閆倫麗,張國梅

(山西大學 化學化工學院,山西 太原 030006)

0 引言

目前發(fā)現(xiàn)的過渡金屬中,生物體對于銅離子(Cu2+)的需求接近于鋅離子(Zn2+)和鐵離子(Fe3+)。銅離子(Cu2+)不僅僅是生物體一種必需的微量元素,還是生物體中氧化酶所必需的元素,在生物體的新陳代謝和繁衍過程中起著至關重要的作用[1-2]。生物體內銅離子的濃度偏高或偏低都有可能會產生不良的生理反應[3]。當生物體內銅離子含量較低時,會使得人體內造血功能及酶活性下降,很可能導致貧血、浮腫和骨骼疾病,從而引發(fā)風濕性關節(jié)炎、心臟病等較為嚴重的疾病;一般而言重金屬對生物體具有一定的毒性,當銅離子攝入超標又會導致生物體中毒,降低免疫力,甚至對生物體生命系統(tǒng)構成很大的威脅[4]。銅離子在細胞內以輔基形式參與人體許多重要的代謝途徑,例如輔助超氧化物歧化酶消除細胞自由基,在細胞色素C氧化酶中傳遞電子,幫助人體對鐵的吸收,促進血紅素的形成,提高生命力等等,因此它在人體許多的生理過程中起到了十分重要的作用[5]。值得注意的是,銅離子更是水體中的一種重金屬污染物,如果將含大量銅離子的工廠廢水及生活污水直接排放到地下水中,將會嚴重污染地下水從而對人類安全和生命造成威脅[6-7]。因此,精準地對水溶液中銅含量的定量檢測吸引了眾多科學研究者們的高度關注,成為環(huán)境改善及生物分析中的首要課題之一。近幾年,設計了一些用于檢測銅離子的熒光傳感器[8-10], 例如碳量子點、納米復合材料[8]和電化學傳感[10]等,但是這些方法的成本高,合成步驟復雜,有的還須在有機溶劑中進行合成及檢測。因此,在水溶液中尋找靈敏度高、選擇性好并快速測定銅離子的方法尤為重要。

卟啉,亦可稱紫質,是由次甲基橋連接四個吡咯類亞基的α-碳原子而成的18電子大π共軛體系的雜環(huán)化合物[11-12]。常見的金屬卟啉如血紅素、葉綠素,是自然界中能夠活化二氧化碳的一種生物催化劑,廣泛存在于動植物體中,對動植物生理過程和生命活動起著至關重要的作用[13-14]。此外,卟啉也可作為一種有機染料分子[15-18],在化學修飾中具有靈活可調的芳香結構、良好的生物相容性、獨特的光化學活性、高穩(wěn)定性和高可見光吸收率等優(yōu)良特性,在輸送氧氣、植物光合作用、生物催化和污染物光降解等生物過程中發(fā)揮著重要作用,所以近年來卟啉及其化合物被諸多科學研究們作為研究對象。

本文研究了TMPyP和SDS水溶液組裝體系中加入銅離子后熒光強度的變化。研究表明,該體系對銅離子具有選擇性識別作用,銅離子對TMPyP-SDS組裝體系的熒光具有顯著的猝滅作用,從而建立了對Cu2+具有選擇性識別能力的熒光傳感體系。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

儀器:中國上海第二儀器廠pHs-2型酸度計;北京普析通用儀器有限公司TU-1901紫外可見分光光度計;日本日立公司日立F-4500型熒光分光光度計。

試劑:甲基吡啶基卟啉(TMPyP)是從Sigma公司購買的產品;十二烷基硫酸鈉(SDS)在上海第三試劑廠購買所得;金屬無機鹽(主要是硝酸鹽);所有試劑均為分析純試劑。溶液酸度由0.1 mol/L Tris(三羥甲基氨基甲烷)-HCl緩沖溶液控制,實驗室用水為二次蒸餾水。

1.2 實驗方法

首先將SDS水溶液(0.01 mol/L)、TMPyP儲備液(0.1 mL,1×10-5mol/L)及一定體積的待測金屬離子依次加入到10.0 mL玻璃比色管中,用二次蒸餾水將混合溶液定容、搖勻。然后在室溫下靜置30 min,移取1 mL混合溶液轉入石英比色皿中,在F-4500熒光儀上測定混合溶液的熒光強度。固定激發(fā)和發(fā)射狹縫均為10 nm,激發(fā)波長為426 nm。

