PNTU 探針-熒光猝滅法測定Hg2＋的含量

劉 丹,陳安銀,2,向文軍,顏 爽,楊 雄

(1.四川文理學院 化學化工學院,達州 635000;2.四川文理學院“特色植物開發研究”四川省高校重點實驗室,達州 635000)

Hg2＋是具有生理毒性的過渡金屬離子之一[1-2],其毒性具有持久性、易遷移性和高度的生物富集性,會對人體造成極大的危害[3-4],因此開發和研究新型的Hg2＋識別方法顯得尤為重要。如何快速、高選擇性、靈敏地檢測Hg2＋,成為眾多科研工作者努力的方向。目前,識別Hg2＋的方法有很多,如原子發射光譜法[5]、原子吸收光譜法[6]、極譜法[7]、電化學傳感器[8]、光化學傳感器[9-10]等,但這些方法存在成本高、合成工藝復雜、靈敏度低等問題。熒光猝滅法操作簡單,無需貴重儀器,被廣泛應用于建立離子識別體系中[11]。

本工作制備了一種易于合成的硫脲分子PNTU探針(后文1.3.1節,結構式見圖1),基于其對Hg2＋的專一性、高靈敏度比色識別特性,建立了熒光猝滅法測定Hg2＋含量的方法。

1 試驗部分

1.1 儀器與試劑

F-4500型熒光分光光度計;Mercury-400BB 型核磁共振儀。

4-羥乙基哌嗪乙磺酸(HEPS)緩沖液:10 mmol·L－1,pH 7.4。

PNTU探針溶液:稱取10.40mg制備好的PNTU探針,用乙腈溶解并定容至5 mL容量瓶中,配制成濃度為5 mmol·L－1的PNTU 探針溶液。

Hg2＋標準儲備溶液:稱取4.50 mg Hg(ClO4)2·3H2O,用水溶解并定容至50 mL 容量瓶中,配制成濃度為20.0μmol·L－1的Hg2＋標準儲備溶液。使用時用水逐級稀釋至所需濃度。

所用試劑均為分析純;試驗用水為二次蒸餾水。

1.2 儀器工作條件

光譜帶寬為5 nm;光電倍增管電壓為400 V;激發波長為447 nm,發射波長為525 nm。

1.3 試驗方法

1.3.1 PNTU 探針的合成與表征

稱取4-溴-1,8-萘酐1.390 g(2.71 mmol)于15 mL乙醇中,逐滴加入2 mL 80%(質量分數)水合肼溶液,室溫反應過夜后,抽濾,濾餅用乙醇、水洗滌后干燥。取第一步產物A 0.873 g(3 mmol),加入10 mL吡咯烷,氮氣保護下加熱回流過夜。充分反應后,將反應液冷卻至室溫,倒入冰水中,過濾,得到紅褐色固體,用冰水洗滌后干燥。取第二步產物B 0.280 g(1 mmol)于15 mL乙腈中,室溫攪拌下滴加1 mL 異硫氰酸苯酯(Ph NCS),加熱回流過夜。反應完成后減壓濃縮以除去溶劑,用水充分洗滌得到最終目標產物PNTU探針。1H NMR(500 MHz,DMSO-d6)δ:10.00(s,1 H),9.88(s,1 H),8.80(d,J＝16.2 Hz,1H),8.48(d,J＝6.9 Hz,1 H),8.28(d,J＝8.6 Hz,1 H),7.66(t,J＝7.8 Hz,1 H),7.06～7.56(m,5H),6.94(d,J＝8.5 Hz,1 H),3.79(s,4H),2.02(s,4 H)。

PNTU 探針的合成反應路線見圖1。

圖1 PNTU 探針的合成Fig.1 Synthesis of PNTU probe

1.3.2 PNTU 探針對Hg2＋的識別原理

向PNTU 探針溶液中加入一定量的Hg2＋,按儀器工作條件測定加入Hg2＋溶液前后體系的熒光強度。結果發現,當加入Hg2＋后,體系熒光發生明顯猝滅(圖2),溶液顏色由黃色變為橙紅色。據此,可建立PNTU 探針對Hg2＋的比色識別。

