水楊醛衍生物的合成及其離子識別性能研究

楊麗,冷慧婷,陳新

(1.皖西學院 實訓部,安徽 六安 237012;2.皖西學院 材料與化工學院,安徽 六安 237012)

重金屬離子污染已嚴重威脅到人類生存安全。發展重金屬離子的檢測方法也成為一個研究熱點[1-2]。目前重金屬離子的檢測方法主要有絡合滴定法[3]、分光光度法[4]、化學分光分析法[5]、電化學分析法[6]、色譜法[7]、高效液相色譜法[7-8]、原子光譜法[9]、質譜法[10]、紫外分光光度法[11]等。以上方法具有高效、迅速和精確等優點,但是由于需要大型設備和復雜操作,具有很大的局限性[12]。

現今人們已經合成出了許多羅丹明類金屬陽離子的熒光探針,如檢測Pb2+[13-14]、Hg2+[15-16]、Cu2+[17-19]、Fe3+[20-21]。本文通過合成的羅丹明6G酰肼與水楊醛的縮合反應,兩步法合成了探針L,用比色法、熒光光譜法、紫外-可見吸收光譜法對探針L識別金屬陽離子性能進行了研究,并且用紅外對探針識別機理進行研究。根據實驗結果發現探針L可以很靈敏地通過熒光光譜和紫外光譜分別識別Bi3+和Cu2+,由于此探針L的合成工藝操作綠色安全,通過熒光光譜儀和紫外-可見分光光度計識別金屬離子操作成本低,所以可以將本文的識別方法應用到工業生產以及工業重金屬識別中,并且還能應用定量識別金屬離子中。重金屬離子檢測一直都是當代的研究熱點,因此,發展高選擇性、高靈敏度地檢測生物體內外以及環境中的金屬離子的檢驗方法,一直是具有非常重要意義的研究課題[22-23]。

1 材料和方法

紫外光譜、紅外光譜和熒光光譜檢測分別采用TU-1950型紫外-可見分光光度計、LR 65912C型傅里葉變換紅外光譜儀和RF-5301PC型熒光光譜儀,紫外光照射采用ZF-1型三用紫外分析儀。所有試劑均為分析純,購自國藥集團。

2 實驗方法

2.1 水楊醛衍生物探針L的合成

探針L的合成流程如圖1所示。

圖1 探針L的合成流程圖

兩步法合成探針L:第一步以羅丹明6G和水合肼為原料合成羅丹明6G酰肼[23];取2.352 6 g(0.005 mol)羅丹明6G(95%)溶解于20 mL的無水乙醇中,再加入6 mL的水合肼(80%)在80 ℃下反應2.5 h,生成淺粉色沉淀,即為羅丹明6G酰肼,然后采用離心操作(離心泵轉速9 000 r/min 5 min)兩次,并且用無水乙醇和去離子水混合液(V無水乙醇∶V去離子水= 1∶1)洗滌三次。放置真空干燥箱內,65 ℃干燥12 h后得到1.859 9 g羅丹明6G酰肼淺粉色顆粒,產率86.91 %。第二步以第一步合成的羅丹明6G酰肼和水楊醛合成席夫堿[19];取0.852 2 g (0.002 mol)羅丹明6G酰肼溶于100 mL無水乙醇中,加入2 mL水楊醛,并且加入3 mL乙酸作催化劑,在70 ℃下反應10 h,得到橙紅色的溶液。靜置18 h,得到紅色沉淀物。采用離心操作(離心泵轉速10 050 r/min 5 min),先用乙醇洗滌兩次,再用乙醚洗滌兩次。然后放置真空干燥箱內,60 ℃干燥12 h,得到水楊醛衍生物探針固體0.487 g,產率45.9 %。

2.2 母液的配制

2.2.1 金屬陽離子溶液配制

配制Zr3+、Ag+、La3+、Cd2+、Zn2+、Sr2+、Co2+、Ca2+、Mn2+、Na+、K+、Cu2+、Ba2+、Hg2+和Bi3+金屬陽離子2×10-2mol/L的水溶液為母液。其中,Mn2+和Cd2+溶液用醋酸鹽配制,其余溶液均用硝酸鹽配制。

