一種可視性識別氰離子的比色探針及其作用機理研究

朱道林，舒 嵐，趙利華，聶 麗

(1.合肥職業技術學院 科技處，安徽 合肥 238000；2.皖西學院 實驗中心，安徽 六安 237012)

氰化物被廣泛應用于冶金、采礦等許多行業中，因此，在工業生產方面扮演著重要的角色。如氰化物在電鍍中不僅可以增大電鍍的導電性能，同時又能使產品鍍層更細致，提高產品的質量。常人道：真金不怕火來煉，但金、銀等貴金屬在氰化物的溶液中可以被溶解，因而，在礦石浮選提取金、銀中需用大量的氰化物[1-3]。但氰化物并非都是來自于化學工業得到，在自然界中許多植物中也含氰化物，如杏仁、楊梅、葡萄籽、蘋果籽、桃、李子、櫻桃，其果核中均含有氰化物[4]。

氰化物對人體的危害是眾所周知的，長期以來，人們談“氰”色變，可見其毒性及危害之大。氰化物致人體中毒的傳播途徑主要是通過口、鼻及皮膚表面等被人體吸收，特別是從業人員，如在工作防護措施不當很容易被氰中毒。其中毒癥狀，輕者有黏膜刺激，唇舌麻木頭痛、眩暈、無力、惡心、嘔吐、血壓上升等，重者呼吸困難，逐漸昏迷、抽搐、大小便失禁、血壓下降、迅速發生呼吸障礙而死亡。氰化物中毒機制，與氰根離子超強的配合能力有關，當氰化物進入人體內釋放出氰根離子，氰根離子與細胞色素氧化酶的鐵(Ⅲ)結合，阻止氧化酶中鐵(Ⅲ)的還原，妨礙細胞正常呼吸，導致呼吸鏈中斷，造成組織缺氧，引起機體窒息而死亡[5-7]。氰化物在人體內的半致死量為1.0 mg/kg,世界衛生組織(WHO)規定，飲用水中氰離子的濃度必須低于1.9 μM[8]，因此，準確、快速檢測出氰根離子，不僅對生命科學意義重大，同時對環境監測與保護也有非常重要的作用。

氰根離子檢測方法眾多，比如電化學、滴定分析、子色譜等[9，10]，但這些方法檢測耗費時間長，過程煩瑣，操作麻煩，對儀器精密度要求也較高。相比之下，比色傳感法具有操作簡單、成本低、直接易于裸眼觀察被檢出，更受研究者們青睞[11，12]。本文基于前期的工作[13，14]，設計合成一種基于氫鍵作用可“裸眼”檢測CN-比色探針(合成路線如圖1所示)，進一步功能化到普通試紙上，探討其與CN-比色作用機理，并應用到CN-比色分析檢測。

圖1 目標探針分子A的合成路線

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

實驗所用的所有陰離子(CN-、F-、AcO-、H2PO4-、HSO4-、NO3-、 SCN-、ClO4-、Cl-、Br-和I-等)為四丁基銨鹽，分析純，購買于阿拉丁試劑公司；光譜實驗所用的乙腈為色譜純，DMSO為分析純，使用前經過無水處理；其余均為國產分析純，直接使用；實驗用水為純凈水。

1H NMR (400 MHz) 由Bruker AV400 MHz型核磁共振儀測得，溶劑為DMSO-d6，四甲基硅烷(TMS)為內標。紫外-可見光譜用Varian Cary300紫外-可見分光光度計測定(1 cm石英液池)。

1.2 紫外光譜滴定方法

將探針(A)及陰離子(四丁基銨鹽)分別配成8×10-3mol/L的DMSO溶液和1×10-2mol/L的CH3CN溶液作儲備液。

光譜測定在DMSO溶液中進行，探針A的測試濃度恒定為4.0×10-4mol/L。測試時用移液管移取2 mL探針A溶液于1 cm石英液池中，用微量進樣器逐漸加入不同體積的陰離子溶液并與探針A溶液混合均勻，加人陰離子的量不超過100微升。每加一次掃描光譜一次，直至光譜不再變化為止。記錄光譜數據，用Origin軟件繪圖。