圖2 熒光光譜圖Fig.2 Fluorescence spectrum

1.3.3 樣品的測定

將4μL的20μmmol·L－1的PNTU 探針溶液與2 mL體積比為8∶2的乙腈-HEPS緩沖液的混合液混合均勻,然后加入含Hg2＋的樣品溶液,反應1 min,按儀器工作條件分別測定體系加入樣品溶液前后的熒光強度。

2 結果與討論

2.1 溶劑的選擇

試驗考察了分別以甲醇、乙醇、二氯甲烷、乙腈等有機溶劑與HEPS 緩沖液混合后作為溶劑時對PNTU 探針識別Hg2＋的影響。結果顯示,當以乙腈-HEPS緩沖液的混合液為溶劑時,體系的熒光強度降低值較大。

試驗進一步考察了乙腈、不同體積比(9∶1,8∶2,7∶3,6∶4,5∶5,4∶6,3∶7,2∶8,1∶9)的乙腈-HEPS緩沖液的混合液、HEPS緩沖液對體系熒光強度的影響。結果顯示,當乙腈與HEPS緩沖液按照體積比8∶2混合時,體系達到較好的熒光猝滅效果,因此試驗選擇溶劑為體積比8∶2的乙腈-HEPS緩沖液的混合液。

2.2 PNTU 探針濃度的選擇

試驗考察了濃度為5,10,15,20,25μmol·L－1的PNTU 探針溶液對Hg2＋-PNTU 體系熒光強度的影響。結果顯示,當 PNTU 探針濃度為20μmol·L－1時,體系熒光被較大程度地猝滅。因此,試驗選擇PNTU 探針的濃度為20 μmol·L－1。

2.3 反應時間的選擇

在上述試驗條件下,分別在Hg2＋加入后反應1,3,10,30,60,120 min時測定Hg2＋-PNTU 體系的熒光強度,考察了反應時間對體系熒光強度的影響。結果顯示,在加入Hg2＋1 min后,體系的熒光強度幾乎沒有變化,說明Hg2＋與PNTU 探針反應較迅速,反應時間對該體系熒光強度的影響不大。

2.4 PNTU 探針對Hg2＋的專一性

在含20μmol·L－1PNTU 探針的乙腈-HEPS緩沖液的混合液中,分別加入含20μmol·L－1的Mn2＋、K＋、Ni2＋、Al3＋、Na＋、Zn2＋、Cd2＋、Hg2＋、Fe3＋、Cr3＋、Cu2＋、Ag＋、Co2＋、Mg2＋等14種金屬離子的乙腈-HEPS緩沖液的混合液,按儀器工作條件測定上述體系的熒光強度,所得體系的熒光強度和溶液顏色變化見圖3。

圖3 金屬離子對體系熒光強度和溶液顏色的影響Fig.3 Effect of metal ions on fluorescence intensity of system and color of the solution

由圖3可知:僅Hg2＋存在時,體系熒光強度明顯降低,并且溶液顏色由黃色變為橙紅色;而加入其他13種金屬離子后,體系熒光強度和溶液顏色均未發生明顯變化,表明PNTU 探針對Hg2＋的識別具有較高的專一性。

2.5 干擾試驗

在含20μmol·L－1PNTU 探針的乙腈-HEPS緩沖液的混合液中分別 加入20 μmol·L－1的Mn2＋、K＋、Ni2＋、Al3＋、Na＋、Zn2＋、Cd2＋、Hg2＋、Fe3＋、Cr3＋、Cu2＋、Ag＋、Co2＋、Mg2＋等14種金屬離子溶液。首先觀察溶液顏色的變化,發現只有含Hg2＋的溶液顏色由黃色變成橙紅色。再將等量的Hg2＋溶液分別加入到上述體系中,此時溶液顏色均變為橙紅色,體系熒光強度變化見圖4。

圖4 金屬離子對PNTU 探針識別Hg2＋的影響Fig.4 Effect of metal ions on Hg2＋recognition with PNTU probe

