甲醛功能化聚乙烯亞胺-羅丹明B酰肼比率及可視化熒光測定Cr(Ⅵ)

楊傳孝, 余夢雯, 宋朵朵, 孫向英

(華僑大學材料科學與工程學院, 廈門 361021)

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甲醛功能化聚乙烯亞胺-羅丹明B酰肼比率及可視化熒光測定Cr(Ⅵ)

楊傳孝, 余夢雯, 宋朵朵, 孫向英

(華僑大學材料科學與工程學院, 廈門 361021)

摘要在微波輔助條件下, 合成了具有藍色熒光特性的甲醛功能化的聚乙烯亞胺(FPEI). 在硫酸介質中, FPEI表面質子化的氨基通過靜電作用吸附Cr(Ⅵ), 致使FPEI 480 nm處的熒光強度逐漸降低. 同時, 羅丹明B酰肼(RBH)被Cr(Ⅵ)氧化生成強熒光發射的羅丹明B, 體系的吸光度在250～600 nm范圍顯著增強, 覆蓋了FPEI的激發和發射光譜, 由此產生的內濾效應導致FPEI的熒光進一步降低. 羅丹明B 580 nm處熒光強度和FPEI 480 nm處熒光強度的比值(F580/F480) 與Cr(VI) 的濃度呈良好的線性關系, 在紫外燈照射下體系的熒光由藍色逐漸變為橙黃色, 由此建立了一種新型的比率及可視化熒光測定六價鉻的新方法. 在最優條件下, 比率熒光測定的線性范圍為0.1～3.6 μmol/L, 檢出限(3σ)為12 nmol/L, 可視化熒光檢測的線性范圍為0.4～2.8 μmol/L. 該方法簡單、 快速, 靈敏度及選擇性好, 用于實際樣品測定的回收率為90%～109%.

關鍵詞甲醛功能化聚乙烯亞胺; 羅丹明B酰肼; 比率熒光; 可視化熒光; Cr(Ⅵ)

Scheme 1　Reaction between FPEI-RBH and Cr(Ⅵ)

Fig.1　Fluorescence spectra and fluorescence change(inset) of FPEI-RBH in the absence(A) and presence(B) of Cr(Ⅵ)

1實驗部分

1.1試劑與儀器

聚乙烯亞胺(PEI, 分子量為10000, 阿拉丁試劑有限公司); 甲醛(HCHO, 質量分數37%～40%, 西隴化工股份有限公司); 羅丹明B(RB, 天泰精細化學品有限公司); 水合肼(西隴化工股份有限公司); 重鉻酸鉀(廣州化學試劑廠), 操作溶液濃度為1.0×10-5mol/L. 所用試劑均為分析純; 實驗用水為超純水(電阻率為18.2MΩ·cm).

CaryEdipse型熒光分光光度計[安捷倫科技(中國)有限公司];NicoletMagnaIR560型傅里葉變換紅外光譜儀(美國Nicolet公司);H-7650型透射電子顯微鏡(TEM, 日本Hitachi公司);UV-2800H型紫外-可見分光光度計(日本Shimadzu公司);Milli-Q超純水儀(美國Millipore公司);WX-4000型微波消解儀(上海屹堯儀器科技發展有限公司);WFH手提式紫外分析儀(杭州齊威儀器有限公司).

1.2實驗過程

1.2.1RBH的合成參照文獻[17]方法合成RBH. 取1.2000g羅丹明B置于三頸圓底燒瓶中, 加入30mL乙醇溶解, 室溫下攪拌30min后, 逐滴加入4mL水合肼, 加熱至沸騰并攪拌4h, 得到黃色澄清溶液. 冷卻至室溫, 加超純水至不再產生沉淀, 減壓抽濾. 將所得沉淀用1.0mol/LHCl洗滌至橙黃色清亮, 加入NaOH調節pH至8～9, 減壓抽濾, 真空干燥, 所得淡粉色沉淀即RBH. 用乙醇配制濃度為1.0×10-3mol/L的RBH儲備液.

1.2.2FPEI的合成將10mLPEI(8.539×10-3g/mL)溶液加入微波消解罐中, 加入1.0mL甲醛和400μL乙酸, 在120 ℃, 1.013MPa和600W的條件下, 微波加熱30s制得FPEI, 備用.

1.2.3FPEI-RBH測定Cr(Ⅵ)取濃度為1.0mL1.0×10-3mol/L的RBH乙醇溶液置于比色管中, 依次加入75μLFPEI原液和1.0mL0.2mol/L的硫酸溶液, 用超純水定容至10mL, 即得FPEI-RBH探針溶液.

