基于硫酸-3,6-二氨基吖啶比色-荧光双模式识别氰离子新方法

2019-11-20郑蕾，聂丽

皖西学院学报 2019年5期

郑蕾，聂丽

(皖西学院基础实验中心，安徽六安 237012)

含氰基的氰化物在冶金、采矿等许多行业中广泛应用，如电镀中使用氰化物，既可以增大电镀的导电性，又可提高镀层的质量[1]。在贵金属的矿石浮选中使用氰化物，主是利用金、银等贵金属易与氰化物生成可溶性的配合物，使其从矿石中被提取出来[2,3]。氰化物在自然界中却广泛存在，如自然界中许多植物果核中(苹果核、杏仁核、樱桃核等)都含有氰化物[4]，但它是以氰苷形式存在。氰苷本身并没有什么危害，其真正的危害在于氰苷遇酸或者在生物酶的作用下水解释放出剧毒氢氰酸(HCN)，从而造成对人和动物的中毒。

氰化物极强的毒性早已被人熟知，一旦出现氰化物中毒，人会在15分钟至1小时内死亡。如果误食氰化物，或通过静脉注射、吸入高浓度氢氰酸气体，会在1—2分钟后就会使人丧失意识、心脏骤停并导致“闪电式”死亡。其致毒机理是与CN-具有超强的配合能力有关，一旦氰化物进入人体，就会释放出CN-，细胞色素氧化酶中三价铁根离子与CN-“相遇”，则易发生络合反应生成稳定的配合物，从而阻止氧化酶中三价铁的还原，阻碍细胞正常呼吸，导致呼吸链中断，致使组织缺氧、机体窒息而死亡[5-7]。因此，准确、快速分析识别与检测CN-是分析化学工作者义不容辞的责任。

检测CN-的方法众多，常用的有电化学、滴定分析、色谱、比色和荧光光谱等[9-11]，这些方法不仅要依赖于精密仪器，且在操作过程中操作繁琐，耗时也较长，相比之下，荧光、比色法以其灵敏高、成本低、易于“裸眼”检出等优点，日益受到科研工作者们的青睐[12-14]。本文在前期工作的基础上[15-17]，以硫酸-3,6-二氨基吖啶作为探针(结构如图1所示)，实验表明：该探针具有良好的比色、荧光CN-特性，其比色检出限和荧光检出限分别为8.867×10-7mol/L和6.124×10-9mol/L，均满足我国及世界卫生组织对饮用水CN-含量规定的健康标准，是一种潜在的CN-比色、荧光双重模式的化学传感探针。

图1 硫酸-3,6-二氨基吖啶结构式

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

实验所用的所有阴离子(CN-、F-、AC-、H2PO4-、HSO4-、NO3-、 SCN-、Cl-、Br-和I-等)为四丁基铵盐(分析纯)，硫酸3,6-二氨基吖啶(优质纯)均购买于阿拉丁试剂公司；光谱实验所用的乙腈为色谱纯，N，N-二甲基甲酰胺和无水乙醇为分析纯，所有试剂使用前均未处理直接使用。

紫外-可见光谱是在Varian Cary300仪器上测试，荧光光谱使用的是RF-5301PC光谱仪。

1.2 光谱测定

用DMF作溶剂将硫酸-3,6-二氨基吖啶配成8.0×10-4mol/L的荧光探针溶液；用乙腈溶解并配制1.0×10-2mol/L阴离子(四丁基铵盐)溶液(CN-、F-、AC-、Br-、Cl-、H2PO4-、HSO4-、I-、NO3-、SCN-)；光谱测试用无水乙醇为溶剂。

准确移取2.0 mL无水乙醇于比色皿中，加入50微升的探针溶液(浓度为8.0×10-4mol/L)于无水乙醇中搅拌均匀使其浓度达到为2.0×10-5mol/L，用紫外光谱仪测探针吸收光谱。光谱滴定是在探针浓度恒定为2.0×10-5mol/L的乙醇溶液中，用微量进样器逐渐移取不同体积的阴离子(浓度为1.0×10-2mol/L)于探针溶液中，每加入一次扫描一次光谱，直至光谱不再变化为止。记录数据，用Origin软件绘图、拟合等。

图2 a) CN-存在下探针的吸收光谱变化轨迹(cprobe=1×10-5 mol/L, cCN-=0～2.5×10-4 mol/L); b)不同阴离子存在时吸收光谱变化轨迹(cprobe =2.0×10-5 mol/L, canion=2.0×10-4mol/L)

