楊麗,冷慧婷,陳新

(1.皖西學(xué)院 實(shí)訓(xùn)部,安徽 六安 237012;2.皖西學(xué)院 材料與化工學(xué)院,安徽 六安 237012)

重金屬離子污染已嚴(yán)重威脅到人類生存安全。發(fā)展重金屬離子的檢測(cè)方法也成為一個(gè)研究熱點(diǎn)[1-2]。目前重金屬離子的檢測(cè)方法主要有絡(luò)合滴定法[3]、分光光度法[4]、化學(xué)分光分析法[5]、電化學(xué)分析法[6]、色譜法[7]、高效液相色譜法[7-8]、原子光譜法[9]、質(zhì)譜法[10]、紫外分光光度法[11]等。以上方法具有高效、迅速和精確等優(yōu)點(diǎn),但是由于需要大型設(shè)備和復(fù)雜操作,具有很大的局限性[12]。

現(xiàn)今人們已經(jīng)合成出了許多羅丹明類金屬陽(yáng)離子的熒光探針,如檢測(cè)Pb2+[13-14]、Hg2+[15-16]、Cu2+[17-19]、Fe3+[20-21]。本文通過(guò)合成的羅丹明6G酰肼與水楊醛的縮合反應(yīng),兩步法合成了探針L,用比色法、熒光光譜法、紫外-可見吸收光譜法對(duì)探針L識(shí)別金屬陽(yáng)離子性能進(jìn)行了研究,并且用紅外對(duì)探針識(shí)別機(jī)理進(jìn)行研究。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)探針L可以很靈敏地通過(guò)熒光光譜和紫外光譜分別識(shí)別Bi3+和Cu2+,由于此探針L的合成工藝操作綠色安全,通過(guò)熒光光譜儀和紫外-可見分光光度計(jì)識(shí)別金屬離子操作成本低,所以可以將本文的識(shí)別方法應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)以及工業(yè)重金屬識(shí)別中,并且還能應(yīng)用定量識(shí)別金屬離子中。重金屬離子檢測(cè)一直都是當(dāng)代的研究熱點(diǎn),因此,發(fā)展高選擇性、高靈敏度地檢測(cè)生物體內(nèi)外以及環(huán)境中的金屬離子的檢驗(yàn)方法,一直是具有非常重要意義的研究課題[22-23]。

1 材料和方法

紫外光譜、紅外光譜和熒光光譜檢測(cè)分別采用TU-1950型紫外-可見分光光度計(jì)、LR 65912C型傅里葉變換紅外光譜儀和RF-5301PC型熒光光譜儀,紫外光照射采用ZF-1型三用紫外分析儀。所有試劑均為分析純,購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 水楊醛衍生物探針L的合成

探針L的合成流程如圖1所示。

圖1 探針L的合成流程圖

兩步法合成探針L:第一步以羅丹明6G和水合肼為原料合成羅丹明6G酰肼[23];取2.352 6 g(0.005 mol)羅丹明6G(95%)溶解于20 mL的無(wú)水乙醇中,再加入6 mL的水合肼(80%)在80 ℃下反應(yīng)2.5 h,生成淺粉色沉淀,即為羅丹明6G酰肼,然后采用離心操作(離心泵轉(zhuǎn)速9 000 r/min 5 min)兩次,并且用無(wú)水乙醇和去離子水混合液(V無(wú)水乙醇∶V去離子水= 1∶1)洗滌三次。放置真空干燥箱內(nèi),65 ℃干燥12 h后得到1.859 9 g羅丹明6G酰肼淺粉色顆粒,產(chǎn)率86.91 %。第二步以第一步合成的羅丹明6G酰肼和水楊醛合成席夫堿[19];取0.852 2 g (0.002 mol)羅丹明6G酰肼溶于100 mL無(wú)水乙醇中,加入2 mL水楊醛,并且加入3 mL乙酸作催化劑,在70 ℃下反應(yīng)10 h,得到橙紅色的溶液。靜置18 h,得到紅色沉淀物。采用離心操作(離心泵轉(zhuǎn)速10 050 r/min 5 min),先用乙醇洗滌兩次,再用乙醚洗滌兩次。然后放置真空干燥箱內(nèi),60 ℃干燥12 h,得到水楊醛衍生物探針固體0.487 g,產(chǎn)率45.9 %。

2.2 母液的配制

2.2.1 金屬陽(yáng)離子溶液配制

配制Zr3+、Ag+、La3+、Cd2+、Zn2+、Sr2+、Co2+、Ca2+、Mn2+、Na+、K+、Cu2+、Ba2+、Hg2+和Bi3+金屬陽(yáng)離子2×10-2mol/L的水溶液為母液。其中,Mn2+和Cd2+溶液用醋酸鹽配制,其余溶液均用硝酸鹽配制。

