水溶液中对Cr3＋高选择性荧光化学传感器的研究

孔华杰，祖福丽，李 茜，王晨娟，徐括喜

（河南大学 化学化工学院 精细化学与工程研究所，河南 开封475004）

铬，主要以三价和六价两种价态存在.三价铬，Cr3＋，在人和动物体内是一种重要的金属离子，因为它能够提高胰岛素的敏感性，并通过碳水化合物，脂肪，蛋白质的代谢成为“葡萄糖耐量因子”的重要组成部分［1］.Cr3＋是人体中所必需的微量元素之一，Cr3＋缺乏会增加糖尿病和心血管疾病发生的概率［2］；而Cr6＋会导致肝、肾病变等严重的健康问题［3］.此外，工农业活动引起的Cr6＋积累也会杀死水体中浮游动植物，造成环境的污染.因此，为了很好的区分这两种价态，选择和发展合适的化学传感器变得非常重要.由于荧光传感检测手段较其他技术手段（例如电化学检测技术［4］）先进，到目前为止，Cr3＋的荧光化学传感器的设计合成也取得了显著的成果［5］.但是，大多数的传感器具有选择性不高、灵敏度差、易受其他过渡金属离子干扰等缺点.此外，有些荧光传感器是由多个有机合成步骤实现的，增加了传感器的成本［6］.我们所设计合成的对Cr3＋具有专一选择性的荧光化学传感器克服了上述的缺点，其在生理pH水溶液中对Cr3＋选择性和专一性至今还未见报道.

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

F－7000FL型荧光光谱仪；用Mel－TEMPⅡ型熔点仪测定熔点；所用试剂均为市售分析纯试剂，所有无水试剂使用前均使用标准方法纯化；去离子水用二次蒸馏水.传感器1按照文献［7］的方法合成，其结构如图1所示.

2 结果与讨论

2.1 荧光光谱研究

我们通过荧光滴定的方法在水溶液中（含有0.3%DMSO）测定金属离子与化合物的配合情况，化合物1在水溶液中的荧光发射波长为388nm.向化合物1中分别加入30倍的不同金属离子时，其荧光变化如图2所示.当加入30倍的Cr3＋时，荧光发射波长不变，荧光强度猝灭.然而当加入30倍的其他金属离子（如Li＋，Na＋，K＋，Zn2＋，Co2＋，Ni2＋，Cu2＋，Fe3＋，Mn2＋）时，化合物1的荧光发射波长和荧光强度都基本上保持不变.

图1 传感器1的结构Fig.1 The structure of the sensor 1

图2 加入不同金属离子时传感器1的荧光光谱Fig.2 Fluorescence spectra changes of sensor 1 upon addition of various metal ions

图3是化合物1随着Cr3＋的浓度的增加的荧光光谱变化曲线图和最小二乘法非线性拟合图.随着Cr3＋的加入，荧光在388nm处强度逐渐降低至猝灭.通过最小二乘法非线性拟合公式计算得到其相关系数为0.999 4.荧光猝灭现象可以用经典的光诱导电子转移机理（PET）［8］来解释.当加入Cr3＋后，主客体形成络合物，增强了键合位的还原电势，促进了键合位到萘环激发态的电子转移，使PET过程变得更加容易，从而观测到Cr3＋诱导的荧光猝灭现象.我们通过紫外光谱验证了这一机理，在加入不同浓度的Cr3＋后，主体化合物中萘环的特征吸收峰强度没有发生改变，从而验证了主客体作用时的PET机理.

图3 （a）加入Cr3＋后传感器1的荧光光谱变化图；（b）非线性拟合曲线Fig.3 （a）Fluorescence spectra of the sensor 1 upon addition of Cr3＋ ；（b）The nonlinear curve fitting of sensor 1

2.2 络合常数计算

非线性曲线拟合（相关系数大于0.99）表明主客体之间形成了1∶1的配合物.对于化学计量比为1∶1的配合物［9］，络合常数（Kass）和相关系数（R）在Origin 7.5软件中可以使用下面的公式进行计算：

式中I表示荧光化学传感器1加入不同金属离子后的荧光强度，I0表示荧光化学传感器1不加金属离子的荧光强度，cH、cG分别表示荧光化学传感器1和金属离子的浓度.根据以上公式，利用荧光化学传感器1在388nm处的荧光猝灭计算出来络合常数Kass＝（7.80±0.34）×103.非线性曲线拟合所得的相关系数值极高（R＞0.99），证明荧光化学传感器1和Cr3＋间形成了1∶1的络合物.

我们用工作曲线法证明了传感器1和Cr3＋间的化学计量比.当主体与客体总浓度（H2O作溶剂，3.0×10－4mol／L）不变情况下，通过连续改变客体的物质的量｛［G］／（［G］＋［H］）｝，测定主体化合物的荧光强度.图4为主体1与客体Cr3＋作用时的工作曲线图（I0：荧光初始强度，I：加入Cr3＋后的荧光强度）.当主客体的物质的量的比例为0.5时，溶液荧光强度最大，说明主体1与Cr3＋形成 了1∶1络合物.

检出限是用来说明目标分析物能被准确检测出的最小量.我们利用荧光光谱作图，进行直观的线性计算得到主客体相互作用能检测到荧光响应时的Cr3＋的最小浓度，即检出限为1.66×10－5mol／L，低于质量控制的方法检出限，说明该传感器能检测到痕量的Cr3＋（图5）.

图4 传感器1和Cr3＋的工作曲线Fig.4 Job plots of sensor 1 with Cr3＋

图5 传感器1在HEPES缓冲溶液中对Cr3＋的检测限Fig.5 The determination 1 of the detection limit（LOD）for Cr3＋in HEPES buffer

通过以上对荧光光谱的研究和对络合常数的计算，我们推测了可能的键合模式，并且在紫外光谱中得到了验证，可能的键合模式如图6所示.

图6 传感器1与Cr3＋可能的键合模式Fig.6 Proposed binding model of sensor 1 with Cr3＋

3 结论

设计了一个基于1－萘酚的新型金属离子荧光化学传感器，通过荧光光谱研究了其对不同金属离子的选择性识别能力.结果表明，该传感器在生理pH水溶液中对Cr3＋表现出较高的选择性.通过传感器1与Cr3＋络合常数和相关系数的计算进一步表明，其与Cr3＋形成的1∶1配合物，对Cr3＋表现出高度的选择性和专一性，具有很好的潜在应用价值.

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