一种可视性识别氰离子的比色探针及其作用机理研究

朱道林，舒 岚，赵利华，聂 丽

(1.合肥职业技术学院 科技处，安徽 合肥 238000；2.皖西学院 实验中心，安徽 六安 237012)

氰化物被广泛应用于冶金、采矿等许多行业中，因此，在工业生产方面扮演着重要的角色。如氰化物在电镀中不仅可以增大电镀的导电性能，同时又能使产品镀层更细致，提高产品的质量。常人道：真金不怕火来炼，但金、银等贵金属在氰化物的溶液中可以被溶解，因而，在矿石浮选提取金、银中需用大量的氰化物[1-3]。但氰化物并非都是来自于化学工业得到，在自然界中许多植物中也含氰化物，如杏仁、杨梅、葡萄籽、苹果籽、桃、李子、樱桃，其果核中均含有氰化物[4]。

氰化物对人体的危害是众所周知的，长期以来，人们谈“氰”色变，可见其毒性及危害之大。氰化物致人体中毒的传播途径主要是通过口、鼻及皮肤表面等被人体吸收，特别是从业人员，如在工作防护措施不当很容易被氰中毒。其中毒症状，轻者有黏膜刺激，唇舌麻木头痛、眩晕、无力、恶心、呕吐、血压上升等，重者呼吸困难，逐渐昏迷、抽搐、大小便失禁、血压下降、迅速发生呼吸障碍而死亡。氰化物中毒机制，与氰根离子超强的配合能力有关，当氰化物进入人体内释放出氰根离子，氰根离子与细胞色素氧化酶的铁(Ⅲ)结合，阻止氧化酶中铁(Ⅲ)的还原，妨碍细胞正常呼吸，导致呼吸链中断，造成组织缺氧，引起机体窒息而死亡[5-7]。氰化物在人体内的半致死量为1.0 mg/kg,世界卫生组织(WHO)规定，饮用水中氰离子的浓度必须低于1.9 μM[8]，因此，准确、快速检测出氰根离子，不仅对生命科学意义重大，同时对环境监测与保护也有非常重要的作用。

氰根离子检测方法众多，比如电化学、滴定分析、子色谱等[9，10]，但这些方法检测耗费时间长，过程烦琐，操作麻烦，对仪器精密度要求也较高。相比之下，比色传感法具有操作简单、成本低、直接易于裸眼观察被检出，更受研究者们青睐[11，12]。本文基于前期的工作[13，14]，设计合成一种基于氢键作用可“裸眼”检测CN-比色探针(合成路线如图1所示)，进一步功能化到普通试纸上，探讨其与CN-比色作用机理，并应用到CN-比色分析检测。

图1 目标探针分子A的合成路线

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

实验所用的所有阴离子(CN-、F-、AcO-、H2PO4-、HSO4-、NO3-、 SCN-、ClO4-、Cl-、Br-和I-等)为四丁基铵盐，分析纯，购买于阿拉丁试剂公司；光谱实验所用的乙腈为色谱纯，DMSO为分析纯，使用前经过无水处理；其余均为国产分析纯，直接使用；实验用水为纯净水。

1H NMR (400 MHz) 由Bruker AV400 MHz型核磁共振仪测得，溶剂为DMSO-d6，四甲基硅烷(TMS)为内标。紫外-可见光谱用Varian Cary300紫外-可见分光光度计测定(1 cm石英液池)。

1.2 紫外光谱滴定方法

将探针(A)及阴离子(四丁基铵盐)分别配成8×10-3mol/L的DMSO溶液和1×10-2mol/L的CH3CN溶液作储备液。

光谱测定在DMSO溶液中进行，探针A的测试浓度恒定为4.0×10-4mol/L。测试时用移液管移取2 mL探针A溶液于1 cm石英液池中，用微量进样器逐渐加入不同体积的阴离子溶液并与探针A溶液混合均匀，加人阴离子的量不超过100微升。每加一次扫描光谱一次，直至光谱不再变化为止。记录光谱数据，用Origin软件绘图。

