西维因在甲醇-水二元混合溶剂中的三维荧光光谱特性研究

肖 雪，赵南京*，于绍慧，马明俊，杨瑞芳，殷高方，段静波，方 丽，张玉钧，刘文清

1. 中国科学院环境光学与技术重点实验室，中国科学院安徽光学精密机械研究所，安徽 合肥 230031 2. 合肥师范学院数学系，安徽 合肥 230061

西维因在甲醇-水二元混合溶剂中的三维荧光光谱特性研究

肖 雪1，赵南京1*，于绍慧2，马明俊1，杨瑞芳1，殷高方1，段静波1，方 丽1，张玉钧1，刘文清1

1. 中国科学院环境光学与技术重点实验室，中国科学院安徽光学精密机械研究所，安徽 合肥 230031 2. 合肥师范学院数学系，安徽 合肥 230061

农药的广泛使用对环境产生了重要的影响，西维因作为一种重要的广谱高效杀虫剂在很多地表水中残留，了解和掌握西维因在环境中的光谱特性及检测方法具有重要意义。研究了西维因的激发-发射三维荧光光谱特性，通过改变甲醇-水二元混合溶剂中甲醇的体积比，探讨了不同体积比的甲醇-水混合溶剂对西维因三维荧光光谱的影响。研究结果表明，西维因的特征荧光光谱峰为单峰，西维因的激发波长和发射波长范围分别处于： 244～304和300～350 nm，最大激发/发射峰位置分别位于280和335 nm。随着甲醇-水二元混合溶剂中甲醇含量的增加，西维因的三维荧光光谱未出现明显位移，但是荧光光谱强度随甲醇含量的增加出现了非线性的变化，这主要与二元混合溶剂自身独特的性质有关。

西维因； 甲醇-水混合溶剂； 溶剂效应； 三维荧光光谱

引 言

杀虫剂是化学污染物中的一类重要的潜在化合物，被广泛应用于农业和卫生等领域，并被释放到环境中。然而，其中大多数是高毒性的，可以表现出高的化学稳定性和耐降解性，对水生和土壤生态系统造成持续污染。西维因是氨基甲酸酯类农药的一种，氨基甲酸(NH2COOH)结构中的氧或者氮原子上的酯被脂肪族或芳香族所取代。西维因和氨基甲酸酯分子结构如图1所示。虽然西维因具有胆碱酯酶抑制作用，但最近的研究结果表明西维因也具有一定的危害。例如，西维因可以改变肝微粒体酶，引起亚慢性神经毒性，造成免疫功能的改变，氰基细菌与西维因和1-萘酚结合后具有更高的毒性[1]。EPA将其列为可能对人体产生致癌作用的一类物质。西维因在美国的许多地表水中被检测到，浓度为微克每升[2-3]。

由于西维因自身具有荧光，荧光方法对西维因的检测引起了人们广泛的兴趣，其中激发-发射矩阵三维荧光光谱在其定性和定量分析中发挥着越来越大的作用。Pablo Santa-Cruz等[4]利用三阶多元校正算法结合动力学光谱测量，研究了西维因在水解过程中的荧光光谱随时间变化； Rubio等[5]利用激发-发射分子荧光和平行因子分析方法对干石灰树花中的西维因、多菌灵和1-萘酚进行了识别和定量分析； 朱绍华等利用激发发射矩阵荧光定量分析了自来水、河水[6]和污水[7]中的西维因，并考察了西维因在测定过程中的水解情况。本文利用激发-发射矩阵三维荧光方法研究了西维因的三维荧光光谱特性，并通过不同浓度的西维因三维荧光光谱的检测，得出了西维因的工作曲线和检测限，在此基础上，进一步研究了西维因在甲醇-水二元混合溶剂中的荧光光谱随甲醇含量的变化情况。

图1 西维因和氨基甲酸酯官能团结构图

1 实验部分

1.1 仪器

利用日立(HITACHI)F-7000荧光分光光度计采集样品的荧光信号。PHS-3C精密pH计(上海雷磁仪器厂)用于缓冲液pH的测定。AL-104101电子天平(梅特勒-托利多仪器有限公司)用于物质质量的准确称量。所有光学测试均在室温下进行。

所有光谱数据使用Matlab和Origin8.0软件处理。

1.2 试剂

西维因(分析标准品，98%)购自阿拉丁试剂(上海)有限公司，甲醇(分析纯)和氢氧化钠(分析纯)购自上海苏懿化学试剂有限公司，甲醇(色谱纯)购自TEDIA COMPANY.INC，磷酸(分析纯)和醋酸(分析纯)购自天津市富宇精细化工有限公司，硼酸(分析纯)购自天津市津北精细化工研究所，实验用水为Molecular自制的超纯水。

西维因储备液的配制： 称取0.011 1 g西维因，用甲醇溶解，并用甲醇定容至100 mL。

西维因工作液的配制： 取0.5 mL浓度为111 mg·L-1的西维因储备液至50 mL容量瓶，用水定容。

缓冲溶液的配制： 向100 mL磷酸、硼酸和醋酸(浓度均为0.04 mol·L-1)的混合液中，加入35 mL浓度为0.2 mol·L-1的NaOH溶液。配制成pH 4.83的Britton-Robison缓冲溶液。

