一种席夫碱基水溶性聚合物荧光化学传感器对Al3＋的检测研究

孔刘奇许宇航朱 燕陈阿敏李 娜李 光

(聊城大学材料科学与工程学院,山东 聊城 252059)

0 引言

铝被广泛应用于我们的日常生活和工业生产过程中。然而,铝不是人体必需元素,世界卫生组织确认,过量铝离子在人体内的富集会造成一系列的中枢神经系统性疾病[1-3]。此外,由于人类工业生产和酸雨导致自然界水环境Al3＋浓度增加,严重影响了动植物的健康生长。因此,Al3＋检测方法的研究开发对人类身体健康和生态环境的保护有着至关重要的作用。

目前,铝离子的传统检测方法主要有电感耦合等离子质谱法、电喷雾电离质谱法、原子吸收光谱法和原子荧光光谱法等。价格昂贵、样品制备过程复杂、仪器操作程序繁琐、检测时间长等缺点限制了这些方法的广泛应用[4-7]。化学传感器法具有对金属离子选择性好、灵敏度高、制备程序简单、经济便宜等特点,使其展现出优异的应用潜力[8,9]。

由于Al3＋在水中具有结合能力强、配位能力差、光谱特征不明显等缺点,与其它金属离子相比,现在已报道的检测Al3＋的化学传感器较少。席夫碱衍生物对不同金属离子具有优异的结合能力和独特的光物理性质,富含氮氧的席夫碱衍生物能提供一个碱性环境,同时对酸性Al3＋表现出很好的亲和力。因此,席夫碱基荧光化学传感器的制备研究受到广泛关注[10-13]。然而,多数用于检测金属离子的小分子席夫碱基荧光化学传感器无法在纯水溶液中应用,必须添加有机共溶剂,因而一定程度上阻碍了它们在水环境和生物体中的应用。水溶性聚合物基化学传感器具有操作简单、信号增强、灵敏度高、水溶性好等优点[14,15]。Zhang等人通过交替RAFT 共聚制备了P(VBCDEG-alt-Sa AEMI),实现了对Zn2＋的高效选择性检出[16]。Wu等人设计合成了硼二氮烷衍生物功能化的聚乙二醇(PEG),以其作为荧光化学传感器实现了对水中Hg2＋的检测[17]。PEG 是一种生物相容性好的水溶性聚合物,以PEG 作为载体,利用小分子席夫碱衍生物对其进行修饰,可以制备出席夫碱衍生物功能化的水溶性聚合物基化学传感器,实现不依赖有机共溶剂对水中金属离子的检测,这为新型水溶性聚合物基化学传感器的研究开辟了一条新的途径。

本课题组围绕PEG 为载体、席夫碱衍生物为检测单元,制备了一系列不依赖于有机共溶剂在水介质中对Al3＋高效检测的水溶性荧光化学传感器[18-20]。在前期的工作基础上,本文设计并合成了一种新型的席夫碱衍生物功能化水溶性聚合物PEGBB,以PEGBB作为荧光化学传感器研究了其在水溶液中对Al3＋的检测性能。同时,用PEGBB制成检测试纸,研究了其对水中Al3＋的定性检测。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

2-吡啶甲酰肼、2,4-二羟基苯甲醛、4-二甲氨基吡啶、二环己基碳二亚胺、聚乙二醇单甲醚(PEG,M n＝5000)、甲苯、四氢呋喃、无水乙醚、无水乙醇和各种硝酸盐等试剂均为市售分析纯,从国药集团化学试剂公司购买。端羧基化PEG 按照文献报道的方法合成[21]。

核磁共振波谱仪(Varian Mercury 400 MHz),紫外-可见分光光度计(Shimadzu UV-vis 3600),荧光光谱仪(Hitachi F-7000),p H 计(Mettler Toledo FE20)。

1.2 样品的合成

1.2.1 席夫碱衍生物N’-(2,4-二羟基亚苄基)吡啶酰肼(BB)的合成。将0.8 g 2-吡啶甲酰肼和0.767 g 2,4-二羟基苯甲醛溶于25 m L无水乙醇中,在氮气氛围下回流反应6 h。反应结束后,将反应液冷却至室温,然后浓缩去除约一半溶剂,进行抽滤,所得滤饼放入真空干燥箱中室温干燥24 h,得到淡黄色粉末产物BB。

1.2.2 PEGBB的合成。将0.8 g端羧基化PEG 5000和40.4 mg席夫碱衍生物BB经甲苯带水处理,减压蒸馏去除甲苯后,加入10 m L干燥的四氢呋喃溶解,然后向溶液中快速加入10 mg 4-二甲氨基吡啶和40 mg二环己基碳二亚胺,常温搅拌48 h后过滤,滤液浓缩后在无水乙醚中进行沉淀,抽滤,滤饼放入真空干燥箱中室温干燥24 h,得到白色粉末状产物PEGBB。