1.3 探针(A)的合成与表征

中间体对硝基苯重氮盐(1)5-(4-硝基苯基)呋喃-2-甲醛(2)参考文献[15]的方法合成：取4.2 g(0.03 mol)对硝基苯胺于150 mL圆底烧瓶，依次加入10 mL浓盐酸、30 mL水和1 0mL乙醇，使之完全溶解。另取6 g(0.087 mol)NaNO2溶于9 mL水，冰浴冷却后，在搅拌条件下，缓慢滴加到对硝基苯胺盐酸盐中，反应20 min得到橙红色的重氮盐(1)溶液。

准确移取2.9 mL呋喃甲醛于20 mL丙酮中，在冰浴条件下缓慢滴加到上述重氮盐溶液中，再加入3 mL含有0.8 g(0.0047 mol)氯化铜水溶液，室温磁力搅拌反应4 h，有土黄色沉淀生成，减压抽滤，洗涤，用丙酮重结晶，得晶体2。

将2 mmol 中间体2和1 mmol 4-硝基苯肼分别溶于20 mL丙酮和20 mL乙醇中，充分混合后，再加入5 d醋酸和30 mL乙醇，置于80～85 ℃范围内油浴中回流反应4 h。停止反应，减压蒸去部分溶剂，冷却到室温，有橙黄晶体沉淀析出。过滤，粗产物用丙酮和乙醇混合溶剂(体积比1∶1)重结晶，得针状晶体A。1H NMR (,ppm, DMSO-d6): 10.52 (1H, s, NH), 9.7 (1H, s, N=CH), 8.35 (2H, d, Ar-H), 8.14 (2H, d, Ar-H), 7.90 (2H, d, Ar-H), 7.72 (2H, d, Ar), 7.590(1H, d, CH), 7.410 (1H, d, CH)。

2 结果讨论

2.1 探针A的紫外可见光谱性能及其对CN-的响应

分别测试了在有无阴离子存在下(CN-、F-、AcO-、H2PO4-、HSO4-、NO3-、 SCN-、ClO4-、Cl-、Br-和I-等)，目标探针A 在DMSO溶剂中紫外-可见吸收光谱，如图2a所示。在没有阴离子存在下，探针A在350 nm处有较强吸收峰，摩尔吸光系数为40399.975 L·mol-1·cm-1，相关系数为0.9994。当有阴离子如CN-、F-、AcO-、H2PO4-、HSO4-、NO3-、 SCN-、ClO4-、Cl-、Br-和I-存在下，除CN-外，探针A在350 nm处的吸光强度变化不大，且保持相同的峰型；但CN-存在下，不仅350 nm处的吸光强度大大降低，而且703 nm处出现新的吸收峰，同时溶液的颜色变成蓝色(图2c)，表明探针分子A与CN-发生了强烈的相互作用。化合物A可能是一种潜在的选择性识别CN-的比色传感器。

图2 a) DMSO中不同阴离子存在时探针A的吸收光谱变化轨迹; b) DMSO中探针A加入CN-时的紫外吸收光谱图; c) DMSO溶剂中阴离子存在下探针A的显色反应; d) DMSO中不同浓度CN-对探针A的比色传感图([A]=4×10-4 mol/L [Anion]=8.0×10-4mol/L)

为进一步确定探针A与待测CN-间的定量关系，我们进行了紫外-可见光谱滴定实验(图2b)。由图2b可以看出，随着CN-浓度的增加，探针A在350 nm处的吸收强度有规律地减弱并缓慢红移，同时在703 nm新吸收峰的强度按比例增强(图2b插图)。尤其是随着CN-浓度增加(从0.0 mol/L到1.9×10-2mol/L)，探针A溶液的颜色由浅黄色(近无色)变为蓝色(图2d)，探针A可以作为裸眼检测CN-比色探针，裸眼检测限为10-5mol/L。