取0.5mLFPEI-RBH探針溶液置于10mL比色管中, 加入重鉻酸鉀標準溶液或樣品溶液, 定容至5mL. 以360nm波長光激發, 在熒光分光光度計上掃描其熒光發射光譜. 直接把樣品置于365nm紫外燈下, 用數碼相機進行熒光成像.

2結果與討論

2.1FPEI-RBH與Cr(Ⅵ)作用的光譜特征

由FPEI的TEM照片[圖2(A)]可見, 甲醛功能化的PEI具有環狀結構; 其紫外吸收和熒光光譜[圖2(B)]表明, 最大吸收峰位于350nm處, 熒光發射峰位于480nm處. 對照FPEI和RB的激發光譜發現, 激發波長為360nm時FPEI的熒光發射最強, 同時RB也有較強的熒光發射. 由PEI和FPEI的紅外光譜[圖2(C)]可見,FPEI保留了PEI的紅外特性, 即保留了3349和3278cm-1處N—H的伸縮振動、 2933和2813cm-1處—CH2—的伸縮振動、 1580cm-1處N—H的面內彎曲振動以及1042和1105cm-1處C—N的伸縮振動; 但在1662cm-1處產生了新的峰, 表明甲醛的羰基與—NH2之間發生了Schiff堿反應.

Fig.2　TEM image of FPEI(A), UV-Vis absorption and fluorescence spectra of FPEI(B) and infrared spectra of PEI(a) and FPEI(b)(C)

在硫酸介質中, 將FPEI和RBH直接混合即得比率熒光探針FPEI-RBH. 由FPEI-RBH的比率熒光光譜[圖3(A)]可知, 激發光波長為360nm時, 其熒光發射光譜僅在480nm處出現1個發射峰, 在紫外燈照射下發藍色熒光. 當有Cr(Ⅵ)存在時,FPEI-RBH體系在 480nm處的熒光強度降低, 同時580nm處出現新的熒光發射峰, 這是Cr(Ⅵ)與RBH反應生成的羅丹明B的熒光發射峰[17], 可從250～600nm波長范圍內吸光度逐漸增加得到驗證[圖3(B)]. 隨著六價鉻加入量的增大, 位于480nm處的熒光峰強度逐漸降低, 而位于580nm處的熒光峰強度逐漸升高, 其比率熒光強度F580/F480與Cr(Ⅵ)濃度間呈良好的線性關系; 在紫外燈照射下, 溶液的熒光由藍色逐漸變到橙黃色[圖3(A)插圖].

Fig.3　Ratiometric fluorescence emission(A) and UV-Vis absorption spectra(B) of the reaction between FPEI-RBH and Cr(Ⅵ)Inset of (A): fluorescent change under 365 nm light excitation.

2.2FPEI-RBH與Cr(Ⅵ)的作用機理

Fig.4　Fluorescence emission spectra of the reaction between FPEI, RBH and Cr(Ⅵ), respectively a. FPEI; cRBH/(μmol5L-1): b. 0, c. 2.5, d. 5.0, e. 7.5, f. 10. Cr(Ⅵ): 2.0 μmol/L; H2SO4: 2.0 mmol/L; λex=360 nm.

Fig.5　Fluorescence excitation(a) and emission(b) spectra of FPEI and UV-Vis absorption spectrum(c) of RB(A) and effect of the inner filter on the fluorescence intensity of FPEI(B)

2.3實驗條件的優化

Fig.6　Effect of H2SO4 concentration on the reaction between FPEI-RBH(A) and Cr(Ⅵ)(B)Table 1　Effect of H2SO4 concentration on analytical parameters for the determination of Cr(Ⅵ)

cH2SO4/(mmol·L-1)Linearrange/(μmol·L-1)R2Linearregressionequation0.50.0—2.00.9826F580/F480=0.46c+0.271.00.0—3.20.9984F580/F480=0.84c+0.192.00.0—3.60.9948F580/F480=1.10c+0.014.00.0—2.00.9814F580/F480=0.95c+0.104.02.0—3.60.9906F580/F480=1.89c-1.858.00.0—2.00.9923F580/F480=0.84c+0.168.02.0—3.60.9912F580/F480=2.13c-2.4812.00.0—2.00.9795F580/F480=0.95c+0.0912.02.0—3.60.9875F580/F480=2.34c-3.0916.00.0—1.60.9829F580/F480=0.98c+0.1216.01.6—3.60.9767F580/F480=1.92c-1.32