2.2.2 探針L母液的配制

用丙酮與乙醇混合溶劑(V丙酮∶V乙醇= 2∶1)配制1×10-3mol/L的探針L溶液。

2.3 熒光光譜法識(shí)別

2.3.1 熒光光譜識(shí)別Bi3+操作

配制丙酮、乙醇和水的混合溶劑(V丙酮∶V乙醇∶V水= 4∶2∶1),后續(xù)熒光檢測(cè)和紫外檢測(cè)均采用此混合溶劑。取2 mL混合溶劑置于比色皿中,分別加入2 μL的L+Mn+溶液,充分混勻,得到10-6mol/L的L+Mn+溶液。用熒光光譜儀測(cè)定各種L+Mn+溶液的熒光強(qiáng)度。激發(fā)波長(zhǎng)350 nm,狹縫寬度5 nm。后續(xù)實(shí)驗(yàn)所有熒光檢測(cè)條件相同。

2.3.2 熒光光譜識(shí)別Bi3+干擾實(shí)驗(yàn)

取2 mL丙酮、乙醇和水(V丙酮∶V乙醇∶V水= 4∶2∶1)的混合溶劑置于比色皿中,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),搖勻后室溫檢測(cè)熒光強(qiáng)度,觀察Bi3+溶液對(duì)L+Mn+溶液熒光強(qiáng)度的影響。

2.3.3 熒光光譜檢測(cè)Bi3+的檢測(cè)限

根據(jù)公式LOD= 3δ/k,計(jì)算探針L識(shí)別Bi3+的檢測(cè)限。其中δ表示空白溶液(不加任何金屬陽(yáng)離子溶液的探針溶液)熒光強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)偏差;k表示加入不同濃度Bi3+溶液后的探針溶液的熒光強(qiáng)度隨濃度的變化斜率。

空白溶液用2 mL有機(jī)溶劑加入2 μL探針L溶液配制,混勻,分別熒光檢測(cè)三組。求得標(biāo)準(zhǔn)偏差δ。

取2 mL混合溶劑加2 μL探針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,分別混勻等待絡(luò)合充分,測(cè)定熒光強(qiáng)度,用origin軟件線性擬合,可得到k值。

2.3.4 熒光光譜檢測(cè)Bi3+和探針的絡(luò)合比

在2 mL有機(jī)溶劑加入2 μL不同物質(zhì)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)探針L溶液和Bi3+溶液。分別混勻,待絡(luò)合充分后,測(cè)定熒光強(qiáng)度,根據(jù)熒光強(qiáng)度最大值確定探針L和Bi3+的絡(luò)合比。

2.4 紫外光譜法識(shí)別

2.4.1 紫外光譜識(shí)別Cu2+離子

取2 mL混合溶劑置于比色皿中,分別加入20 μL的L+Mn+溶液,充分混勻,得到10-5mol/L的L+Mn+溶液。用紫外-可見分光光度計(jì)測(cè)定各種L+Mn+(Zn2+、Na+、K+、Ba2+、Sr2+、Ca2+、Cu2+、Ag+、Co2+、La3+、Mn2+和Cd2+)溶液的吸光度。設(shè)置參數(shù)范圍:掃描200～900 nm波長(zhǎng)范圍,吸光度數(shù)值范圍為-1.000～2.000,后續(xù)實(shí)驗(yàn)所有紫外光譜檢測(cè)條件相同。

2.4.2 紫外光譜識(shí)別Cu2+干擾實(shí)驗(yàn)

取2 mL丙酮、乙醇和水(V丙酮∶V乙醇∶V水= 4∶2∶1)的混合溶劑置于比色皿中,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),搖勻后室溫檢測(cè)吸光度,觀察Cu2+溶液對(duì)L+Mn+溶液吸光度的影響。

2.4.3 紫外-可見光譜檢測(cè)Cu2+的檢測(cè)限

根據(jù)公式LOD= 3δ/k,計(jì)算探針L識(shí)別Cu2+的檢測(cè)限。其中δ表示空白溶液(不加任何金屬陽(yáng)離子溶液的探針溶液)吸光度的標(biāo)準(zhǔn)偏差;k表示加入不同濃度Cu2+溶液后的探針溶液的吸光度隨濃度的變化斜率。

空白溶液用2 mL有機(jī)溶劑加入20 μL探針L溶液配制,混勻,分別用紫外-可見分光光度計(jì)檢測(cè)三組。求得標(biāo)準(zhǔn)偏差δ。

取2 mL混合溶劑加20 μL探針L溶液,再依次加1×10-3mol/L Cu2+溶液24,30,36,42,48,54,60,66,72 μL。分別混勻等待絡(luò)合充分,測(cè)定吸光度,用origin軟件線性擬合,可得到k值。