荧光光谱及其滴定的测定方法与吸收光谱及其滴定测定方法类似，所不同的是激发波长恒定在440 nm，狭缝恒定为5 nm条件下低灵敏度扫描发射峰。

2 结果讨论

2.1 探针的紫外可见光谱性能及其对CN-的响应

分别测试了有、无阴离子存在下(如：CN-、F-、AC-、H2PO4-、HSO4-、NO3-、SCN-、ClO4-、Cl-、Br-和I-等)探针溶液的紫外-可见吸收光谱(图2)。在无阴离子存在下，探针分别在232和459 nm处有较强的吸收峰，260 nm有一肩峰。由459 nm处吸光度对浓度作图得到摩尔吸光系数为367859 L·mol-1·cm-1，相关系数为0.99875。当CN-存在时，探针吸收光谱变化显著(图2a)，459 nm处的吸光强度显著的降低，260 cm吸收峰略有增强，232 cm有微弱变化，同时在407 nm处出现新的吸收峰，423 cm处有明显的等吸收点，并伴随着从黄色到无色可视性颜色变化(图3)。当其他阴离子，如F-、AC-、H2PO4-、HSO4-、NO3-、SCN-、Cl-、Br-和I-存在下，探针的紫外-可见吸光强度和溶液的颜色均没有太大的变化(图2b，图3)。表明探针分子对CN-有选择性比色识别作用。

2.2 探针的荧光发射光谱性能及其对CN-的响应

图4 a) CN-存在下探针的荧光光谱变化轨迹(cprobe=2×10-5 mol/L, cCN-=0～5×10-4 mol/L); b)不同阴离子存在时荧光光谱变化轨迹(cprobe =2.0×10-5 mol/L, canion=5.0×10-4 mol/L)

用荧光光谱仪测试了在乙醇溶剂中探针的荧光发射光谱性能，结果如图4所示。由图4可以看出：在激发波长为440 nm、狭缝为5 nm条件下，探针在493 nm处有一强发射峰；其强度随着CN-引入和增加逐渐猝灭。而其他阴离子加入，荧光光谱的形状及其强度几乎不受影响(图4b)。可见，该探针对CN-具有良好的选择性荧光识别性能。

2.3 探针对CN-分析检测的灵敏度

根据紫外光谱滴定曲线(图2a)，可以绘制探针在459 nm处吸光强度与CN-浓度定量关系图(图5a)，由图5a可以看出，探针在459 nm处吸光强度与CN-浓度在0～1.628×10-5mol/L范围内呈现良好的线性关系，线性方程为A459=0.3475-1.0116×10-4cCN-，相关系数(R)为0.9962。根据最低检测限公式DL=Kδ/S，K取3，标准偏差δ=2.99×10-3(23次)，S=10116，计算得到探针对CN-的检出限(DL)为8.867×10-7mol/L。同理，根据荧光光谱滴定曲线(图4a)，可以绘制得到493 nm处荧光强度与CN-浓度之间的线性关系图(图5b)，CN-浓度的线性区间为0～5×10-5mol/L，线性方程为F493=928-1.064×107cCN-，相关系数(R)为0.9972，荧光检出限(DL)为6.124×10-9mol/L(标准偏差δ=0.02123，S=1.064×107，K取3)。比较可知荧光法的灵敏度更高，但两种方法的灵敏度均高于WHO以及我国规定饮用水含CN-量最高标准值(WHO标准为0.07 mg/L；国标为0.05 mg/L)[18]。

3 结论

利用吸收、荧光光谱仪考察了染料硫酸-3,6-二氨基吖啶的紫外、荧光光谱及其对不同阴离子的识别作用。实验表明：该染料在乙醇溶剂中不仅具有良好的紫外-可见光谱、荧光光谱性能，同时对CN-有灵敏的选择性识别作用。在CN-存在下，溶液颜色由浅黄色变为无色，具有极强的可视性；459 nm处紫外-可见吸光度与CN-浓度在0～1.628×10-5mol/L范围内呈良好的线性关系，检出限达8.867×10-7mol/L；荧光检测CN-的检出限低达6.124×10-9mol/L，足以满足世界卫生组织以及我国卫生部对饮用水中含CN-量检测的健康标准，其他阴离子对CN-识别无干扰。硫酸-3,6-二氨基吖啶对CN-识别，不仅选择性好，而且分析检测灵敏度高，是一种理想的荧光、比色双模式检测CN-的化学传感器。