2.2.2 探針L母液的配制

用丙酮與乙醇混合溶劑(V丙酮∶V乙醇= 2∶1)配制1×10-3mol/L的探針L溶液。

2.3 熒光光譜法識別

2.3.1 熒光光譜識別Bi3+操作

配制丙酮、乙醇和水的混合溶劑(V丙酮∶V乙醇∶V水= 4∶2∶1),后續熒光檢測和紫外檢測均采用此混合溶劑。取2 mL混合溶劑置于比色皿中,分別加入2 μL的L+Mn+溶液,充分混勻,得到10-6mol/L的L+Mn+溶液。用熒光光譜儀測定各種L+Mn+溶液的熒光強度。激發波長350 nm,狹縫寬度5 nm。后續實驗所有熒光檢測條件相同。

2.3.2 熒光光譜識別Bi3+干擾實驗

取2 mL丙酮、乙醇和水(V丙酮∶V乙醇∶V水= 4∶2∶1)的混合溶劑置于比色皿中,加入2 μL 2×10-3mol/L的Bi3+溶液,再加入2 μL的L + Mn+溶液(n(Bi3+)∶n(Mn+)=3∶10),搖勻后室溫檢測熒光強度,觀察Bi3+溶液對L+Mn+溶液熒光強度的影響。

2.3.3 熒光光譜檢測Bi3+的檢測限

根據公式LOD= 3δ/k,計算探針L識別Bi3+的檢測限。其中δ表示空白溶液(不加任何金屬陽離子溶液的探針溶液)熒光強度的標準偏差;k表示加入不同濃度Bi3+溶液后的探針溶液的熒光強度隨濃度的變化斜率。

空白溶液用2 mL有機溶劑加入2 μL探針L溶液配制,混勻,分別熒光檢測三組。求得標準偏差δ。

取2 mL混合溶劑加2 μL探針L溶液,采用累加法依次加1×10-4mol/L Bi3+溶液5,10,15,20,25,30 μL,分別混勻等待絡合充分,測定熒光強度,用origin軟件線性擬合,可得到k值。

2.3.4 熒光光譜檢測Bi3+和探針的絡合比

在2 mL有機溶劑加入2 μL不同物質的量比的(0∶10,1∶9,2∶8,3∶7,4∶6,5∶5,6∶4,7∶3,8∶2,9∶1,10∶1)探針L溶液和Bi3+溶液。分別混勻,待絡合充分后,測定熒光強度,根據熒光強度最大值確定探針L和Bi3+的絡合比。

2.4 紫外光譜法識別

2.4.1 紫外光譜識別Cu2+離子

取2 mL混合溶劑置于比色皿中,分別加入20 μL的L+Mn+溶液,充分混勻,得到10-5mol/L的L+Mn+溶液。用紫外-可見分光光度計測定各種L+Mn+(Zn2+、Na+、K+、Ba2+、Sr2+、Ca2+、Cu2+、Ag+、Co2+、La3+、Mn2+和Cd2+)溶液的吸光度。設置參數范圍:掃描200～900 nm波長范圍,吸光度數值范圍為-1.000～2.000,后續實驗所有紫外光譜檢測條件相同。

2.4.2 紫外光譜識別Cu2+干擾實驗

取2 mL丙酮、乙醇和水(V丙酮∶V乙醇∶V水= 4∶2∶1)的混合溶劑置于比色皿中,加入20 μL 1×10-3mol/L的Cu2+溶液,再加入20 μL的L+Mn+溶液(n(Cu2+)∶n(Mn+)=3∶20),搖勻后室溫檢測吸光度,觀察Cu2+溶液對L+Mn+溶液吸光度的影響。

2.4.3 紫外-可見光譜檢測Cu2+的檢測限

根據公式LOD= 3δ/k,計算探針L識別Cu2+的檢測限。其中δ表示空白溶液(不加任何金屬陽離子溶液的探針溶液)吸光度的標準偏差;k表示加入不同濃度Cu2+溶液后的探針溶液的吸光度隨濃度的變化斜率。