2.4.4 紫外-可見光譜檢測(cè)Cu2+和探針的絡(luò)合比

在2 mL有機(jī)溶劑加入20 μL不同物質(zhì)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)探針L溶液和Cu2+溶液。分別混勻,待絡(luò)合充分后,測(cè)定吸光度,根據(jù)吸光度最大值確定探針L和Cu2+的絡(luò)合比。

3 結(jié)果與分析

3.1 熒光光譜法識(shí)別

3.1.1 熒光光譜法識(shí)別Bi3+

由圖2可以看出,熒光掃描光譜在金屬陽(yáng)離子(Zr3+、Ag+、La3+、Cd2+、Zn2+、Sr2+、Co2+、Ca2+、Mn2+、Na+、K+、Cu2+、Ba2+、Hg2+和Bi3+)濃度均為1×10-6mol/L,在15種不同金屬陽(yáng)離子探針溶液中,Bi3+對(duì)應(yīng)的在熒光強(qiáng)度峰值最高,探針L的熒光強(qiáng)度很低,加入Bi3+后的探針溶液的熒光強(qiáng)度明顯加強(qiáng),說(shuō)明探針對(duì)Bi3+有明顯的識(shí)別作用。

圖2 在460～660 nm范圍內(nèi)15種不同金屬陽(yáng)離子探針溶液的熒光光譜圖

3.1.2 熒光光譜識(shí)別Bi3+干擾實(shí)驗(yàn)

由圖3干擾圖可以看出,灰色空心柱體表示識(shí)別實(shí)驗(yàn)中不同金屬離子探針溶液熒光強(qiáng)度的大小,可以看出Bi3+對(duì)應(yīng)的柱體最高,而其他離子在其濃度溫度等外界條件相同的情況下產(chǎn)生的熒光強(qiáng)度比較低。接著在上述含有不同金屬離子的溶液中繼續(xù)加入Bi3+,金屬陽(yáng)離子溶液在555 nm處的熒光強(qiáng)度均明顯增大,如圖黑色柱體所示,說(shuō)明該探針對(duì)Bi3+的響應(yīng)不受其它共存金屬離子的干擾。

圖3 其他金屬陽(yáng)離子對(duì)熒光識(shí)別Bi3+的干擾

3.1.3 熒光光譜檢測(cè)Bi3+的檢測(cè)限

未加Bi3+的探針空白溶液在555 nm測(cè)三組熒光強(qiáng)度分別為:67.94,67.598,67.929,求得δ=0.194 36。Bi3+的濃度從5×10-7mol/L到3×10-6mol/L,溶液的熒光強(qiáng)度隨著Bi3+的濃度增大而增大,并且根據(jù)圖4可以得到線性擬合后的k=2.065 2×108。根據(jù)檢測(cè)限公式LOD= 3δ/k求得LOD=2.823×10-9mol/L。

圖4 探針L在555 nm處的熒光強(qiáng)度與Bi3+濃度的線性關(guān)系

3.1.4 熒光光譜檢測(cè) Bi3+和探針的絡(luò)合比

將L+ Bi3+濃度值控制在2×10-6mol/L,通過(guò)調(diào)整探針L濃度和 Bi3+濃度之比,檢測(cè)最大熒光值。由圖5可以看出,隨著[L]的比值越來(lái)越大,熒光強(qiáng)度不斷增大,并且在[L]∶[Bi3+]=2∶1時(shí)熒光強(qiáng)度達(dá)到最大值,隨后探針L濃度再繼續(xù)增大,熒光強(qiáng)度反而降低。由此可知[L]∶[Bi3+]=2∶1時(shí)熒光強(qiáng)度值最大,探針L和Bi3+的絡(luò)合比為2∶1。

圖5 探針L和 Bi3+絡(luò)合比

3.2 紫外光譜法識(shí)別

3.2.1 紫外光譜識(shí)別Cu2+離子

由圖6a可以看出Cu2+和探針L在325～600 nm范圍吸光度值很高,并且探針L本身的吸光度較強(qiáng),根據(jù)b圖可以看出在430～600 nm范圍里Cu2+的吸光度峰值高于探針L的吸光度,其他金屬陽(yáng)離子(Zn2+、Na+、K+、Ba2+、Sr2+、Ca2+、Ag+、Co2+、La3+、Mn2+、Cd2+)的吸光度均低于探針L的吸光度。說(shuō)明含有Cu2+的探針溶液能增強(qiáng)探針L的吸收紫外光的能力,而其他11種金屬陽(yáng)離子溶液抑制探針L的紫外光吸收能力,進(jìn)而說(shuō)明探針能在12種金屬陽(yáng)離子中識(shí)別出Cu2+。