由图2b的光谱滴定曲线，我们绘制了探针A在703 nm处吸光强度与CCN-间的定量关系，如图3所示。由图3可以看出，探针A在703 nm处吸光强度与CN-浓度之间呈现良好的线性关系，CCN-的线性区间为0～5.0×10-4mol/L，线性方程为A703=141.81CCN-+0.00336 (×10-4mol/L)，相关系数(R)为0.9913。根据最低检测限公式DL=Kδ/S，K取3，标准偏差δ=8.57×10-5(23次)，S=141.809，计算得到探针A对CN-浓度的最低检出限(DL)为1.81×10-6mol/L，达到WHO规定饮水含CN-最高标准值，分析检测CN-灵敏度较高。

图3 探针A与[CN-]线性关系图

2.2 可视性识别CN-比色试纸的制作

将中速定性滤纸裁剪成长条状并放在0.1 mol/L的盐酸溶液中浸泡4小时后取出，用蒸馏水洗涤至中性，晾干后再将其放入浓度为2×10-3mol/L探针A的DMSO溶液中，浸泡一夜后取出晾干，得到浅黄色的试纸(如图4所示)。在试纸上滴加浓度为1×10-3mol/L CN-标准溶液，试纸立即由浅淡黄色变为深蓝色。可见，根据试纸的变色，探针A功能化普通试纸将为快速检测环境中CN-提供又一便捷的比色新方法。

图4 试纸A(左)及其CN-存在时试纸(右)颜色变化

2.3 探针A比色识别CN-的机理探讨

为弄清探针A比色识别CN-的机理，我们向蓝色的A与CN-共存DMSO溶液加入少量的质子性溶剂甲醇，发现随甲醇加入量的递增，溶液蓝色逐渐褪去，且在703 nm 处吸收峰减弱并逐渐消失，而350 nm 处的吸收峰逐渐增强并恢复至未加入氰离子时的强度；这是由于甲醇分子与氰离子竞争探针A分子中的氢键结合位点所致，表明探针A分子与氰离子间的作用本质可能为氢键作用[13]。

用等摩尔连续变化法[16](P613-615)测定CN-受体与探针A主体的结合比，即将探针A与CN-的总浓度恒定在5×10-5mol/L，改变CN-与探针A浓度分数，记录混合液在703 nm处吸光度的变化值[10]。以吸光度为纵坐标，以[CN-]/[A]+ [CN-]比值为横坐标作图，得到探针A与CN-的Job曲线(图5)，由图可计算得到探针A与CN-作用的结合化学计量比为1∶1，其结合模式可能为如图5插图所示。

图5 探针A与CN-作用的Job曲线(总浓度为5×10-5mol/L)；插图为探针A与CN-可能结合模式

将光谱滴定曲线(图2b)进行非线性拟合[17]得到图6。由图6可得：探针A在DMSO溶剂中与CN-的结合常数K为2.73×103，相关系数为0.99245。探针A与CN-较大的结合常数，证明了探针A对CN-较强的选择性识别能力。

图6 探针A与CN-浓度之间非线性拟合曲线

3 结论

本文设计合成一种选择性识别CN-的比色探针A及其功能化普通试纸，CN-存在下，不仅A溶液及其功能化试纸的颜色由浅黄色变为深蓝色，其溶液在703 nm处吸光度与在0～5.0×10-4mol/L CN-浓度范围内呈现良好的线性关系，检出限达1.8×10-6mol/L，满足国际卫生组织(WHO)规定饮水中CN-浓度最高值小于1.9 μM的健康标准。“裸眼”识别CN-最低检测浓度可达到10-5mol/L(功能化普通试纸的最低可检测浓度为10-3mol/L)，其他阴离子对CN-识别无干扰。机理研究证明了CN-之间作用本质为氢键配位，结合比为1∶1，结合常数为2.7×103mol-1/L。本工作识别CN-，具有快速、便捷，现象直观等特点，可为设计高效CN-传感器的构筑提供有益实验及理论依据。