2 結果與討論

2.1 TMPyP與SDS溶液的組裝作用

通過上述的方法在熒光儀上掃TMPyP-SDS水體系作用的發(fā)射光譜,掃描結果如圖1所示。從圖1可以明顯觀察到固定激發(fā)波長為426 nm時,水溶液中TMPyP在655 nm處產生相對較弱的熒光,隨著不同濃度SDS的加入,水溶液中TMPyP的熒光強度也隨之發(fā)生改變, 因此可以說明形成的SDS膠束誘導TMPyP在水溶液中產生強的熒光發(fā)射。這是由于形成的表面活性劑(SDS)膠束為處于激發(fā)態(tài)的TMPyP分子提供了一個剛性的微環(huán)境,SDS分子改變了卟啉(TMPyP)分子的聚集狀態(tài),抑制了溶液中溶解的氧分子對TMPyP的猝滅,減弱了其聚集誘導熒光猝滅(ACQ)效應。隨著SDS濃度不斷增加體系的熒光強度呈現(xiàn)出逐漸升高后趨于穩(wěn)定狀態(tài),進一步的說明了隨著SDS濃度的改變,SDS的膠束結構在一定程度上也產生改變,導致TMPyP激發(fā)態(tài)分子所處的微環(huán)境產生改變,從而引起了熒光強度也發(fā)生改變。實驗研究表明:SDS最適宜的濃度應選擇為0.001 mol/L,這時組裝體系的熒光強度可達到最大。

Fig.1 Fluorescence spectra of TMPyP in different concentrations of SDS solutions (pH=8.0)[SDS](10-3M) (1)-(7):0; 0.05; 0.1; 0.15; 0.4; 0.8; 1.0.圖1 pH=8.0時TMPyP與不同濃度的SDS組裝作用的熒光光譜圖

為了探索TMPyP與SDS溶液的組裝作用,進行上述實驗。實驗結果也表明TMPyP與SDS之間進行了快速的組裝,TMPyP-SDS的組裝機理是TMPyP為帶正電的小分子,SDS是帶負電荷,TMPyP和SDS之間通過靜電相互作用進行組裝。

2.2 TMPyP與Cu2+的相互作用

圖2(A)所示是在pH=8.0時TMPyP與Cu2+相互作用的紫外吸收光譜圖。由譜圖上可明顯看出,當pH=8.0時TMPyP在426 nm和440 nm處出現(xiàn)兩個吸收峰,隨著Cu2+濃度的增加,TMPyP在426 nm處吸收峰逐漸增強,而440 nm處吸收峰逐漸降低,證明Cu2+與TMPyP發(fā)生了顯著的相互作用。圖2(B)插圖所示是在pH=8.0時TMPyP與其他金屬陽離子相互作用的紫外吸收光譜圖,從圖中可以看出,TMPyP與Cu2+和本文所選其他金屬陽離子的相互作用現(xiàn)象有顯著不同,其他金屬陽離子在426 nm處吸收峰幾乎沒有發(fā)生變化,而在440 nm處吸收峰也只有略微的下降,說明TMPyP與其他金屬離子基本不發(fā)生相互作用,只對Cu2+有選擇性識別。

Fig.2 (A)Absorption spectra of interaction of TMPyP with Cu2+[Cu2+](10-3 mol/L):(1)-(9): 0; 0.05; 0.15; 0.3; 0.5; 0.75; 1.0; 1.25. (pH=8.0);(B) Absorption spectra of interaction of TMPyP with various metal ions[Mn+](10-1 mol/L) (pH=8.0).圖2 (A)pH=8.0時TMPyP與Cu2+相互作用的吸收光譜圖;(B)pH=8.0時TMPyP與其他金屬離子相互作用的吸收光譜圖

2.3 TMPyP-SDS組裝體與Cu2+的作用

圖3(A)所示的是在pH=8.0時,TMPyP-SDS組裝體系與Cu2+之間相互作用的熒光圖。在TMPyP和一定濃度的SDS溶液形成相對穩(wěn)定的組裝體系條件下,固定激發(fā)波長為426 nm,向TMPyP-SDS組裝體系中加入不同濃度的銅離子。由圖可看出,隨著Cu2+濃度的增加,TMPyP-SDS組裝體系在655 nm處的熒光強度逐漸降低,且二者在一定的范圍內成良好的線性關系。這是定量測定銅離子(Cu2+)的基礎。圖3(B)所示為Cu2+對TMPyP-SDS組裝體系的熒光猝滅進行擬合后的標準曲線以及相關系數(shù),Cu2+對TMPyP-SDS組裝體系的熒光猝滅符合Stern-Volmer方程。以X=[Cu2+]對Y=I0/I(I0、I分別為TMPyP-SDS組裝體系中加入Cu2+前后的熒光強度)作圖得到良好的線性關系,線性相關系數(shù)R2=0.999。從圖3(B)可以看出,線性范圍為5.2×10-6～ 3.3×10-4mol/L。同時根據(jù)空白標準偏差的3倍計算得檢出限為7.63×10-7mol/L。