圖6 紫外光譜法識(shí)別Cu2+離子

3.2.2 紫外光譜識(shí)別Cu2+離子干擾實(shí)驗(yàn)

其他金屬陽(yáng)離子對(duì)紫外識(shí)別Cu2+的干擾見圖7。

圖7 其他金屬陽(yáng)離子對(duì)紫外識(shí)別Cu2+的干擾

根據(jù)圖7干擾圖可以看出,灰色空心柱體表示不同金屬離子探針溶液吸光度的大小,可以看出Cu2+對(duì)應(yīng)的柱體最高,而其他離子在其濃度溫度等外界條件相同的情況下產(chǎn)生的吸光度也很小。接著在上述含有不同金屬離子的溶液中繼續(xù)加入Cu2+,金屬陽(yáng)離子溶液在528 nm處的吸光度均明顯增大,如圖7黑色柱體所示,說(shuō)明該探針對(duì)Cu2+的識(shí)別不受其它共存金屬離子的干擾[19]。

3.2.3 紫外光譜識(shí)別Cu2+離子檢測(cè)限

未加Cu2+的探針空白溶液在528 nm測(cè)三組吸光度分別為:0.319,0.311,0.321,求得δ=0.005 29。Cu2+的濃度從1.2×10-5mol/L到3.6×10-5mol/L,溶液的吸光度隨著Cu2+的濃度增大而增大,并且根據(jù)圖8可以得到線性擬合后的k=17 461.1。根據(jù)檢測(cè)限公式LOD= 3δ/k求得LOD=9.09×10-7mol/L。

圖8 Cu2+的濃度與吸光度的線性關(guān)系

3.2.4 紫外光譜研究Cu2+離子和探針L絡(luò)合比、絡(luò)合常數(shù)

將L+ Cu2+濃度值控制在2×10-5mol/L,通過(guò)調(diào)整探針L濃度和Cu2+濃度之比,檢測(cè)最大吸光度值。根據(jù)圖9可以看出,隨著[L]的比值越來(lái)越大,吸光強(qiáng)度不斷增大,并且在[L]∶[Cu2+]=1∶1時(shí)吸光度達(dá)到最大值,隨后探針L濃度再繼續(xù)增大,吸光度反而隨之降低。由此可知,[L]∶[Cu2+]=1∶1時(shí)吸光度值最大,所以探針L和Cu2+的絡(luò)合比為1∶1。圖10是探針L與Cu2+絡(luò)合比為1∶1時(shí)根據(jù)檢測(cè)限數(shù)據(jù)進(jìn)行Benesi-Hildebrand曲線的線性擬合作圖,如上圖所示結(jié)果,由Benesi-Hildebrand方程計(jì)算得出探針L與Cu2+絡(luò)合比為1∶1時(shí)的絡(luò)合常數(shù)K=5.28×104L/mol。說(shuō)明探針L與Cu2+能夠形成穩(wěn)定的性好的絡(luò)合物。

圖9 探針L和Cu2+絡(luò)合比

圖10 探針L與Cu2+的絡(luò)合常數(shù)

4 結(jié)論

通過(guò)兩步合成反應(yīng)步驟合成水楊醛衍生物席夫堿探針,然后通過(guò)熒光光譜法、紫外-可見吸收光譜法研究探針L不同種類金屬陽(yáng)離子溶液的識(shí)別作用。在15種金屬(Zn2+、Na+、K+、Ba2+、Sr2+、Ca2+、Cu2+、Ag+、Co2+、Zr3+、La3+、Bi3+、Mn2+、Cd2+、Hg2+)陽(yáng)離子溶液中,通過(guò)熒光光譜法檢測(cè)出探針L對(duì)Bi3+有識(shí)別作用,根據(jù)干擾實(shí)驗(yàn)說(shuō)明該探針對(duì)Bi3+的響應(yīng)不受其它共存金屬離子的干擾,并且探針L所能檢測(cè)出的Bi3+最低含量為2.823×10-9mol/L,根據(jù)絡(luò)合比實(shí)驗(yàn)求得探針L和Bi3+的絡(luò)合比為2∶1。通過(guò)紫外-可見吸收光譜法檢測(cè)出探針L對(duì)Cu2+有識(shí)別作用,根據(jù)干擾實(shí)驗(yàn)說(shuō)明該探針對(duì)Cu2+的響應(yīng)不受其它共存金屬離子的干擾,并且探針L所能檢測(cè)出的Cu2+最低含量為9.09×10-7mol/L,根據(jù)絡(luò)合比實(shí)驗(yàn)求得探針L和Cu2+的絡(luò)合比為1∶1,由Benesi-Hildebrand方程計(jì)算得出絡(luò)合常數(shù)K=5.28×104L/mol。