1.3 方法

取不同体积的西维因工作液至10 mL容量瓶中，用水定容，配制成浓度范围为1.11～155.4 g·L-1的一系列西维因溶液。利用F-7000荧光分光光度计测量三维荧光光谱，参数设置为： 激发波长244～308 nm，激发波长步长2 nm，发射波长245～490 nm，发射波长步长5 nm，狭缝宽度5 nm，PMT电压700 V，扫描速度12 000 nm·min-1。

分别取1 mL西维因工作液加入到10 mL容量瓶中，再向容量瓶中加入2 mL pH 4.83的Britton-Robison缓冲溶液，最后用不同体积比的甲醇-水混合液对相应的溶液进行定容。得到一系列不同体积比的甲醇-水定容后的西维因溶液。利用F-7000测量三维荧光光谱，F-7000的参数设置为： 激发波长244～308 nm，激发波长步长2 nm，发射波长310～490 nm，发射波长步长5 nm，狭缝宽度5 nm，PMT电压700 V，扫描速度12 000 nm·min-1。

2 结果与讨论

2.1 西维因的三维荧光光谱特征

西维因的三维荧光光谱如图2所示，图2为去除瑞利散射和拉曼散射后的光谱图。由图2可以看出，西维因的激发波长和发射波长分别为： 244～304 nm和300～350 nm。其特征荧光光谱峰为单峰，最大激发/发射峰位置分别位于280和335 nm。

图2 西维因的激发-发射三维荧光光谱

2.2 工作曲线和检测限

通过测量不同浓度西维因的三维荧光光谱，得到西维因的荧光强度与浓度之间的关系，如图3所示。由图3可知当西维因的浓度范围在1.11～155.4 g·L-1时，荧光强度与浓度呈现很好的线性关系，线性回归方程为：Y=64.005 09X+17.735 929，相关系数为0.999 559 4。

图3 西维因荧光强度与浓度的工作曲线

由国际理论与应用化学联合会(IUPAC)关于检测限的定义，见式(1)

(1)

其中Sb为空白多次测定的标准偏差；S为测定方法的灵敏度；k为根据一定置信水平确定的系数。1975年，IUPAC建议光谱化学分析法取k=3，计算可得西维因的检测限为0.92 g·L-1。

2.3 不同比例甲醇-水二元混合溶剂中西维因的三维荧光光谱比较

实验测量了不同体积比的甲醇-水作为溶剂下西维因的三维荧光光谱。相同浓度的西维因在不同体积比的甲醇-水二元混合溶剂中的激发光谱和发射光谱分别如图4和图5所示。由图5可以看出，当甲醇-水的体积比由0%到100%之间变化时，最大激发峰和最大发射峰的位置基本没有发生变化，只有荧光峰的强度存在一些差异。图6为不同甲醇体积比改变过程中，西维因最大荧光峰的变化情况。由图6可以看到，当甲醇的体积比由0%增大时，荧光峰的强度也随之增大，直至甲醇的体积比为50%时，荧光峰的强度达到最大，当继续增大甲醇的体积比由50%至100%的过程中，荧光峰的总体变化趋势为逐渐下降。这一结果与煤油在不同体积比的乙醇-水中的结果相似[8]。

图4 西维因在不同体积比的甲醇-水二元混合溶剂中的激发光谱

Fig.4 The excitation spectra of carbaryl with different volume ratio of methanol in binary mixture

图5 西维因在不同体积比的甲醇-水二元混合溶剂中的发射光谱

Fig.5 The emission spectra of carbaryl with different volume ratio of methanol in binary mixture

针对西维因的荧光光谱在甲醇-水二元溶剂中的变化情况，进行以下几个方面讨论：

(1) 甲醇-水二元混合溶剂的物理性质。在室温条件下，

图6 不同甲醇体积比下西维因最大荧光峰强度变化

Fig.6 The maximum fluorescence intensity of carbaryl with different volume ratio of methanol in binary mixture

甲醇和水可以以任意比例混溶。二元混合溶剂的组分与其物理性质之间呈现非线性关系，包括密度、介电常数、NMR弛豫时间、介电松弛和荧光溶解探针寿命等。Will Thompson等[9]的研究显示，当甲醇占混合溶剂体积比为40%左右时，二元混合溶剂的粘度最大。这一结果也对本实验现象进行了有力的支持。介质的粘度越大，荧光物质与分子的碰撞概率越小，去活化过程减弱，荧光强度增加。

(2) 溶质-溶剂的特异性关联。根据El Seoud等提出的二元混合溶剂交换模型[10-11]，当溶剂为有机溶剂(S)和水(W)构成的二元溶剂时，存在如下溶剂交换模型，见式(2)—式(4)

(2)

Probe(S)m+m(S-W)Probe(S-W)m+mS

(3)

