温度/4-硝基苯酚敏感型聚合物荧光探针的合成与性能分析

马祥梅 马 静 王 斌 何苗苗 胡劲松

1（安徽理工大学化学工程学院 淮南232001）

2（安徽世华化工有限公司 六安237400）

芳香族硝基苯类化合物是工业废水中常见的污染组分，具有危害性大、稳定性高、生物毒性强等特点［1］，即使含量很低，也可能对人类造成严重且不可逆转的损害［2］。迅速准确地测定废水中的有害污染物对于保护水资源和国民经济的发展具有重要意义，快速、灵敏地识别污染组分中的目标分子是检测的关键［3-4］。常用的检测有机化合物分子的方法有原子吸收光谱法、气相色谱法和高效液相色谱法等，但在实际应用中以上方法均存在设备昂贵［5-6］、操作麻烦且耗时等问题。气相色谱法和高效液相色谱法由于色谱柱或检测器对水分子非常敏感，不能直接用于水介质的检测。荧光检测具有选择性高、简单、快速、无破坏性和高灵敏度等优点［7-8］。而在实际应用中，小分子荧光化合物由于水溶性较差、难于原位定点成像［9-10］、易脱落、与基料相溶性不好、仪器稳定性较差等因素在水体检测领域的应用受到严重制约［11-13］。荧光聚合物是把小分子荧光基团以化学键结合的形式引入到聚合物中，与小分子荧光化学传感器相比，具有含量稳定、分布均匀且不易脱落、选择性高和灵敏度高等优点［14-15］。因此，带有荧光基团的水溶性聚合物作为荧光传感器的设计和构建一直是人们关注的焦点［16］。由于绝大多数聚合物以及聚合物制成的材料都不溶于水，从而在很大程度上限制了其在荧光检测领域的应用。水溶性荧光聚合物实现了在水溶液中进行荧光检测的目的，很大程度上拓宽了聚合物的应用范围。

近年来含砜基的材料引起人们的广泛兴趣，一些基于二苯砜衍生物的材料可以作为主体材料、电子传输材料和荧光材料等，例如该材料可以被用于制作高效OLEDs 基来增强荧光［17-18］。N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）和丙烯酰（AM）单元不仅对温度变化有快速地响应而且能达到人体的低临界溶解温度（LCST），使用NIPAM 作为高分子聚合单体，不仅来源广泛，价廉易得，能够很好地节约成本，而且聚合物极易溶于水，具有很好的温度敏感性［19-20］。

本文以NIPAM 和AM 为水溶性单体，与自制的荧光单体4，4′-二（甲基）丙烯酰氧基二苯砜进行三元共聚反应，得到一种高灵敏性、高选择性的温度/4-硝基苯酚敏感型聚合物荧光响应化学传感器。

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

4，4'-二羟基二苯砜、三乙胺、甲基丙烯酰氯、偶氮二异丁腈（AIBN）、AM 和NIPAM 购于阿拉丁试剂（上海）有限公司，分析纯；AIBN 和NIPAM 分别使用乙醇和正己烷重结晶后使用；蒸馏水实验室自制。

Hitachi F-4600荧光光谱仪；Bruker400 MHz核磁共振仪；FTIR-NICOLET-380傅里叶变换红外光谱仪。

1.2 方法

荧光聚合物聚（BSA-co-AM-co-NIPAM）（PBAN）以二苯砜为荧光信号基团，具体的合成路线如式（1）所示。

1.2.1 荧光单体4,4′-二（甲基）丙烯酰氧基二苯砜（BAS）单体合成

将2.5 g 4, 4´-二羟基二苯砜、5 mL 三乙胺和30 mL 四氢呋喃（THF）依次加入50 mL 圆底烧瓶中，搅拌使其完全溶解。冰水浴下，将3 mL 甲基丙烯酰氯缓慢滴加至烧瓶内，室温下搅拌12 h，过滤除去沉淀，滤液经旋转蒸发除去溶剂后加入大量蒸馏水，室温放置24 h，过滤，50 ℃下干燥2 h，得到的白色固体用无水乙醇重结晶，干燥，收率94%。

1.2.2 聚合物PBAN的合成

100 mL 三口烧瓶在搅拌条件下加入1.7 g（0.015 mol） NIPAM、2.5 g （0.035 mol） AM、0.1 g （0.35 mmol）单体BSA和45 mL溶剂四氢呋喃并搅拌，再称取0.04 g 的AIBN 使其完全溶于5 mL四氢呋喃后加入上述三口烧瓶中，在N2保护下加热至65 ℃并保温反应24 h，冷却至室温后，倒入乙醚生成沉淀除去未反应的单体，产物溶于少量的四氢呋喃并再次在乙醚中沉淀，该步骤重复2次以完全除去未反应的单体，收率82%。

2 结果与分析

2.1 红外光谱分析

为了确定荧光单体BAS 及聚合物PBAN 的结构，对其进行了红外光谱测试（图1）。

图1 单体BAS和PBAN的红外光谱Fig.1 FTIR spectra for monomer BAS and PBAN

荧光单体的红外谱图中1 740 cm-1处为酯基中C=O 的伸缩振动峰；1 450～1 650 cm-1归属于苯环骨架的特征峰；1 210 cm-1、1 160 cm-1、1 120 cm-1归属于S=O 的特征吸收峰；而与AM 和NIPAM 聚合后，由于荧光单体BAS 的含量很少，苯环骨架和S=O的特征峰几乎消失；聚合物PBAN 谱图中1 666 cm-1处出现的较强吸收为羰基的特征吸收峰，对应于酰胺I （C=O 伸缩振动）峰；2 968 cm-1处出现了归属于NIPAM中异丙基上甲基C‒H的伸缩振动峰；在1 630 cm-1附近没有强的C=C 吸收峰，表明聚合物中无烯烃单体残留。这些特征峰的同时出现初步证明了聚合产物的结构。