2.3.2RBH及FPEI加入量的選擇取不同濃度的RBH與一定量的FPEI組成比率熒光探針, 然后與不同濃度的Cr(Ⅵ)作用. 實驗結果[圖7(A)]表明, 體系的比率熒光強度F580/F480與Cr(Ⅵ)濃度間呈現良好的線性關系, 但是線性范圍和靈敏度卻隨著RBH濃度的增大而逐漸增大, 當RBH濃度>7.5μmol/L時, 線性擬合曲線的斜率趨于穩定. 固定RBH的濃度為10μmol/L, 其它條件不變, 考察了FPEI加入量的影響, 結果如圖7(B)所示.Cr(Ⅵ)對FPEI熒光的猝滅效率均隨著Cr(Ⅵ)濃度的增加而增加, 但是比率熒光探針中FPEI含量越少, 相同濃度的Cr(Ⅵ)對FPEI熒光猝滅效率越高. 當比率熒光探針中FPEI的加入量<50μL時, 一方面FPEI本身的熒光強度較低, 另一方面致使FPEI熒光的猝滅的Cr(Ⅵ)的濃度范圍變窄, 這兩者都不利于體系熒光顏色的漸變即可視化熒光傳感. 實驗選取75μLFPEI溶液制備FPEI-RBH比率熒光探針.

Fig.7　Effects of RBH concentration(A) and FPEI amount(B) on the reaction between FPEI-RBH and Cr(Ⅵ)

2.3.3甲醛用量的選擇甲醛加入量對FPEI熒光強度及對FPEI-RBH與Cr(Ⅵ)作用的影響見圖8. 圖8插圖表明, 甲醛(質量分數37.0%～40.0%)的加入量<1.0mL時,FPEI的熒光強度較低, 繼續增大甲醛的加入量,FPEI的熒光強度趨于穩定. 如圖8所示, 甲醛加入量對FPEI-RBH雙熒光體系中FPEI的熒光強度有較大的影響, 隨著Cr(Ⅵ)濃度的增大FPEI熒光強度的猝滅效率均有增加的趨勢. 當Cr(Ⅵ)含量一定時, 隨著甲醛加入量的增大,Cr(Ⅵ)對FPEI熒光強度的猝滅效率基本上也隨之增加, 即甲醛加入量越少,Cr(Ⅵ)對FPEI熒光強度的猝滅效率越低, 這可能是由于FPEI本身的熒光強度較低, 激發態電子較少所致. 甲醛加入量達到5.0mL時,FPEI熒光強度的猝滅效率開始隨著Cr(Ⅵ)濃度的增大呈迅速增加的趨勢, 但是Cr(Ⅵ)濃度>2.0μmol/L時,FPEI熒光強度的猝滅效率增加緩慢, 不利于可視化熒光比色. 實驗選用甲醛加入量為1.0mL合成FPEI.

Fig.8　Effect of HCHO concentration on the reaction between FPEI-RBH and Cr(Ⅵ) Inset: effect of HCHO amount on the fluorescent intensity of FPEI.

Fig.9　Infrared spectra of FPEI with different microwave powers Inset: effect of microwave power on A1580/A1662.

Fig.10　Tolerance of substance on the determination of Cr(Ⅵ) (A) a. Blank; b. Cr(Ⅵ); c. Ca2+; d. K+; e. Na+; f. Mg2+; g. Cu2+; h. Fe2+; i. Fe3+; j. Pb2+; k. Zn2+; l. Ag+; m. Mn2+; n. Hg2+; o. Cd2+; p. Al3+; q. Cr3+; r. Ni2+; s. Co2+. (B) a. CTAB; b. SLS; c. SDS; d. STPP; e. F-; f. Br-; g. I-; h. PO3-4; i. CO2-3; j. H2O2; k. NO-3; l. NO-2; m. MnO-4; n. ClO-3; o. IO-4; p. ClO-; q. S2O2-3; r. S2-; s. SO2-3.

2.3.5FPEI放置時間的選擇FPEI-RBH很快即可與Cr(Ⅵ)作用完全, 且相當穩定, 在210min內, 其熒光強度無明顯變化. 但FPEI的放置時間有微小的影響, 隨著放置時間的增加FPEI的顏色稍微變淺, 熒光強度也有所增強,Cr(Ⅵ)對FPEI的猝滅效率也有微小增加, 放置20d后基本穩定.

2.4共存物質的干擾

2.5標準曲線及樣品測定

Fig.11　Plots of fluorescence intensity at 580 nm and F580/F480 via the concentrations of Cr(Ⅵ) Inset: Visual detection of Cr(Ⅵ) with different concentrations.