Probe(W)m+m(S-W)Probe(S-W)m+mW

(4)

式中，Probe表示溶质。以上交换模型表明，由于溶质/溶剂氢键和疏水相互作用，1∶1氢键溶剂更加有利于溶质的溶剂化。西维因在甲醇-水二元混合溶剂中可能形成复杂的氢键混合物。出现这一实验结果的原因可能与混合溶剂中氢键的产生有关。二元混合溶剂产生的溶剂效应，还有待于更进一步的研究。

3 结 论

通过对西维因三维荧光光谱的研究，得到了最大荧光强度与浓度呈线性关系的浓度范围，西维因的浓度在1.11～155.4 g·L-1时，荧光强度与浓度呈现很好的线性关系，线性回归方程为：Y=64.005 09X+17.735 929，相关系数为0.999 559 4。工作中还研究了西维因在一元溶剂和甲醇-水二元混合溶剂中的三维荧光光谱，随着溶剂中甲醇体积比的变化，西维因最大荧光峰的位置并没有发生明显改变，仅仅出现荧光峰强度的变化，当甲醇和水的体积比为50%时，荧光峰的强度达到最大，这可能由于二元混合溶剂的物理性质以及西维因在甲醇-水二元混合溶剂中形成复杂的氢键混合物所引起。

[1] Murthy P K, Sulochana M, Naidu N V. Der Pharmacia Sinica, 2012, 3(2): 224.

[2] Gunasekara A S, Rubin A L, Goh K S, et al. Rev. Environ. Contam. Toxicol., 2008, 196: 95.

[3] Khoobdel M, Shayeghi M, Golsorkhi S, et al. Journal of Arthropod-Borne Diseases (Formerly: Iranian Journal of Arthropod-Borne Diseases), 2010, 4(1): 47.

[4] Pablo Santa-Cruz, Alejandro Garcia-Reiriz. Talanta, 2014, 128: 450.

[5] Rubio L, Ortiz M C, Sarabia L A. Anal. Chim. Acta, 2014, 820(11): 9.

[6] Zhu Shaohua, Wu Hailong, Xia Alin, et al. Talanta, 2008, 74(5): 1579.

[7] Zhu Shaohua, Wu Hailong, Xia Alin, et al. Talanta, 2009, 77(5): 1640.

[8] Xiao Xue, Zhang Yujun, Wang Zhigang, et al. Chinese Optics Letters, 2009, 7(1): 85.

[9] J Will Thompson, Theodore J Kaiser, James W Jorgenson. Journal of Chromatography A, 2006, 1134: 201.

[10] Tada E B, Silva P L, El Seoud O A. J. Phys. Org. Chem., 2003, 16: 691.

[11] Bruno M Sato, Clarissa T Martins，Omar A El Seoud. New J. Chem., 2012, 36： 2353.

(Received Feb. 9, 2015; accepted May 20, 2015)

*Corresponding author

Effect of Methanol-Water Mixture on Three-Dimensional Fluorescence Spectra of Carbaryl

XIAO Xue1，ZHAO Nan-jing1*，YU Shao-hui2，MA Ming-jun1，YANG Rui-fang1，YIN Gao-fang1，DUAN Jing-bo1，FANG Li1，ZHANG Yu-jun1，LIU Wen-qing1

1. Key Laboratory of Environmental Optics and Technology, Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China 2. School of Mathematics and Statistics, Hefei Normal University, Hefei 230061, China

Extensive use of pesticides has a significant impact on the environment. Carbaryl, whose residues stay in the surface water, is one of the most widely used broad spectrum insecticides in agriculture. It is important to understand carbaryl spectral characteristics and detection methods. The characteristic of excitation-emission three-dimensional spectra of carbaryl is studied. By changing the concentration of methanol in methanol-water binary solvent, the impact of methanol-water mixture on three-dimensional fluorescence spectra of carbaryl is discussed. The results show that the characteristic excitation-emission spectra of carbaryl is single peak, the range of the excitation wavelength and emission wavelength are: 244～304 and 300～350 nm respectively, the maximum excitation/emission peak located at 280 and 335 nm. With increasing the content of methanol in methanol-water binary solvent mixture, there is no obviously spectra shift of three dimensional fluorescence spectra of carbaryl. However, the intensity of fluorescence is nonlinear dependent on the content of methanol, mainly due to the specific properties of binary mixed solvent.

Carbaryl; Methanol-water mixture solvent; Solvent effect; Three-way fluorescence

2015-02-09，

2015-05-20

国家自然科学基金项目(61378041，61308063)，国家(863计划)项目(2013AA065502，2014AA06A509，2009AA063005)，安徽省杰出青年科学基金项目(1108085J19)和安徽省自然科学基金项目(1408085MD72)资助

肖 雪，1981年生，中国科学院安徽光学精密机械研究所助理研究员 e-mail: xiaoxue@aiofm.ac.cn *通讯联系人 e-mail: njzhao@aiofm.ac.cn

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)06-1775-04