1.3 测试溶液配制方法

利用去离子水作为溶剂配制浓度为1.5×10－2mol/L的不同金属离子储备液。将PEGBB溶解在去离子水中配成浓度为1×10－4mol/L的储备液。通过混合不同量的PEGBB储备液与金属离子储备液,用去离子水定容到3 m L,得到含有所需浓度PEGBB和金属离子的测试液,在室温条件下进行光谱测试。p H 为2～6的测试液用一定浓度的盐酸溶液配制,p H 为8～13的测试液用一定浓度的氢氧化钠溶液配制。

1.4 检测试纸的制备

将50 mg PEGBB溶于10 m L甲醇中配成溶液,然后将普通的滤纸制成圆片,在PEGBB的甲醇溶液中浸润5 min后取出,室温晒干,得到检测试纸。

2 结果与讨论

2.1 PEGBB的合成

PEGBB的合成路线如图1所示。首先通过2,4-二羟基苯甲醛与2-吡啶甲酰肼的缩合反应合成出席夫碱衍生物BB。与传统的席夫碱小分子相似,BB不能直接溶解在水中。随后,通过端羧基化PEG 与BB 的室温酯化反应合成了席夫碱衍生物功能化的聚乙二醇PEGBB,PEGBB表现出良好的水溶性。

图1 PEGBB的合成路线

2.2 PEGBB对金属离子的检测研究

通过紫外-可见吸收光谱研究了PEGBB 对不同金属离子(Al3＋、Ba2＋、Cd2＋、Co2＋、Cr3＋、Cu2＋、Fe3＋、Hg2＋、K＋、Mg2＋、Mn2＋、Na＋、Ni2＋、Pb2＋和Zn2＋)的比色选择性。如图2所示,向PEGBB水溶液(10μM)中加入2当量Al3＋后,在370 nm 处出现了强吸收峰;在分别加入2当量Ni2＋、Co2＋和Cu2＋后,水溶液在380～450 nm 区域出现了新的吸收带。其它金属离子的加入并没有引起PEGBB水溶液吸收峰的明显变化。

图2 PEGBB水溶液(10μmol/L)加入不同金属离子后的紫外-可见吸收光谱图

随后,采用荧光光谱研究了PEGBB 对不同金属离子的荧光选择性。如图3(a)所示,在370 nm 的激发波长下,PEGBB的水溶液没有显示出明显的荧光发射峰,但当加入2当量的Al3＋后,水溶液在454 nm 处出现了强的荧光发射峰。如图3(b)所示,加入2 当量的其它金属离子(Ba2＋、Cd2＋、Co2＋、Cr3＋、Cu2＋、Fe3＋、Hg2＋、K＋、Mg2＋、Mn2＋、Na＋、Ni2＋、Pb2＋和Zn2＋)后,水溶液均没有出现明显的荧光发射峰。如图4所示,在365 nm 紫外灯照射下,PEGBB水溶液在加入2当量Al3＋后由无荧光变为发亮青色荧光,而加入2当量其它金属离子的溶液均没有发出明显的荧光,这表明PEGBB 对Al3＋有着优异的选择性。PEGBB 对Al3＋的检测效果如此明显,表明Al3＋能与PEGBB实现较好的配位络合。向PEGBB 水溶液中加入Al3＋后在454 nm 处出现强荧光发射峰和在365 nm 紫外灯照射下肉眼可见的亮青色荧光,证明了PEGBB可以作为一种高效的荧光化学传感器对Al3＋进行选择性检测。

图3 (a)PEGBB水溶液(10μmol/L)和加入不同金属离子后的荧光光谱图(激发波长370 nm);(b)PEGBB水溶液(10μmol/L)和加入不同金属离子后在454 nm 处的荧光强度柱状图

图4 在365 nm 紫外灯下PEGBB水溶液(10μmol/L)中加入不同金属离子后的照片

通过荧光滴定实验研究了随着PEGBB 水溶液中Al3＋浓度增加对水溶液荧光发射强度的影响。如图5(a)所示,随着Al3＋浓度增加,在454 nm 处的荧光发射峰强度逐渐增加,当Al3＋的滴加浓度增加到1当量后,454 nm 处的荧光发射峰强度不再发生明显增加。从图5(b)的等摩尔连续变化法的分析可以看出PEGBB 与Al3＋按1:1 摩尔比络合。在没有Al3＋存在的情况下,PEGBB水溶液没有显示出明显的荧光,可能是由于碳氮异构化和在激发状态下亚氨基上的孤对电子向苯环的光诱导电子转移导致的。当Al3＋与席夫碱衍生物苯环上的羟基以及亚氨基和羰基上的孤对电子发生络合后,由于荧光基团刚性的增加从而有效抑制了激发态分子内质子转移、碳氮异构化和分子内光致电子转移过程,从而造成荧光发射强度大幅度增强[22,23]。通过推测分析,PEGBB与Al3＋可能的配位作用机理图如图6所示。如图7 所示,PEGBB 对Al3＋的检出限是7.56×10－9mol/L,远远低于世界卫生组织所规定饮用水中Al3＋的安全允许浓度7.41μmol/L[24]。

