双极四齿配体的合成及其超分子聚合物共振光散射法测定锰

郦志阳，苏昌霖，廖力夫，肖锡林

(1.南华大学 化学化工学院，湖南 衡阳 421001；2.南华大学 资源环境与安全工程学院，湖南 衡阳 421001)

锰(Mn)是生物机体必需的微量元素之一，也是若干生物酶不可或缺的重要组成部分。但锰过量会导致中毒、尘肺、甚至死亡，因此建立一种快速有效检测锰离子的新方法对生命活动具有重要意义。共振光散射(Resonance light scattering，RLS)是指发射光与分子吸收带相近或相等时，散射频率与电子吸收频率相同，电子发生共振，进而再次散射的过程。通过吸收-再散射这一过程，体系RLS强度急剧增大，不同于瑞利(Rayleigh)散射和丁达尔(Tyndall)散射，且散射强度与发射波长的4次方不成反比关系。基于这些性质，共振光散射技术是一种基于分子体积增大、散射强度与溶液的浓度呈线性关系、能进行定量分析的光谱检测技术。该方法仅需在荧光光谱仪上设置通带宽度、相等的激发波长和发射波长等参数，进行同步扫描即可[16-18]。相对于目前已经发展的原子发射光谱法[19]、紫外可见光光谱法[20]、化学发光法[21]和荧光光谱法[22]等测定锰的分析方法，共振光散射法具有更宽的检测范围，而且具有操作简便、低成本、高灵敏度等优点[23-24]。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

3,3′-二氨基联苯胺、水杨醛、四水合硝酸锰、二甲基亚砜(DMSO)、乙醇均为分析纯；实验用水为二次蒸馏水。

IR Prestige-21傅立叶变换红外光谱仪(日本岛津公司)；Bruker 400 MHz NMR核磁谱仪(瑞士布鲁克公司)；UV-3900紫外-可见分光光度计、Hitachi F-7000荧光光谱仪(日本日立公司)；Flash EA 1112元素分析仪(美国热电公司)；PHS-3C型精密酸度计(上海雷磁仪器厂)。

1.2 配体合成及超分子自组装

配体合成：将1.220 g(10 mmol)水杨醛和0.535 g(2.5 mmol) 3,3′-二氨基联苯胺分别溶解于25 mL无水甲醇中，再加入2～3滴冰乙酸作催化剂，在50 ℃下充分反应6 h。随后冷却到室温，过滤，得黄色固体，将黄色固体用无水乙醇重结晶，再真空干燥，即得到纯产物Bis-salophen(1.358 g,收率86%)。

自组装反应：称取0.630 g(1 mmol) Bis-salophen，溶解在含有10%(体积分数)的DMSO水溶液中，配成浓度为50 nmol/mL的溶液；称取0.214 g(1 mmol)3,3′-二氨基联苯胺溶解在含有10%(体积分数)的DMSO的水溶液中，配成浓度为50 nmol/mL的溶液；称取0.251 g(1 mmol)四水合硝酸锰溶解在二次蒸馏水中，配成浓度为10 nmol/mL的溶液。在10 mL比色管中加入1 mL 50 nmol/mL Bis-salophen溶液和1 mL 50 nmol/mL 3,3′-二氨基联苯胺溶液，再加入1 mL Tris-HCl缓冲溶液，以不同体积的10 nmol/mL锰离子溶液稀释至10 mL，再孵化30 min，即得不同浓度的锰配位的超分子聚合物溶液。

1.3 Bis-salophen的结构表征

1.3.1 元素分析利用元素分析仪对产物Bis-salophen中C、H、O、N 4种元素进行检测，进而初步分析其组成，并推断出化学组成最简式。

1.3.2 红外光谱分析通过压片法和基线扫描，利用傅立叶红外光谱仪在400～4 000 cm-1范围内扫描，确定其主要特征官能团，并结合数据进行分析。

1.3.3 核磁共振氢谱分析利用Bruker 400 MHz NMR核磁共振氢谱仪得到Bis-salophen的核磁共振氢谱图，并结合元素分析和红外光谱图，推理出该化合物的化学结构及构成。

1.4 Bis-salophen自组装的条件优化

在10 mL比色管中加入1 mL 50 nmol/mL Bis-salophen溶液、1 mL 50 nmol/mL 3,3′-二氨基联苯胺溶液和1 mL 50 nmol/mL硝酸锰溶液，利用荧光光谱仪进行共振光散射同步扫描，考察不同酸度、反应时间和反应温度对体系RLS强度的影响。

