5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉(TCPP)检测水体痕量Hg2+的研究

吕向菲，吕东，Muhammad Asim Shahzad，王家宏，常江峰，李婷

(1.长安大学 环境科学与工程学院，陕西 西安 710054；2．陕西科技大学 环境科学与工程学院，陕西 西安 710021； 3.国家科技大学，巴基斯坦伊斯兰堡 999010)

汞离子具有持久性、易迁移性、高毒性和强生物富集性，进入水体环境后借助微生物作用可形成剧毒的有机汞(例如：甲基汞)，严重危害人类健康[1]。美国国家环境保护局规定饮用水中无机汞的最高浓度为2 μg/L[2]； ROHS表明欧盟自2006年起投放欧盟市场的电子电器设备中不得含有汞[3]；我国对生活饮用水中总汞含量规定必须小于0.001 mg/L[4]。国务院《“十三五”生态环境保护规划》中提出加强汞污染控制[5]。2017年9月23日至29日《关于汞的水俣公约》第一次缔约方大会在瑞士日内瓦召开，会议提出要严格控制汞和汞化合物向水中释放[6]。因此，水体汞离子的超灵敏和高选择性检测对于深入认识汞的分布特点及转换过程，构筑汞污染的预警体系具有重要意义。

在各种检测技术中，传统的汞离子检测方法普遍存在缺陷[7]。荧光探针检测法具有便捷、灵敏度高、样品无损、高效筛选及可进行实时、原位检测等优点，成为水中汞离子检测的热点研究方法[8-9]。该技术的关键是设计、合成高选择性和灵敏性的荧光探针分子。卟啉分子含18 π电子的共轭平面，在400～500 nm具有较大的吸光系数，除具有荧光探针的普遍优点外，卟啉环外围有多个取代位点，通过不同功能侧链取代基的引入，实现汞离子的荧光检测[10]。目前，大部分的汞离子荧光探针在水溶性方面多数使用混合溶剂或缓冲溶液，其水溶性与荧光检测性之间难以统一协调。

5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉作为一种常见的卟啉化合物，合成方法成熟，结构稳定且具有较强的极性，可保证其在水体的溶解性，且卟啉环及外围羧基取代基都可为Hg2+提供多个结合位点，有效提高探针对Hg2+的检测特性。因此，该探针用于检测水体中的痕量Hg2+对降低检测成本，提高检测效率具有重要意义。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

4-甲酰基苯甲酸(98%)；吡咯(新蒸)，化学纯；无水乙醇、甲醇、其它药品均为分析纯。

VECTOR-22红外光谱仪；FU2600紫外光谱仪；爱丁堡FS5荧光光谱仪。

1.2 实验方法

1.2.1 TCPP的合成与纯化 使用Alder[11]法合成该物质，称取4-甲酰基苯甲酸10.82 g(0.072 07 mol)，用50 mL丙酸溶解后转移至三口烧瓶中。油浴加热溶液至丙酸回流温度(约130 ℃)，通N2保护30 min，然后加入与4-甲酰基苯甲酸等摩尔的吡咯，避光反应2 h。反应结束后蒸掉1/3的丙酸，加入适量等体积的乙醇与水，冷藏24 h后抽滤，得5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉粗品。用乙醇洗涤、多次重结晶后，再次用甲醇重结晶得到紫色晶体1.2 g，产率为8.4%。

1.2.2 TCPP荧光探针检测水体Hg2+荧光探针具有灵敏度高的特点，即使是微小的环境变化也可能会对其荧光强度产生影响。因而，确定最适宜的测试条件对卟啉探针的应用显得十分重要。为此，我们通过实验对该探针的选择性、灵敏度、pH稳定性、时间稳定性进行了研究，确定了该探针用于检测水体Hg2+的最佳条件。

(1)储备液的配制

以乙醇为溶剂，配制1×10-4mol/L的卟啉储备液，避光冷藏；用纯水配制25 mL浓度为1×10-2mol/L的Hg2+储备液(加入500 μL浓度为1 mol/L盐酸防止水解)；用乙醇与水体积比1∶1的混合溶剂配制pH=6的CH3COOH-CH3COONa缓冲液，室温下保存。

(2)荧光光谱仪的测试条件

所有荧光测试的最大激发波长为427 nm，最大发射波长为580 nm，扫描速度为0.1 nm/s，狭缝宽度分别为1.5，1.8 nm。

(3)TCPP荧光探针的选择性检测

以CH3COOH-CH3COONa缓冲液为基础，配制浓度为1×10-4mol/L的K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Ni2+、Co2+、Mn2+、Zn2+、Cu2+、Fe2+、Ag+、Hg2+离子溶液。用1 mol/L的盐酸和1 mol/L氢氧化钠溶液调节pH为7，在反应时间为15 min，卟啉浓度为1×10-5mol/L，金属离子浓度为20 μmol/L的条件下，分别测定体系的荧光强度。

(4)TCPP荧光探针的灵敏度检测

在相同荧光测试条件下，调节pH为7，卟啉浓度为 1×10-5mol/L，分别测定Hg2+浓度为0，0.5，0.7，1，3，5，7，10，20，30，40，50 μmol/L时体系的荧光强度。

