一種新型的羅丹明席夫堿探針在水環境中檢測銅離子的應用

秦紅霞　顧崢燁　光善儀

摘????? 要： 為快速、高效地檢測環境中的Cu²⁺，以羅丹明B酰肼與2-羥基-4-甲基苯甲醛為起始原料，采用一步反應法制備了一種新型的羅丹明席夫堿探針（（E）-3'，6'-雙（二乙氨基）-2-（（2-羥基-4-甲基亞芐基）氨基）螺[異二氫吲哚-1，9'-呫噸]-3-酮，簡稱RHHM），研究表明該探針可以高選擇性的識別Cu²⁺。將該探針應用于湖水和自來水中Cu²⁺的檢測，其加標回收率均在94%以上，檢測結果具有很高的準確性和可靠性。并將該探針制備成一種便攜式試紙條，結果表明該試紙條具有檢測方便、快速的優點。

關? 鍵? 詞：探針;羅丹明-席夫堿衍生物;Cu²⁺;水環境

中圖分類號：O657.3?????? 文獻標識碼： A?? ???文章編號： 1671-0460（2020）07-1273-05

A novel Rhodamine Schiff Base Probe for Detection of Cu2+ in Water

QIN Hong-xiaa， GU Zheng-yeb， GUANG Shan-yia*

（a. College of Chemistry， Chemical Engineering and Biotechnology， Key Laboratory of Science & Technology of Eco-Textile Ministry of Education;

b. Research Center for Analysis and Measurement & College of Materials Science and Engineering， State Key Laboratory for Modification of Chemical Fibers and Polymer Materials， Donghua University， Shanghai 201620， China）

Abstract： A noval Rhodamine Schiff base probe named （E）-3'，6'-bis（diethylamino）-2-（（2-hydroxy-4-methylbenzy -lidene）amino）spiro[isoindoline-1，9'-xanthen]-3-one （RHHM） was prepared by one-step reaction. The research result showed that this probe had high selectivity for Cu²⁺. When the probe was applied in the detection of Cu²⁺in lake water and tap water， the recovery rate was up to 94%. It has been further proved that this probe can achieves satisfied accuracy in the detection of Cu²⁺in water. Finally， a kind of portable test strip was prepared by using this probe to detect Cu²⁺. The results showed that this test strip was convenient and fast in detection of Cu²⁺.

Key words： Probe; Rhodamine-Schiff base derivative; Cu²⁺; Water environment

金屬離子與人類健康和環境污染息息相關。銅作為一種微量元素，在有機生物體的肝、腦、腎中發揮著非常重要的作用^[1-2]。銅含量過高或者過低都會影響人的身體健康。銅離子含量過低會引起骨質疏松，銅離子含量過高，輕者引起嗜睡和血壓升高，重者會引起神經性疾病，例如帕金森病，朊病毒和阿爾茨海默病等^[3]。目前檢測金屬離子的方法有很多，比如：原子吸收/發射光譜（AAS/AES）、電感耦合-質譜連用（ICP-MS）、電化學法等，但是這些方法由于儀器設備昂貴、操作復雜、攜帶不方便而使實際應用受限。因此尋找一種能夠快速、準確、簡便地檢測Cu²⁺的方法，對于環境污染修復和人體健康等具有重要的意義。熒光探針因具有選擇性好，靈敏度高，儀器成本低，操作簡單，分析速度快等優點已成為科研工作者研究的熱點。熒光探針的種類十分豐富^[4-6]，如熒光素熒光染料、羅丹明熒光染料、萘酰亞胺熒光染料等。羅丹明類染料是以羅丹明為母體，通過多種官能團修飾的一系列衍生物，具有氧雜蒽環剛性平面結構，閉環無色無熒光，開環顯色有熒光^[7]。因其具有良好的光穩定性、較大的摩爾吸收系數以及高的熒光量子產率等優點，從而成為設計熒光探針較理想的熒光團^[8]。席夫堿^[9]是指含有亞氨基（HC=N）或烷亞氨基基團（RC=N）的一類有機化合物。其C=N鍵上的N原子含有孤對電子，容易與金屬離子配位形成配合物，此外席夫堿配基含有共軛芳環結構，所以具有強的光吸收能力，易發生分子內能量轉移。因此，多齒的席夫堿配基是一種兼具有配位螯合和敏化發光雙重功能的配基^[10]。近年來，已經報道了很多用于檢測Cu²⁺的探針，然而多數探針存在水溶性差^[11]以及受到其他金屬離子的干擾^[12]等問題，因此，設計一種高選擇性、水溶性好、檢測方便、高效快速的探針具有重要的科學價值。