图5 (a) PEGBB水溶液(10μmol/L)中加入不同当量Al3＋后的荧光光谱图;(b)等摩尔连续变化法测定PEGBB-Al3＋的荧光强度

图6 PEGBB检测水溶液中Al3＋的配位作用机理图

图7 PEGBB(10μmol/L)对Al3＋的检出限计算图

2.3 PEGBB检测Al3＋的抗干扰性研究

由于在实际检测金属离子时,所面临的检测环境比较复杂,良好的抗干扰性是衡量荧光化学传感器的一个重要标准,因此进一步研究了PEGBB检测Al3＋时的抗干扰性能。如图8所示,除了Cu2＋和Hg2＋外,在含有其它金属离子的PEGBB水溶液中加入Al3＋后,水溶液在454 nm 处的荧光发射强度均比较强,表明PEGBB在检测Al3＋时具有良好的抗干扰性能。

图8 在含有2当量不同金属离子的PEGBB水溶液(10μmol/L)中加入2当量Al3＋后的荧光强度变化柱状图

2.4 p H 值对PEGBB检测性能的影响

性能优异的荧光化学传感器应该能在较宽的p H 范围内对特定金属离子进行选择性检出,因此在p H值1～13范围内研究了PEGBB对Al3＋的检测性能。如图9所示,在p H 值为1～13范围内,PEGBB水溶液在454 nm 处的荧光发射强度没有明显变化,说明PEGBB在1～13 p H 范围的水溶液中是稳定的。当p H值在5～9范围时,PEGBB-Al3＋在454 nm 处的荧光发射强度比较强。因此,PEGBB可以在较宽p H 范围的水环境中对Al3＋进行检测。

图9 PEGBB水溶液(10μmol/L)在加入Al3＋前后不同p H 值下454 nm 处的荧光发射强度

2.5 PEGBB对Al3＋检测的可逆性研究

荧光响应的可逆性也是评价荧光化学传感器的重要指标之一。通过向PEGBB水溶液中交替加入Al3＋和乙二胺四乙酸(EDTA),研究了PEGBB 对Al3＋的可逆检测性能。如图10所示,向PEGBB-Al3＋的水溶液中加入1当量EDTA 后,溶液的荧光发生了猝灭,再加入1当量的Al3＋后,溶液的荧光强度恢复明显。向溶液中交替加入Al3＋和EDTA 后,荧光响应可以重复6次以上。实验结果表明,PEGBB 对Al3＋的检测具有良好的可逆性,可用作检测Al3＋的可逆荧光化学传感器。

图10 PEGBB 水溶液(10μmol/L)中交替加入Al3＋和EDTA 后在454 nm 处的荧光发射强度

2.6 检测试纸的应用

制作试纸检测金属离子是荧光化学传感器比较有效的实际应用方法。采用简单的浸泡-晾干工艺可制成吸附有PEGBB 的检测试纸,研究该试纸对Al3＋的原位定性检测效果。如图11所示,通过在试纸上滴加不同的金属离子溶液后,在365 nm 紫外灯照射下,可以明显观察到只有滴加Al3＋的试纸呈现亮青色荧光,其它的试纸没有显著的荧光颜色变化。结果表明,涂有PEGBB的试纸可以实现对水环境中Al3＋的便捷定性检测。

图11 在365 nm 紫外灯下滴加不同金属离子溶液(10－4 mol/L)后的试纸照片

3 结论

本文以水溶性聚合物聚乙二醇为载体、席夫碱衍生物为检测单元成功合成了一种席夫碱衍生物功能化水溶性聚合物基荧光化学传感器PEGBB。PEGBB在纯水溶液中实现了对Al3＋的高效选择性检出,表现出优异的抗干扰性能,而且在较宽的p H 检测范围内表现出对Al3＋的良好检测性能。PEGBB 可作为一种可逆的荧光化学传感器实现对Al3＋的检测。此外,由PEGBB制成的检测试纸可以通过荧光颜色变化实现对水环境中Al3＋的便捷定性检测。该工作为用于水环境中金属离子检测的席夫碱基水溶性荧光化学传感器制备研究提供了一种简便有效的策略。