1.3 探針(A)的合成與表征

中間體對硝基苯重氮鹽(1)5-(4-硝基苯基)呋喃-2-甲醛(2)參考文獻[15]的方法合成：取4.2 g(0.03 mol)對硝基苯胺于150 mL圓底燒瓶，依次加入10 mL濃鹽酸、30 mL水和1 0mL乙醇，使之完全溶解。另取6 g(0.087 mol)NaNO2溶于9 mL水，冰浴冷卻后，在攪拌條件下，緩慢滴加到對硝基苯胺鹽酸鹽中，反應20 min得到橙紅色的重氮鹽(1)溶液。

準確移取2.9 mL呋喃甲醛于20 mL丙酮中，在冰浴條件下緩慢滴加到上述重氮鹽溶液中，再加入3 mL含有0.8 g(0.0047 mol)氯化銅水溶液，室溫磁力攪拌反應4 h，有土黃色沉淀生成，減壓抽濾，洗滌，用丙酮重結晶，得晶體2。

將2 mmol 中間體2和1 mmol 4-硝基苯肼分別溶于20 mL丙酮和20 mL乙醇中，充分混合后，再加入5 d醋酸和30 mL乙醇，置于80～85 ℃范圍內油浴中回流反應4 h。停止反應，減壓蒸去部分溶劑，冷卻到室溫，有橙黃晶體沉淀析出。過濾，粗產物用丙酮和乙醇混合溶劑(體積比1∶1)重結晶，得針狀晶體A。1H NMR (,ppm, DMSO-d6): 10.52 (1H, s, NH), 9.7 (1H, s, N=CH), 8.35 (2H, d, Ar-H), 8.14 (2H, d, Ar-H), 7.90 (2H, d, Ar-H), 7.72 (2H, d, Ar), 7.590(1H, d, CH), 7.410 (1H, d, CH)。

2 結果討論

2.1 探針A的紫外可見光譜性能及其對CN-的響應

分別測試了在有無陰離子存在下(CN-、F-、AcO-、H2PO4-、HSO4-、NO3-、 SCN-、ClO4-、Cl-、Br-和I-等)，目標探針A 在DMSO溶劑中紫外-可見吸收光譜，如圖2a所示。在沒有陰離子存在下，探針A在350 nm處有較強吸收峰，摩爾吸光系數為40399.975 L·mol-1·cm-1，相關系數為0.9994。當有陰離子如CN-、F-、AcO-、H2PO4-、HSO4-、NO3-、 SCN-、ClO4-、Cl-、Br-和I-存在下，除CN-外，探針A在350 nm處的吸光強度變化不大，且保持相同的峰型；但CN-存在下，不僅350 nm處的吸光強度大大降低，而且703 nm處出現新的吸收峰，同時溶液的顏色變成藍色(圖2c)，表明探針分子A與CN-發生了強烈的相互作用。化合物A可能是一種潛在的選擇性識別CN-的比色傳感器。

圖2 a) DMSO中不同陰離子存在時探針A的吸收光譜變化軌跡; b) DMSO中探針A加入CN-時的紫外吸收光譜圖; c) DMSO溶劑中陰離子存在下探針A的顯色反應; d) DMSO中不同濃度CN-對探針A的比色傳感圖([A]=4×10-4 mol/L [Anion]=8.0×10-4mol/L)

為進一步確定探針A與待測CN-間的定量關系，我們進行了紫外-可見光譜滴定實驗(圖2b)。由圖2b可以看出，隨著CN-濃度的增加，探針A在350 nm處的吸收強度有規律地減弱并緩慢紅移，同時在703 nm新吸收峰的強度按比例增強(圖2b插圖)。尤其是隨著CN-濃度增加(從0.0 mol/L到1.9×10-2mol/L)，探針A溶液的顏色由淺黃色(近無色)變為藍色(圖2d)，探針A可以作為裸眼檢測CN-比色探針，裸眼檢測限為10-5mol/L。