空白溶液用2 mL有機溶劑加入20 μL探針L溶液配制,混勻,分別用紫外-可見分光光度計檢測三組。求得標準偏差δ。

取2 mL混合溶劑加20 μL探針L溶液,再依次加1×10-3mol/L Cu2+溶液24,30,36,42,48,54,60,66,72 μL。分別混勻等待絡合充分,測定吸光度,用origin軟件線性擬合,可得到k值。

2.4.4 紫外-可見光譜檢測Cu2+和探針的絡合比

在2 mL有機溶劑加入20 μL不同物質的量比例的(0∶10,1∶9,2∶8,3∶7,4∶6,5∶5,6∶4,7∶3,8∶2,9∶1,10∶1)探針L溶液和Cu2+溶液。分別混勻,待絡合充分后,測定吸光度,根據吸光度最大值確定探針L和Cu2+的絡合比。

3 結果與分析

3.1 熒光光譜法識別

3.1.1 熒光光譜法識別Bi3+

由圖2可以看出,熒光掃描光譜在金屬陽離子(Zr3+、Ag+、La3+、Cd2+、Zn2+、Sr2+、Co2+、Ca2+、Mn2+、Na+、K+、Cu2+、Ba2+、Hg2+和Bi3+)濃度均為1×10-6mol/L,在15種不同金屬陽離子探針溶液中,Bi3+對應的在熒光強度峰值最高,探針L的熒光強度很低,加入Bi3+后的探針溶液的熒光強度明顯加強,說明探針對Bi3+有明顯的識別作用。

圖2 在460～660 nm范圍內15種不同金屬陽離子探針溶液的熒光光譜圖

3.1.2 熒光光譜識別Bi3+干擾實驗

由圖3干擾圖可以看出,灰色空心柱體表示識別實驗中不同金屬離子探針溶液熒光強度的大小,可以看出Bi3+對應的柱體最高,而其他離子在其濃度溫度等外界條件相同的情況下產生的熒光強度比較低。接著在上述含有不同金屬離子的溶液中繼續加入Bi3+,金屬陽離子溶液在555 nm處的熒光強度均明顯增大,如圖黑色柱體所示,說明該探針對Bi3+的響應不受其它共存金屬離子的干擾。

圖3 其他金屬陽離子對熒光識別Bi3+的干擾

3.1.3 熒光光譜檢測Bi3+的檢測限

未加Bi3+的探針空白溶液在555 nm測三組熒光強度分別為:67.94,67.598,67.929,求得δ=0.194 36。Bi3+的濃度從5×10-7mol/L到3×10-6mol/L,溶液的熒光強度隨著Bi3+的濃度增大而增大,并且根據圖4可以得到線性擬合后的k=2.065 2×108。根據檢測限公式LOD= 3δ/k求得LOD=2.823×10-9mol/L。

圖4 探針L在555 nm處的熒光強度與Bi3+濃度的線性關系

3.1.4 熒光光譜檢測 Bi3+和探針的絡合比

將L+ Bi3+濃度值控制在2×10-6mol/L,通過調整探針L濃度和 Bi3+濃度之比,檢測最大熒光值。由圖5可以看出,隨著[L]的比值越來越大,熒光強度不斷增大,并且在[L]∶[Bi3+]=2∶1時熒光強度達到最大值,隨后探針L濃度再繼續增大,熒光強度反而降低。由此可知[L]∶[Bi3+]=2∶1時熒光強度值最大,探針L和Bi3+的絡合比為2∶1。

圖5 探針L和 Bi3+絡合比

3.2 紫外光譜法識別

3.2.1 紫外光譜識別Cu2+離子

由圖6a可以看出Cu2+和探針L在325～600 nm范圍吸光度值很高,并且探針L本身的吸光度較強,根據b圖可以看出在430～600 nm范圍里Cu2+的吸光度峰值高于探針L的吸光度,其他金屬陽離子(Zn2+、Na+、K+、Ba2+、Sr2+、Ca2+、Ag+、Co2+、La3+、Mn2+、Cd2+)的吸光度均低于探針L的吸光度。說明含有Cu2+的探針溶液能增強探針L的吸收紫外光的能力,而其他11種金屬陽離子溶液抑制探針L的紫外光吸收能力,進而說明探針能在12種金屬陽離子中識別出Cu2+。

