸光度均低于探针L的吸光度。说明含有Cu2+的探针溶液能增强探针L的吸收紫外光的能力,而其他11种金属阳离子溶液抑制探针L的紫外光吸收能力,进而说明探针能在12种金属阳离子中识别出Cu2+。

图6 紫外光谱法识别Cu2+离子

3.2.2 紫外光谱识别Cu2+离子干扰实验

其他金属阳离子对紫外识别Cu2+的干扰见图7。

图7 其他金属阳离子对紫外识别Cu2+的干扰

根据图7干扰图可以看出,灰色空心柱体表示不同金属离子探针溶液吸光度的大小,可以看出Cu2+对应的柱体最高,而其他离子在其浓度温度等外界条件相同的情况下产生的吸光度也很小。接着在上述含有不同金属离子的溶液中继续加入Cu2+,金属阳离子溶液在528 nm处的吸光度均明显增大,如图7黑色柱体所示,说明该探针对Cu2+的识别不受其它共存金属离子的干扰[19]。

3.2.3 紫外光谱识别Cu2+离子检测限

未加Cu2+的探针空白溶液在528 nm测三组吸光度分别为:0.319,0.311,0.321,求得δ=0.005 29。Cu2+的浓度从1.2×10-5mol/L到3.6×10-5mol/L,溶液的吸光度随着Cu2+的浓度增大而增大,并且根据图8可以得到线性拟合后的k=17 461.1。根据检测限公式LOD= 3δ/k求得LOD=9.09×10-7mol/L。

图8 Cu2+的浓度与吸光度的线性关系

3.2.4 紫外光谱研究Cu2+离子和探针L络合比、络合常数

将L+ Cu2+浓度值控制在2×10-5mol/L,通过调整探针L浓度和Cu2+浓度之比,检测最大吸光度值。根据图9可以看出,随着[L]的比值越来越大,吸光强度不断增大,并且在[L]∶[Cu2+]=1∶1时吸光度达到最大值,随后探针L浓度再继续增大,吸光度反而随之降低。由此可知,[L]∶[Cu2+]=1∶1时吸光度值最大,所以探针L和Cu2+的络合比为1∶1。图10是探针L与Cu2+络合比为1∶1时根据检测限数据进行Benesi-Hildebrand曲线的线性拟合作图,如上图所示结果,由Benesi-Hildebrand方程计算得出探针L与Cu2+络合比为1∶1时的络合常数K=5.28×104L/mol。说明探针L与Cu2+能够形成稳定的性好的络合物。

图9 探针L和Cu2+络合比

图10 探针L与Cu2+的络合常数

4 结论

通过两步合成反应步骤合成水杨醛衍生物席夫碱探针,然后通过荧光光谱法、紫外-可见吸收光谱法研究探针L不同种类金属阳离子溶液的识别作用。在15种金属(Zn2+、Na+、K+、Ba2+、Sr2+、Ca2+、Cu2+、Ag+、Co2+、Zr3+、La3+、Bi3+、Mn2+、Cd2+、Hg2+)阳离子溶液中,通过荧光光谱法检测出探针L对Bi3+有识别作用,根据干扰实验说明该探针对Bi3+的响应不受其它共存金属离子的干扰,并且探针L所能检测出的Bi3+最低含量为2.823×10-9mol/L,根据络合比实验求得探针L和Bi3+的络合比为2∶1。通过紫外-可见吸收光谱法检测出探针L对Cu2+有识别作用,根据干扰实验说明该探针对Cu2+的响应不受其它共存金属离子的干扰,并且探针L所能检测出的Cu2+最低含量为9.09×10-7mol/L,根据络合比实验求得探针L和Cu2+的络合比为1∶1,由Benesi-Hildebrand方程计算得出络合常数K=5.28×104L/mol。