基于八羧基酞菁鋁近紅外熒光檢測銅(Ⅱ)離子

劉 峰,夏新泉,陳 靈,張海麗

(湖北師范學院 化學與工程學院, 湖北 黃石 435002)

銅是動植物體內一種必需的微量重金屬元素，參與體內20多種重要酶的構成，如細胞色素氧化酶，過氧化物歧化酶，酪氨酸酶等，這些酶大多與人體的氧化還原反應有關[1]。研究表明，體內銅含量過低會導致貧血，但過量的銅也會導致機體功能紊亂產生許多疾病，如：老年癡呆癥[2]，威爾森氏癥[3]，門克氏綜合癥[4]及肌萎縮性側索硬化癥[5]等, 同時過量的銅對水生生物的毒性較強。所以，檢測生物體和環境水樣中的銅離子有著重要的意義。

目前檢測銅離子的方法有原子吸收光譜法[6]，電感耦合等離子體原子發射光譜[7]，電感耦合等離子體質譜[8]， 循環伏安法[9]和熒光分析法等。與其他方法相比熒光分析法因為靈敏度較高，不需要復雜的樣品處理，儀器操作簡單等優點而得到廣泛應用。

檢測銅離子的熒光染料發射波長大多在紫外區，在測定樣品尤其是生物樣品時存在較大的背景干擾。酞菁是一類具有18電子的大π共軛體系配合物，在結構上類似與卟啉類化合物。酞菁和金屬酞菁對光、熱及各種有機溶劑的高度穩定性[10]，使得其在催化、有機半導體、光導體、彩色照相、激光、液晶、LB膜、光動力治療[11]等方面有著廣泛的應用。水溶性金屬酞菁具有高的摩爾吸光系數，良好的量子產率[12]，并且熒光發射在近紅外區，因而大大減小了背景熒光的干擾，已應用在金屬離子的檢測[13]和空氣中酸類物質的檢測[14]。本文目的是利用Cu2+能使八羧基酞菁鋁(octa-carboxylic pthalocyanine aluminum, AlC8Pc)的熒光猝滅，且在一定濃度范圍內其熒光強度的變化與Cu2+濃度成良好的線性關系,建立一種靈敏的檢測Cu2+的新方法。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

F-4500熒光分光光度計(日本日立公司)，Model pHs-3C酸度計(中國 上海)。八羧基酞菁鋁(AlC8Pc) 的合成參照文獻[15]進行，其紅外光譜，紫外光譜，熒光光譜與文獻報道相符[16]。CuCl2·2H2O(分析純)，其他試劑均為分析純，實驗用水為二次蒸餾水。AlC8Pc以0.2 mol·L-1NaOH溶液配成1.0×10-3mol·L-1儲備液，使用時用二次水稀釋至所需濃度。Cu2+配成5.0×10-3mol·L-1儲備液。Britton-Robison緩沖溶液：(0.04 mol·L-1磷酸、硼酸、醋酸)用0.2 mol·L-1NaOH進行調節，配成不同pH的緩沖溶液。

1.2 實驗方法

在10 mL 比色管中依次加入一定量的B-R 緩沖溶液、八羧基酞菁鋁(1.0×10-3mol·L-1)、Cu2+(5.0×10-3mol·L-1)，用水稀釋至刻度，混合均勻。熒光激發波長為620 nm，發射波長為698 nm，室溫下測定空白和含有Cu2+溶液的熒光強度F0和F.

2 結果與討論

2.1 AlC8Pc熒光光譜特性

圖1 是AlC8Pc的熒光發射光譜，可以看到八羧基酞菁鋁的發射光譜位于近紅外區，當加入Cu2+時，八羧基酞菁鋁熒光猝滅，但峰位置不發生變化,在一定濃度范圍內，Cu2+的含量與八羧基酞菁鋁熒光強度變化成線性關系。

2.2 AlC8Pc紫外可見-吸收光譜特性

圖2 是AlC8Pc的紫外-可見吸收光譜，由圖可以看到AlC8Pc有兩個吸收峰，分別在356 nm(B帶)，692 nm(Q帶)并且在620 nm附近有酞菁二聚體的特征峰。加入Cu2+時，位于近紅外區的Q帶逐漸減降低，但峰的位置并沒有移動，同時620 nm 處的特征峰消失，說明銅離子與八羧基酞菁鋁發生了強烈的作用。綜合銅離子與AlC8Pc作用的熒光光譜及紫外-可見吸收光譜性質，可以推斷銅離子與AlC8Pc作用的熒光猝滅機理為靜態猝滅[17]。