(5)TCPP荧光探针的pH稳定性检测

以pH=6的醋酸-醋酸钠缓冲溶液为基础，用1 mol/L的盐酸和1 mol/L氢氧化钠溶液调节pH在2～10内变化。在反应时间为15 min，Hg2+浓度为5×10-5mol/L，卟啉浓度为10-5mol/L的体系下检测各pH条件下的TCPP-Hg2+体系荧光特性。

(6)TCPP荧光探针的时间稳定性检测

在pH为7，卟啉浓度为1×10-5mol/L，Hg2+浓度为 5×10-5mol/L的条件下，分别测定荧光体系在10，15，20，5，30，35 min时的荧光强度，比较荧光强度与反应时间的关系。

2 结果与讨论

2.1 TCPP的合成与性能测试

2.1.1 红外光谱 采用KBr压片法对5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉的结构进行测定，表征结果见图1。

图1 TCPP的红外光谱Fig.1 IR spectra of TCPP

2.1.2 紫外光谱 以乙醇为溶剂，配制浓度为5×10-5mol/L的TCPP溶液进行紫外检测。

卟啉类化合物均有两个主要吸收带，400～500 nm范围内的B(Soret)带，它主要表示卟啉环的特征吸收特性。500～700 nm的为Q带，其主要是卟啉环共轭体系π-π*跃迁产生的吸收带[12]。由图2可知，5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉的Soret带波长为416 nm，Q带波长分别为512，546，590，645 nm。

图2 TCPP的紫外光谱Fig.2 UV spectra of TCPP

2.1.3 荧光光谱 以乙醇为溶剂，配制浓度为5×10-5mol/L的TCPP溶液进行荧光检测，结果见图3。5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉的较强发射峰在652 nm处，较弱的发射峰在719 nm处。在溶液中加入Hg2+后，颜色明显变黄，体系发生蓝移现象，在607 nm处出现一个较弱特征峰。因此，该探针可用于鉴别水体中的Hg2+。

图3 卟啉的荧光谱图Fig.3 Fluorescence spectra of TCPP

2.2 TCPP荧光探针检测水体Hg2+

2.2.1 选择性测试 分析各金属离子对卟啉体系荧光强度变化的影响可得，除Cu离子对5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉有较小影响(可忽略不计)，该探针不与水体中的K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe2+等常见离子反应。因此，该探针在水体中的Hg2+检测中具有较大应用价值。

图4 TCPP检测离子选择性荧光图Fig.4 TCPP detection of ion-selective fluorescence histogram

2.2.2 灵敏度测试 在波长为652 nm处，卟啉浓度为 1×10-6～5×10-5mol/L时，体系荧光强度随Hg2+的变化满足函数y=p1×exp(-x/p2)+p3+p4×x(p1=6.22×105，p2=5.04×10-6，p3=1.37×105，p4=-1.68×109)，R2=0.999。且该探针的检出限为2×10-8mol/L，满足我国国家标准规定的检测限制的要求。

图5 652 nm波长下浓度-荧光强度的关系图Fig.5 The relation diagram of concentration-fluorescence intensity at 652 nm wavelength

2.2.3 TCPP-Hg2+体系最佳pH的确定 通过对不同pH条件下5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉-Hg2+体系荧光特性比较得出，当pH为2时5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉-Hg2+体系的荧光谱图异常，造成该现象的原因为在强酸性条件下，卟啉质子化导致其性质发生变化。当pH为9或10时，卟啉的 —COOH与 —OH反应，破坏了体系中卟啉的结构，导致其荧光强度减弱。对比各pH条件下的猝灭强度得出，在pH为7时，体系荧光猝灭效应最为明显。因此，当pH在7附近时，5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉与Hg2+体系的反应条件最佳。

图6 不同pH 条件下TCPP-Hg2+体系荧光效应Fig.6 Fluorescence effect diagram of TCPP-Hg2+ system under different pH conditions

2.2.4 TCPP-Hg2+体系时间稳定性检测 分析实验数据得出，5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉-Hg2+体系具有较好的时间稳定性，该体系可快速达到稳定状态且在35 min内体系保持相对稳定，满足检测时间需要。实验中偶然发现，将TCPP-Hg2+体系长时间放置(2～3 d)，溶液颜色会由加入Hg2+后的颜色(黄绿色)褪色为TCPP溶液的颜色(粉红色)。具体原因我们将进一步分析研究。

图7 TCPP-Hg2+体系时间稳定性图Fig.7 TCPP-Hg2+ system time stability

3 结论

通过对5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉荧光特性的研究发现，该探针在用于水体Hg2+的检测中具有荧光效应变化明显(肉眼可见)，不易受水体中其他常见金属离子干扰，对Hg2+具有良好的选择性的优点。Hg2+检测时检出限为1×10-6mol/L，Hg2+变化对体系荧光强度的影响满足指数函数关系。因此，5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉可作为一种快速、便捷、有效的方法用于检测水体中的Hg2+。

由于实际水体环境状况复杂，在实际应用中，未知影响因素可能会对5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉-Hg2+体系荧光变化产生干扰，导致检测结果出现误差。为此，在下一步的研究中，我们将通过类比法、控制变量法对该检测方法的可靠性进行研究。以实际水体为检测背景，分别使用该检测法与现有Hg2+检测方法(冷原子发射光谱法或电感耦合离子法等)对实际污染水体进行测定，得出该探针用于测试实际水体时的其它各项条件及参数，以使得5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉可作为一种更为可靠的探针用于水体中Hg2+的检测。