2.2 核磁共振氢谱分析

图2是聚合物PBAN的核磁共振氢谱（400 MHz，D2O，δ）：3.64和3.85 处出现的峰分别归属于异丙基结构中的亚甲基和甲基的化学位移，1.60和1.82处出现的峰分别归属于链段上亚甲基和次甲基的化学位移。聚合物中二苯砜功能化单体由于含量太少，图2中没有出现苯环上质子的化学位移，也没有双键碳上质子的信号出现，进一步说明了聚合物的成功合成。

图2 PBAN的核磁共振氢谱Fig.2 1H-NMR spectrum of PBAN

2.3 共聚物PBAN的荧光性质

2.3.1 温度对PBAN水溶液荧光性能的影响

图3为水溶性荧光聚合物在不同温度的荧光光谱，由图3可看到明显的荧光发射峰。在测试的温度范围内，温度升高荧光强度减弱，只有发生相转变时（温度30～32 ℃），其荧光强度明显变弱。当温度达到低临界溶解温度（LCST）时，其微环境由极性转变为非极性，聚合物在溶液中由伸展的线团结构转变为紧密的球状结构，荧光表现为突变，表明聚合物此时发生了由亲水至疏水的相转变。聚合物的LCST和文献中报道的PNIPAM的LCST有很好的一致性［21］，这是因为虽然聚合物体系中引入了AM基团，但并没有使聚合物的活动性及溶解性有所下降，同时荧光基团二苯砜的含量极低，影响很小。

图3 PBAN水溶液荧光强度随温度的变化Fig.3 Fluorescence intensity changes recorded for PBAN at varying temperatures

2.3.2 芳香族硝基化合物的荧光性能

为了研究共聚物PBAN对芳香族硝基化合物的识别性能，以水为溶剂，在环境温度下检测它们的荧光传感性能。在等体积的水溶液中分别加入4-硝基甲苯（4-NT）、2，6-二硝基甲苯（2，6-DNT）、三硝基甲苯（TNT）、2，4-二硝基甲苯（2，4-DNT）、对硝基苯酚（4-NP）、邻硝基苯酚（2-NP）、硝基苯（NB）、2-硝基甲苯（2-NT）和三硝基苯酚（TNP）并使浓度相等，结果如图4 所示。仅4-NP 使传感器的荧光图谱有明显的猝灭现象，其他的NACs 对荧光强度影响很小，即使4-NP 的浓度很小，荧光强度也被明显猝灭。表明PBAN对4-NP具有较高的选择性（图4（a））。

图4 PBAN与不同NACs在293 nm处的荧光发射强度(a)；PBAN与4-NP的荧光滴定图(b)；PBAN加入4-NP的荧光淬灭图(c)；PBAN与不同浓度4-NP的S–V图(d)(彩色见网络版)Fig.4 Fluorescence intensity changes of PBAN in the presence of different NACs(a);fluorescence spectra of PBAN with different amounts of 4-NP(b);quenching percentages of 4-NP(c);S–V plot of PBAN in different concentrations of 4-NP(d)(color online)

为了进一步研究PBAN 对4-NP 的检测灵敏度，用荧光滴定法测定了PBAN 对4-NP的最低检测限（LOD）。如图4（b）所示，10-4mol/L 的4-NP溶液对2 mL PBAN水溶液（1 g/L）进行滴定实验，结果表明体系荧光强度随4-NP 浓度的增加而显著减弱。当4-NP加入量达到250 μL时，体系的荧光强度达到最小值，相对于未加4-NP 时出现了极大的变化（图4（c））。通过Sterne-Volmer方程（I0/I）-1=KSV［Q］（I0和I是滴定前后的荧光强度；［Q］是分析物的浓度；KSV是表示传感器灵敏度的Sterne-Volmer 常数），计算得到最低检测限为2.8×10-8mol/L，线性相关系数高达0.99（图4（d））。表明PBAN对4-NP的荧光检测具有很高的敏感性，可以在较低浓度对环境中的4-NP 进行检测。反应机理是芳香族硝基化合物由于硝基强烈的吸电子效应能有效降低π 空轨道的能量，使这些化合物成为良好的电子受体；而二苯砜的两个苯环与S=O 以及和苯环相连的氧形成大π 键共轭平面结构，具有良好的供电子能力［22］，该类聚合物易于与电子受体的芳香硝基化合物之间产生电荷转移络合物，从而使聚合物的荧光性能明显改变［23］。

3 结论

本文利用简单可行的方法合成了一种基于BSA、NIPAM 和AM 单体的水溶性荧光聚合物PBAN，并对其4-NP 响应性能和温敏性分别进行了研究。荧光单体的高分子化显著改善了荧光单体的水溶性，荧光光谱研究表明，传感器分子荧光发射强度及稳定性高，荧光强度具有温度敏感性，对4-NP 分子有良好的选择性识别能力。荧光滴定结果表明4-NP 浓度与荧光强度呈很好的线性关系。计算的检测限达到2.8×10-8mol/L，实现了高灵敏度、高选择性地快速检测水中的4-NP，在环境监测和生物分析等领域具有潜在的应用价值。