在最優實驗條件下, 考察了580nm熒光強度及F580/F480與Cr(Ⅵ)濃度之間的關系, 結果見圖11和表2. 用580nm單熒光測定Cr(Ⅵ)的線性范圍為0.2～2.0μmol/L, 檢出限(3σ)為25nmol/L, 而用F580/F480測定Cr(Ⅵ)的線性范圍為0.1～3.6μmol/L, 檢出限(3σ)為12nmol/L. 顯然, 比率熒光法的線性范圍更寬, 靈敏度更高, 線性相關系數也明顯變好. 圖11插圖表明,Cr(Ⅵ) 濃度在0.4～2.8μmol/L范圍內時, 在紫外燈照射下溶液的熒光由藍色逐漸變為橙黃. 采用比率熒光法測定了3個實際水樣, 結果如表3所示, 回收率在90.0%～109.1%之間. 在3個實際水樣中加入不同量的Cr(Ⅵ)標準溶液后, 可視化熒光比色結果如圖11插圖所示, 與比率熒光法基本一致, 說明可視化熒光法半定量Cr(Ⅵ)的含量可行.

Table 2　Analytical parameters for the determination of Cr(Ⅵ)

Table 3　Results for the determination of Cr(Ⅵ) in water samples

3結論

采用微波輔助技術, 利用甲醛和PEI的聚合反應合成了具有藍色熒光特性的FPEI, 進一步構建了FPEI-RBH雙熒光體系. 基于硫酸介質中Cr(Ⅵ)能使RBH開環, 在580nm處產生新的熒光峰, 同時利用Cr(Ⅵ)能一定程度地猝滅FPEI的熒光以及RB的內濾效應減弱FPEI的熒光, 建立了一種新型的比率及可視化熒光測定Cr(Ⅵ)的新方法. 該方法靈敏度高、 反應快速且操作簡便, 可用于實際水樣中Cr(Ⅵ)的分析檢測.

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(Ed.:D,K)

doi:10.7503/cjcu20150962

收稿日期:2015-12-17. 網絡出版日期: 2016-04-20.

基金項目：國家自然科學基金(批準號: 21575044)、 福建省自然科學基金(批準號: 2013J01047, 2014J01048)和華僑大學科研啟動費項目(批準號: 14BS116)資助.

中圖分類號O657.3

文獻標志碼A

DeterminationofCr(Ⅵ)byRatiometricandVisualFluorescenceMethodBasedonFormaldehydeFunctionalizedPolyethyleneimine-rhodamineBHydrazideSystem?

YANGChuanxiao*,YUMengwen,SONGDuoduo,SUNXiangying

(College of Materials Sciences and Engineering, Huaqiao University, Xiamen 361021, China)

AbstractFormaldehyde functionalized fluorescent polyethyleneimine(FPEI) were prepared via microwave-assisted synthesis. In H2SO4 media, the amine groups on the FPEI surface would be protonated and adsorb Cr(Ⅵ) via electrostatic attraction, and the fluorescence intensity of the FPEI at 480 nm decreased accordingly. At the same time, potassium dichromate can oxidize rhodamine B hydrazide(RBH) to rhodamine B in acidic aqueous conditions, resulting in recovery of rhodamine B fluorescence and absorbance, the absorption bands of which ranged from 250 nm to 600 nm, fully covering the emission and excitation bands of FPEI. Thus, the inner filter effect occurring in FPEI/RBH system led to further decrease of the fluorescence intensity of the FPEI. The fluorescence change ratio(F580/F480) between the fluorescence intensity of rhodamine B at 580 nm and that of FPEI at 480 nm has a good linear correlation with the concentration of Cr(Ⅵ), and a noticeable blue to orange color change was detected under an ultraviolet lamp if Cr(Ⅵ) solution was mixed with the FPEI/RBH. Based on the phenomena, a novel rapid ratiometric and visual fluorescence method for determination of Cr(Ⅵ) was developed. Under optimal conditions, the ratio fluorescence intensity F580/F480increased linearly with the concentration of Cr(Ⅵ) ranging from 0.1 μmol/L to 3.6 μmol/L with a detection limit of 12 nmol/L. In addition, the change of fluorescence color was related to the concentration of Cr(Ⅵ) in the range of 0.4—2.8 μmol/L. The proposed method, being highly selective, simple and rapid, could be applied to determine the concentration of Cr(Ⅵ) samples with recovery of 90%—109%.

?SupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.21575044),theNaturalScienceFoundationofFujianProvinceofChina(Nos.2013J01047, 2014J01048)andtheResearchFundsofHuaqiaoUniversityofChina(No.14BS116).

KeywordsFormaldehyde functionalized polyethyleneimine; Rhodamine B hydrazide; Ratiometric fluorescence; Visual fluorescence; Cr(Ⅵ)

聯系人簡介: 楊傳孝, 男, 博士, 副教授, 主要從事納米材料及生化分析研究.E-mail:cxyang@hqu.edu.cn