本文將羅丹明B酰肼與2-羥基-4-甲基苯甲醛通過一步反應制得新型羅丹明席夫堿探針RHHM。研究發現RHHM可以高選擇性的識別Cu²⁺，對水環境中Cu²⁺的檢測具有很高的準確性和可靠性，并可制備成便攜式試紙條，實現裸眼識別快速檢測Cu²⁺的效果。

1. 實驗部分

1.1? 主要儀器及試劑

Perkin Elmer UV/Vis Spectrometer Lambda 35;

CuSO₄·5H₂O，DMSO均為分析純，均通過國藥化學試劑有限公司購買得到，探針RHHM為本實驗室自己合成。

1.2? 實驗方法

探針儲備液的配制：準確稱量0.1437 g RHHM溶于二甲基亞砜溶劑中，在250 mL容量瓶內定容，配制成10^-3mol濃度溶液。

銅離子儲備液的配制：準確稱取10^-1mol質量的銅離子鹽固體溶于二甲基亞砜中，100 mL容量瓶內定容后配制成10^-2mol濃度離子儲備液。

1. 結果與討論

RHHM結構見圖1。

2.1 ?RHHM光學性能分析

2.1.1? 探針識別的光譜性能

圖2為RHHM和RHHM+Cu²⁺的紫外-可見吸收光譜。從圖中可以看出，探針RHHM本身在560 nm處沒有吸收峰，Cu²⁺加入后，在560 nm處出現吸收峰，并且可以觀察到溶液顏色由無色變為粉紅色，這表明RHHM可以選擇性地識別Cu²⁺，并形成了絡合物。

2.1.2? 不良溶劑水的影響

測試不良溶劑水的影響對于探針的實際應用具有重要意義，因此研究了不同含水量（0%，1%，5%，10%，20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%，90%）對RHHM及RHHM+Cu²⁺吸光度的影響，如圖3所示，由于探針本身的吸光度很弱，因此含水量對RHHM本身影響很小，對于RHHM+Cu²⁺，其吸光度隨水含量的增加先升高后減小，水含量為50%時吸光度最大，因此選擇DMSO/HEPES（1/1， v/v）進行實驗，這也為探針實際應用于水環境中Cu²⁺的檢測提供了條件。

2.1.3? 時間響應

測試了RHHM與Cu²⁺的響應時間，如圖4所示，吸光度隨著時間的延長而逐漸增強，當時間為160 s時，吸光度基本達到穩定，說明RHHM與Cu²⁺的響應時間為160 s，反應非?？焖佟?/p>

2.1.4? 離子選擇性

圖5為在DMSO/HEPES（1/1， v/v）溶液中，反應160 s時，RHHM（10.0 μmol）對不同金屬離子

（10.0 μmol）選擇性識別的吸收光譜圖。從圖中可以看出探針RHHM本身在560 nm沒有吸收峰，加入金屬離子后，只有Cu²⁺在560 nm出現了一個新的吸收峰，并伴有溶液顏色變化，由無色變為粉紅色，而其他金屬離子沒有響應，這表明RHHM可以高選擇性的識別Cu²⁺，無其他離子的干擾。