圖1 八羧酞菁鋁在不同濃度Cu2+下熒光發射光譜圖 圖2 八羧酞菁鋁在不同濃度Cu2+下吸收光譜

2.3 pH值的影響

圖3是在Cu2+存在下，AlC8Pc熒光強度變化隨pH變化曲線。可以看出，當溶液pH=4.5時，八羧基酞菁鋁熒光猝滅程度最大，實驗表明以B-R緩沖溶液調節溶液pH效果最好，故實驗選擇在pH為4.5的B-R緩沖溶液中測定。

2.4 AlC8Pc濃度的影響

圖4是八羧基酞菁鋁濃度對熒光強度變化的影響，固定Cu2+濃度為1.0×10-5mol·L-1，溶液的pH為4.5，研究了八羧基酞菁鋁濃度在3.0×10-6mol·L-1～1.0×10-5mol·L-1范圍內對熒光強度變化的影響,發現當八羧基酞菁鋁濃度在5.0×10-6mol·L-1時，Cu2+與八羧基酞菁鋁的熒光強度猝滅程度最大，所以實驗選擇AlC8Pc的濃度為5.0×10-6mol·L-1.

圖3 酸度的影響 圖4 八羧酞菁鋁濃度的影響

2.5 反應時間和溫度的影響

考察了反應時間對體系的影響，圖5是反應時間的影響，可以看出當加入Cu2+后，AlC8Pc的熒光強度立即減小到480后基本不變，并隨著時間增加保持穩定，由此可知Cu2+與AlC8Pc很快發生反應，本實驗選擇反應5min后進行測定。

圖5 時間的影響

在17℃～37℃溫度范圍內研究了溫度對體系的影響，發現溫度對AlC8Pc與Cu2+作用的熒光強度變化影響很小，因此本實驗選擇在室溫下進行。

2.6 選擇性實驗

圖 6是分別加入濃度與Cu2+濃度相同的其它常見金屬離子、幾種氨基酸和牛血清白蛋白(BSA)后八羧基酞菁鋁熒光強度的變化關系圖。可以看出Ni2+、BSA與八羧基酞菁鋁有作用，但熒光強度變化沒有銅離子與八羧基酞菁鋁作用顯著。加入其它常見金屬離子，八羧基酞菁鋁熒光變化很小。所以本實驗選擇八羧基酞菁鋁與Cu2+作用體系作為研究對象。

圖7是常見金屬離子、幾種氨基酸和牛血清白蛋白(BSA)和相同濃度的Cu2+同時加入時，八羧基酞菁鋁熒光強度的變化關系圖。當Cu2+與其它物質同時存在時，Cr3+、BSA對Cu2+與八羧基酞菁鋁的相互作用有影響，其它物質影響很小，說明該方法的選擇性較好。

2.7 標準曲線

在上述優化實驗條件下繪制標準曲線。在Cu2+濃度2.5×10-6mol·L-1～3.0×10-5mol·L-1范圍內，八羧基酞菁鋁熒光強度變化與Cu2+濃度呈良好的線性關系。線性方程為：△F=-0.46+1.05×107c(mol·L-1) (n=11)，相關系數R為0.9974，檢出限為8.3×10-7mol·L-1.

2.8 樣品的測定

取50 mL體積的黃石青山湖水樣，濾去漂浮物，加5mL濃硝酸,加熱，消解到10mL 左右，稍冷卻，再加入5mL濃硝酸和2 mL H2O2，繼續加熱消解，蒸至近干，冷卻后，加水40mL，加熱煮沸3min，冷卻后，將溶液轉入50 mL容量瓶中，用水稀釋至標線，按實驗方法進行分析。表1是實際水樣的檢測結果，結果表明：該湖泊水樣中未檢出Cu2+,且加標回收率較好，說明該方法準確度較好。

圖6 加入不同金屬離子八羧基酞菁鋁的熒光強度 圖7 同時加入銅離子和其他金屬離子，氨基酸，BSA，八羧基酞菁鋁熒光強度的分析

表1 青山湖水樣中Cu2+含量的檢測

3 結 論

建立了一種近紅外熒光猝滅法檢測Cu2+的新方法，可以大大減小背景熒光和散射光的干擾，提高了測定的靈敏度和準確度。實驗結果表明，該方法選擇性好，反應時間快，操作簡單，靈敏度較高。

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