由圖2b的光譜滴定曲線，我們繪制了探針A在703 nm處吸光強度與CCN-間的定量關系，如圖3所示。由圖3可以看出，探針A在703 nm處吸光強度與CN-濃度之間呈現良好的線性關系，CCN-的線性區間為0～5.0×10-4mol/L，線性方程為A703=141.81CCN-+0.00336 (×10-4mol/L)，相關系數(R)為0.9913。根據最低檢測限公式DL=Kδ/S，K取3，標準偏差δ=8.57×10-5(23次)，S=141.809，計算得到探針A對CN-濃度的最低檢出限(DL)為1.81×10-6mol/L，達到WHO規定飲水含CN-最高標準值，分析檢測CN-靈敏度較高。

圖3 探針A與[CN-]線性關系圖

2.2 可視性識別CN-比色試紙的制作

將中速定性濾紙裁剪成長條狀并放在0.1 mol/L的鹽酸溶液中浸泡4小時后取出，用蒸餾水洗滌至中性，晾干后再將其放入濃度為2×10-3mol/L探針A的DMSO溶液中，浸泡一夜后取出晾干，得到淺黃色的試紙(如圖4所示)。在試紙上滴加濃度為1×10-3mol/L CN-標準溶液，試紙立即由淺淡黃色變為深藍色。可見，根據試紙的變色，探針A功能化普通試紙將為快速檢測環境中CN-提供又一便捷的比色新方法。

圖4 試紙A(左)及其CN-存在時試紙(右)顏色變化

2.3 探針A比色識別CN-的機理探討

為弄清探針A比色識別CN-的機理，我們向藍色的A與CN-共存DMSO溶液加入少量的質子性溶劑甲醇，發現隨甲醇加入量的遞增，溶液藍色逐漸褪去，且在703 nm 處吸收峰減弱并逐漸消失，而350 nm 處的吸收峰逐漸增強并恢復至未加入氰離子時的強度；這是由于甲醇分子與氰離子競爭探針A分子中的氫鍵結合位點所致，表明探針A分子與氰離子間的作用本質可能為氫鍵作用[13]。

用等摩爾連續變化法[16](P613-615)測定CN-受體與探針A主體的結合比，即將探針A與CN-的總濃度恒定在5×10-5mol/L，改變CN-與探針A濃度分數，記錄混合液在703 nm處吸光度的變化值[10]。以吸光度為縱坐標，以[CN-]/[A]+ [CN-]比值為橫坐標作圖，得到探針A與CN-的Job曲線(圖5)，由圖可計算得到探針A與CN-作用的結合化學計量比為1∶1，其結合模式可能為如圖5插圖所示。

圖5 探針A與CN-作用的Job曲線(總濃度為5×10-5mol/L)；插圖為探針A與CN-可能結合模式

將光譜滴定曲線(圖2b)進行非線性擬合[17]得到圖6。由圖6可得：探針A在DMSO溶劑中與CN-的結合常數K為2.73×103，相關系數為0.99245。探針A與CN-較大的結合常數，證明了探針A對CN-較強的選擇性識別能力。

圖6 探針A與CN-濃度之間非線性擬合曲線

3 結論

本文設計合成一種選擇性識別CN-的比色探針A及其功能化普通試紙，CN-存在下，不僅A溶液及其功能化試紙的顏色由淺黃色變為深藍色，其溶液在703 nm處吸光度與在0～5.0×10-4mol/L CN-濃度范圍內呈現良好的線性關系，檢出限達1.8×10-6mol/L，滿足國際衛生組織(WHO)規定飲水中CN-濃度最高值小于1.9 μM的健康標準。“裸眼”識別CN-最低檢測濃度可達到10-5mol/L(功能化普通試紙的最低可檢測濃度為10-3mol/L)，其他陰離子對CN-識別無干擾。機理研究證明了CN-之間作用本質為氫鍵配位，結合比為1∶1，結合常數為2.7×103mol-1/L。本工作識別CN-，具有快速、便捷，現象直觀等特點，可為設計高效CN-傳感器的構筑提供有益實驗及理論依據。