由圖4可知,其他離子的存在不干擾PNTU 探針對Hg2＋的比色識別。

2.6 標準曲線和檢出限

將Hg2＋標準儲備溶液逐級稀釋,配制成0,2.00,4.00,6.00,8.00,10.0,12.0,14.0,16.0,18.0,20.0μmol·L－1的Hg2＋標準溶液,按照試驗方法測定各體系的熒光強度,結果見圖5。

由圖5可知,隨著Hg2＋濃度的增大,體系的熒光強度逐漸降低。據此,可建立測定Hg2＋的標準曲線。

圖5 Hg2＋濃度對體系熒光強度的影響Fig.5 Effect of concentration of Hg2＋on fluorescence intensity of system

以Hg2＋的濃度為橫坐標,其對應體系的熒光強度降低值(ΔF)為縱坐標繪制標準曲線。結果顯示,Hg2＋的濃度在20.0μmol·L－1以內與其對應體系的熒光強度降低值呈線性關系,線性回歸方程為ΔF＝－2.311×103c＋6.163×103,相關系數為0.998 4。

以3倍信噪比(S/N)計算檢出限(3S/N),結果為1.8 nmol·L－1。同時,與文獻中測定Hg2＋的方法進行對比,結果見表1。

表1 不同Hg2＋檢測方法的比較Tab.1 Comparison of different methods for Hg2＋detection

由表1可知,本方法對Hg2＋的測定有較高的靈敏度。

2.7 精密度和回收試驗

按照試驗方法對實際水樣進行測定,結果顯示,水樣中均未檢出Hg2＋。對水樣進行3個濃度水平的加標回收試驗,每個濃度平行測定5次,計算回收率和測定值的相對標準偏差(RSD),結果見表2。

表2 精密度和回收試驗結果(n＝5)Tab.2 Results of tests for precision and recovery(n＝5)

由表2可知,Hg2＋的回收率為99.6%～104%,測定值的RSD 為0.85%～2.6%。

2.8 檢測試紙的應用

為了拓展PNTU 探針對Hg2＋檢測的實際應用性能,設計制作了以PNTU 為探針的比色檢測試紙。

將Waterman 3M 濾紙用10%(體積分數)鹽酸溶液浸泡,然后用水多次洗滌直至中性,真空烘干,在1×10－3mol·L－1PNTU 探針溶液中浸泡20 s后,于40 ℃恒溫真空干燥箱烘干20 min,制得檢測試紙。將Hg2＋與廢水中其他離子及有機物混合,配制模擬廢水溶液,其中 Hg2＋濃度為2×10－3mol·L－1,其他離子濃度為2×10－5mol·L－1。將模擬廢水與體積比8∶2的乙腈-HEPS緩沖液的混合液按照體積比1∶4混合,在制備好的試紙上滴加上述含Hg2＋的模擬廢水。

結果表明,試紙顏色由黃色變為橙紅色,說明該試紙可快速檢測模擬廢水中是否存在Hg2＋。用含Hg2＋的模擬廢水來測試Hg2＋的檢出限,當濃度低于15 nmol·L－1時,試紙顯色較淺,需借助空白試紙才可以辨認,因此該檢測試紙對Hg2＋的檢出限為15 nmol·L－1。

本工作設計合成了一種硫脲PNTU 探針,采用熒光猝 滅法考察 了其對Mn2＋、K＋、Ni2＋、Al3＋、Na＋、Zn2＋、Cd2＋、Hg2＋、Fe3＋、Cr3＋、Cu2＋、Ag＋、Co2＋、Mg2＋等14種金屬離子的識別性能。結果顯示,PNTU 探針能夠對Hg2＋進行專一性比色識別,并且干擾試驗證明,PNTU 探針在有其他金屬離子存在的情況下仍可檢測出 Hg2＋,檢出限為1.8 nmol·L－1,表明該方法對Hg2＋檢測具有較高的靈敏度。此外,基于PNTU 探針對Hg2＋的專一性識別,制備了Hg2＋的檢測試紙,可用于方便快捷地檢測模擬廢水中是否存在Hg2＋,具有一定應用前景。