2 结果与讨论

2.1 反应原理及检测机理

Bis-salophen的合成及超分子自组装示意图见图1。由图可知，配体Bis-salophen是一种双极四齿席夫碱，它具有两个N2O2型四齿空腔，一分子Bis-salophen可与两分子锰离子反应生成双核配合物。锰离子与Bis-salophen螯合后，剩余的配位点可进一步与3,3′-二氨基联苯胺发生自组装反应，形成锰配位的超分子聚合物。由于体系中聚合物的生成，分子体积增大，导致强烈的共振光散射。研究表明，当体系中不存在锰离子时，体系的RLS强度很小；随着锰离子浓度不断增加，体系的RLS强度也随之增大。由此可见，分子体积和浓度是影响RLS强度的两个重要因素。表明该方法可用于锰离子的分析检测。

图1 Bis-salophen的合成及超分子自组装示意图Fig.1 Synthesis and supramolecular self-assembly of bis-salophen

2.2 Bis-salophen的结构表征

2.2.1 Bis-salophen的元素分析配体Bis-salophen的元素分析结果见表1。由表中数据可知，C、H、O、N的质量分数实验值和理论值基本一致，可初步证明产物为目标产物，分子式推断其为C40H30O4N4。

表1 Bis-salophen的元素分析(%)Table 1 Elemental analysis of bis-salophen(%)

图2 Bis-salophen的红外光谱图Fig.2 IR spectrum of bis-salophen

图3 Bis-salophen的核磁共振氢谱图Fig.3 1H NMR spectrum of bis-salophen

图4 锰形态随pH值的分布Fig.4 Distribution of manganese speciation with pH value

图5 体系RLS光谱图Fig.5 RLS spectra of the systema:Mn2+(5 nmol/mL);b:3,3′-diaminobenzidine(5 nmol/mL);c:bis-salophen solution 5 nmol/mL;d-j:b+c+Mn2+(Mn2+=0.4,1.0,2.0,3.0,4.0,5.0,6.0 nmol/mL);insert:calibration curve

2.3 自组装条件优化

在其他变量相同的条件下，考察不同酸度对体系RLS强度的影响。结果显示，RLS强度随pH值增大呈先增大后减小的趋势，在pH 7.0～8.0范围内达到最大，表明该自组装反应需在中性条件下进行。由于不同的缓冲溶液有不同的缓冲范围，因此本实验采用pH 7.5的Tris-HCl缓冲溶液来调节溶液的酸度，用量为1 mL。

2.3.2 反应时间的影响体系共振光散射强度随着反应时间的增大而增大，在15 min后达到最大，此后基本保持不变。表明Bis-salophen、3,3′-二氨基联苯胺与锰离子的自组装反应可在15 min后达到饱和状态，因此，实验选择在自组装15 min后进行测定。

2.3.3 反应温度的影响实验通过在不同温度下检测共振光散射强度，考察反应温度的影响。结果显示，体系RLS强度随温度的增大呈先增大后减小的趋势，当反应温度为15～25 ℃时，RLS强度最大。这是由于该反应为吸热反应，随着温度升高，平衡向正向进行，低温下自组装能力下降；而高温下客体配体3,3′-二氨基联苯胺易发生氧化反应，导致配位能力下降，因此实验选择反应温度为20 ℃。

2.4 抗干扰实验

2.5 光谱特征、标准曲线与检出限

RLS光谱图见图5，由图可知，随着锰离子浓度逐渐增大，体系的RLS强度也随之增大，且锰离子浓度在0.4～6.0 nmol/mL范围内，共振光散射强度(IRLS)与Mn2+浓度(c)呈良好的线性关系，线性方程为IRLS=270.64c(nmol/mL)+1 530.21，相关系数(r)为0.999 4。根据公式LOD=3Sb/m(其中Sb为空白标准偏差，m为工作曲线的斜率)计算得该方法的检出限(LOD)为0.13 nmol/mL。比电感耦合等离子原子发射光谱法(ICP-AES)[25]具有更低的检出限，灵敏度更高。

2.6 实际样品测定及回收率

采集湘江水样(稀释10倍)、生活用水和蒸馏水在优化条件下测定。首先通过预处理，将样品的pH值调至近中性，再加入二巯基丙醇和F-溶液，利用共振光散射法进行测定，并进行锰离子不同梯度的加标回收实验[26]。实验结果如表2所示，样品的回收率为98.5%～103%，相对标准偏差(RSD)低于5%。表明该方法能很好地检测实际样品中的锰离子，且具有良好的回收率。

表2 实际样品分析(n=6)Table 2 Analysis of real samples(n=6)

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3 结 论

本研究采用水杨醛和3,3′-二氨基联苯胺合成双极四齿主体配体Bis-salophen，再利用3,3′-二氨基联苯胺作为客体配体，通过共振光散射技术实现了对锰离子的检测。该方法具有操作简便、灵敏度高、检测费用低等优点，并成功应用于湘江水样和生活用水中锰离子的检测，为其他金属离子的痕量检测提供了新的思路和方法。