Fig.3 (A)Fluorescence of spectra of the interaction of TMPyP-SDS assembly system withCu2+, ([Cu2+](10-4 mol/L):(1-11):0; 0.014 3; 0.028 6; 0.57; 0.12; 0.24; 0.48; 0.86; 1.43; 2.15; 7.5);(B) Plot of fluorescence quenching of TMPyP-SDS assembly system by Cu2+圖3(A) pH=8.0時TMPyP-SDS組裝體系與Cu2+作用的熒光光譜圖;(B)Cu2+ 對TMPyP-SDS組裝體系的熒光碎滅的線性關系圖和相關系數(shù)

2.4 TMPyP-SDS組裝體系選擇性測定銅離子(Cu2+)

2.4.1 金屬陽離子對TMPyP-SDS組裝體系熒光強度的影響

為了進一步探索TMPyP-SDS組裝體對Cu2+的專一性識別,本文考察了其他金屬離子對TMPyP-SDS組裝體系熒光強度的響應程度。由圖4可看出,本文所選其他金屬離子對TMPyP-SDS組裝體系均有略微的淬滅效應,但相比較而言Cu2+對TMPyP-SDS組裝體系的淬滅效果尤為顯著。Cu2+(120 μmol/L)即可使組裝體系的熒光基本淬滅(90%),而相同濃度的大部分其他金屬離子只有略微淬滅。TMPyP-SDS組裝體系對于Cu2+的高選擇性,機理為:TMPyP帶正電,SDS帶負電荷,二者通過靜電作用進行了組裝,而Cu2+帶正電荷,其加入組裝體系后會與帶正電的TMPyP相互競爭帶負電荷的SDS,抑制了TMPyP與SDS的結合,使得組裝體系被破壞,體系熒光強度下降。

Fig.4 Effect of various metal ions on the fluorescence intensity of TMPyP-SDS assembly system Measuring conditions: [TMPyP]=2.0×10-5 mol/L, [Mn+]=4×10-4 mol/L, [SDS]=0.1 mol/L圖4 各種金屬離子對TMPyP-SDS組裝體系熒光強度的影響

2.4.2 陰離子對TMPyP-SDS組裝體系熒光強度的影響

本文還研究了不同陰離子的銅鹽對TMPyP-SDS組裝體熒光強度的響應程度。向TMPyP-SDS組裝體系加入帶有不同陰離子的銅鹽,諸如CuCl2、CuSO4及Cu(OAc)2。圖5A所示為硝酸銅對TMPyP-SDS組裝體系熒光的影響,從圖中明顯看出,當TMPyP-SDS組裝體系中隨著硝酸銅濃度的增加,體系熒光強度逐漸下降,當Cu2+濃度達到30 μmol/L時,體系熒光基本被淬滅。圖5B所示的是當銅離子濃度為30 μmol/L時,不同陰離子的銅鹽對TMPyP-SDS組裝體系熒光的影響,實驗現(xiàn)象與圖5的Cu(NO3)2基本相似,在Cu2+濃度為30 μmol/L時,不同陰離子的銅鹽也使體系熒光基本被淬滅,而且這幾種銅鹽的猝滅效果幾乎一樣,可以說明TMPyP-SDS組裝體系的熒光強度幾乎不受各種陰離子的干擾。從圖4和圖5的結果可以得出,TMPyP-SDS組裝體系在此實驗條件下對Cu2+有很好的選擇性。

Fig.5 (A)Effect of nitrate ion on fluorescence intensity of TMPyP-SDS assembly system;(B)Effect of various anion on fluorescence intensity of TMPyP-SDS assembly system.圖5 (A)硝酸根離子對TMPyP-SDS組裝體系熒光強度的影響;(B)各種陰離子對TMPyP-SDS組裝體系熒光強度的影響

3 結論

本文成功實現(xiàn)了TMPyP與SDS的組裝及其對銅離子的選擇性識別,SDS膠束可以有效地誘導TMPyP產生強的熒光,而Cu2+對TMPyP-SDS組裝體系的熒光具有強的淬滅效應,此方法對于Cu2+的測定響應快且選擇性高,因此該體系對于水樣中中銅離子的測定有潛在的應用前景。