圖6 紫外光譜法識別Cu2+離子

3.2.2 紫外光譜識別Cu2+離子干擾實驗

其他金屬陽離子對紫外識別Cu2+的干擾見圖7。

圖7 其他金屬陽離子對紫外識別Cu2+的干擾

根據圖7干擾圖可以看出,灰色空心柱體表示不同金屬離子探針溶液吸光度的大小,可以看出Cu2+對應的柱體最高,而其他離子在其濃度溫度等外界條件相同的情況下產生的吸光度也很小。接著在上述含有不同金屬離子的溶液中繼續加入Cu2+,金屬陽離子溶液在528 nm處的吸光度均明顯增大,如圖7黑色柱體所示,說明該探針對Cu2+的識別不受其它共存金屬離子的干擾[19]。

3.2.3 紫外光譜識別Cu2+離子檢測限

未加Cu2+的探針空白溶液在528 nm測三組吸光度分別為:0.319,0.311,0.321,求得δ=0.005 29。Cu2+的濃度從1.2×10-5mol/L到3.6×10-5mol/L,溶液的吸光度隨著Cu2+的濃度增大而增大,并且根據圖8可以得到線性擬合后的k=17 461.1。根據檢測限公式LOD= 3δ/k求得LOD=9.09×10-7mol/L。

圖8 Cu2+的濃度與吸光度的線性關系

3.2.4 紫外光譜研究Cu2+離子和探針L絡合比、絡合常數

將L+ Cu2+濃度值控制在2×10-5mol/L,通過調整探針L濃度和Cu2+濃度之比,檢測最大吸光度值。根據圖9可以看出,隨著[L]的比值越來越大,吸光強度不斷增大,并且在[L]∶[Cu2+]=1∶1時吸光度達到最大值,隨后探針L濃度再繼續增大,吸光度反而隨之降低。由此可知,[L]∶[Cu2+]=1∶1時吸光度值最大,所以探針L和Cu2+的絡合比為1∶1。圖10是探針L與Cu2+絡合比為1∶1時根據檢測限數據進行Benesi-Hildebrand曲線的線性擬合作圖,如上圖所示結果,由Benesi-Hildebrand方程計算得出探針L與Cu2+絡合比為1∶1時的絡合常數K=5.28×104L/mol。說明探針L與Cu2+能夠形成穩定的性好的絡合物。

圖9 探針L和Cu2+絡合比

圖10 探針L與Cu2+的絡合常數

4 結論

通過兩步合成反應步驟合成水楊醛衍生物席夫堿探針,然后通過熒光光譜法、紫外-可見吸收光譜法研究探針L不同種類金屬陽離子溶液的識別作用。在15種金屬(Zn2+、Na+、K+、Ba2+、Sr2+、Ca2+、Cu2+、Ag+、Co2+、Zr3+、La3+、Bi3+、Mn2+、Cd2+、Hg2+)陽離子溶液中,通過熒光光譜法檢測出探針L對Bi3+有識別作用,根據干擾實驗說明該探針對Bi3+的響應不受其它共存金屬離子的干擾,并且探針L所能檢測出的Bi3+最低含量為2.823×10-9mol/L,根據絡合比實驗求得探針L和Bi3+的絡合比為2∶1。通過紫外-可見吸收光譜法檢測出探針L對Cu2+有識別作用,根據干擾實驗說明該探針對Cu2+的響應不受其它共存金屬離子的干擾,并且探針L所能檢測出的Cu2+最低含量為9.09×10-7mol/L,根據絡合比實驗求得探針L和Cu2+的絡合比為1∶1,由Benesi-Hildebrand方程計算得出絡合常數K=5.28×104L/mol。