2.1.5? 檢出限及絡合常數

為了探究RHHM對Cu²⁺檢測的靈敏度，做了紫外滴定實驗。如圖6所示，從圖中可以看出探針RHHM在560 nm處沒有吸收峰，隨著Cu²⁺的加入，RHHM+Cu²⁺在560 nm處的吸收峰逐漸增強并且溶液顏色逐漸變深。圖7為相對吸光強度A/A₀和Cu²⁺濃度的線性關系曲線。根據Stern-Volmer理論^[13]，確定了探針RHHM對Cu²⁺進行檢測時的線性范圍和檢出限等參數，從圖中可以看出Cu²⁺濃度在0.1～10 μmol范圍內與RHHM+Cu²⁺體系的吸光度呈現良好的線性關系，線性方程為：y=0.099x+0.015，相關系數R²=0.997，其最低理論檢出限（3σ/k）為0.1 μmol。圖8為相對吸光強度的倒數[1/A-A₀]和Cu²⁺濃度的倒數1/[Cu²⁺]的線性關系曲線，基于Benesi-Hildebrand方程^[14]，通過圖中的斜率和截距計算得絡合常數為7.5×10⁵mol^-1，由此表明探針RHHM與Cu²⁺形成了穩定的絡合物。

2.2? 探針FHHM的應用研究

2.2.1? 探針RHHM在水環境中的應用

（1）水樣的提取與預處理

為了提高探針的實際應用價值，探究了探針RHHM分別在自來水和湖水中對Cu²⁺的檢測。首先利用帶有墜子的采樣瓶采取不同方向（東南西北）的流動水層表面的水樣約500 mL，再利用絕緣式采木器，采取不同方向（東南西北）不同深度的水樣，最后將采取的8個水樣進行均勻混合，新提取的湖水中含有大量的沉淀和懸浮物，首先對湖水靜置24 h，再取上層溶液進行抽濾，保留濾液，使用透析膜對濾液進行多次透析。最終得到本文章用于實驗檢測的湖水。

（2）對自來水和湖水中Cu²⁺的檢測

由2.1.4知RHHM對Cu²⁺的檢測具有高的選擇性，由2.1.5知RHHM對Cu²⁺檢測的線性范圍為0.1～10.0 μmol，本文章分別取湖水和自來水溶液10組，將湖水和自來水溶液各5組加入2 μmol的Cu²⁺，另外的10組加入5 μmol的Cu²⁺，所用探針濃度10^-5mol，溶液為DMSO/HEPES （1/1， v/v）。每組實驗進行5次，求標準偏差。由

表數據可知，每組實驗的回收率在94%以上，表中測得的結果與實際含有的Cu²⁺的量基本保持一致，且湖水和自來水中其他的成分均沒有干擾。通過對水環境中Cu²⁺的加標回收率實驗可以看出該探針對于水中Cu²⁺的檢測具有準確性和可靠性。

2.2.2? 便攜試紙的制作

為了使探針RHHM在實際應用中更方便，本文章將探針做成便攜試紙條，來研究探針RHHM試紙條在實際應用中的可行性。將試紙條完全浸泡在含有探針（0.01 mol）的DMSO-HEPES（1/1， v/v）溶液中，然后在真空烘箱中干燥24 h，制得便攜試紙條。從圖9當在試紙條上滴上Cu²⁺后，RHHM試紙條迅速由無色變為粉紅色，可用于裸眼觀察，并且隨著滴加Cu²⁺濃度的增大，RHHM試紙條的顏色逐漸變深，因此其可用于不同濃度Cu²⁺的檢測。

3? 結論

本文利用羅丹明B酰肼與2-羥基-4-甲基苯甲醛制備了新型羅丹明席夫堿探針RHHM，利用紫外吸收光譜對RHHM的光學性能進行了研究，結果表明，探針RHHM在DMSO/HEPES （1/1， v/v）的溶液中，表現出了對Cu²⁺的高度選擇性，并且可以通過肉眼觀察到明顯的顏色變化，加入Cu²⁺后，溶液顏色由無色變為粉紅色，檢測時間為160 s，響應速度快，對Cu²⁺檢測的線性范圍為0.1～10 μmol，最低理論檢出限（3σ/k）為0.1 μmol，絡合常數為7.5×10⁵mol^-1。最后將探針RHHM應用到實際水環境中，研究了其對湖水和自來水中Cu²⁺的檢測情況，發現在線性范圍內探針可以定量檢測湖水和自來水中的Cu²⁺，回收率均在94%以上，并且制作了RHHM便攜式試紙條，達到裸眼快速檢測Cu²⁺的效果。

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