镧系配合物检测流域水环境阴离子的可视化研究

2022-04-07卫晨曦岳一莹

三峡生态环境监测 2022年1期

卫晨曦，岳一莹，王烜 *

（1.北京师范大学环境学院/水环境模拟国家重点实验室，北京 100875；2.北京师范大学环境学院/水沙科学教育部重点实验室，北京 100875；3.南京林业大学生物与环境学院，南京 210037）

流域是水资源自然形成的基本单元，流域水环境恶化与经济发展存在双向因果关系。2019年，全国七大流域中有五大流域地表水为轻度污染，全国112个重要湖泊水质在Ⅲ类以上的比例仅为69.1%[1]。流域水环境污染不仅表现在水质恶化，如重金属、有机污染物浓度增高，还表现在水体表观性状异常，如N/P超标引起的富营养化。对流域水环境污染物质快速准确地检测，是加强流域水环境管理，发挥水域承载功能的迫切需要。常用的流域水环境检测方法主要有两种[2]：其一，理化检测技术，通常采用先进设备对污染物质的化学性质进行检测，如分光光度法、色谱法、电化学法、电感耦合等离子体原子发射光谱法等。其二，生物检测技术，利用水生生物对水环境变化的敏感性进行水环境检测。这些方法各具优势，但是理化检测技术存在检测时间长、检测费用高、结果准确性和重现性差、伴随二次污染等缺点，生物检测技术存在敏感物种选择不易和准确性差等缺点[3]。由于基于荧光的检测方法具有灵敏度高、抗干扰能力强、价格合理、便捷可视化等特点[4]，近年来荧光光谱法作为一种高效便捷检测方法，在水环境金属离子、芳香烃、阴离子、氨基酸、抗生素、pH等监测中逐渐得到广泛应用，表现优异[5-6]。

金属有机框架（metal organic-framework，MOF）多孔晶体材料在近几十年受到研究者的关注。MOF是一种由金属离子/金属团簇与有机配体通过配位键连接构建的结晶材料[7]，具有拓扑结构多样性、结构可调整性、孔隙大和表面积比大等特点，已经成为具有巨大潜力的水环境检测材料[8]。作为一种非常有前途的MOF材料，基于镧系元素（Ln）的MOF因具有独特的性质得到广泛研究。相比于过渡金属离子，三价镧系离子（Ln3+）的特殊电子结构产生电子屏蔽效应，故受到外部扰动程度较低，能够保持原有的发光颜色[9]。尤其是Eu3+和Tb3+，具有强烈的红光和绿光，发光颜色纯度高，荧光寿命长，有较大的Stokes位移[10]。现有文献研究中，Ln-MOF已显示出对阳离子[11]、阴离子[12]、有机小分子[13]、硝基化合物[14]、气体小分子[15]、抗生素[16]的选择性识别能力，一些Ln-MOF甚至能够响应溶液pH的变化，荧光强度与溶液pH具有一定关联性[17]。

Ln-MOF作为荧光传感器具有便捷响应的特点，Ln-MOF荧光强度的变化传递了目标检测物含量变化的信息。因此，Ln-MOF对于利用发光信号进行信息传导的新型检测方法具有重要意义。当研究Ln-MOF作为荧光检测器检测水环境时，Ln-MOF水溶液的稳定性至关重要。合成具有良好稳定性的Ln-MOF通常需要满足Ln与MOF之间具有较强的配位键（热力学稳定性）或明显阻（运动稳定性）。实际应用中，常通过选择合适的配体防止水解作用而破坏配位键[19]。据此，本文拟用2,6-吡啶二羧酸（DPA）与硝酸铕六水合物[Eu(NO3)3·6H2O]合成吡啶二羧酸铕[Eu(DPA)3]，对流域水环境中多种类型污染物的选择性检测进行研究。通过研究不同pH、激发波长对荧光传感器的影响，确定Eu-MOF的最佳使用条件，探究其对目标污染物的特异性响应。

1 材料与方法

1.1 材料和测量方法

2,6-吡啶二羧酸（DPA）购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司，硝酸铕六水合物[Eu(NO3)3·6H2O]购自萨恩化学技术（上海）有限公司，其他主要试剂均来自上海阿拉丁生化科技股份有限公司和国药集团化学试剂有限公司。所有试剂和溶剂都是分析纯。使用集热式恒温加热磁力搅拌器（DF-101Z，上海予申仪器有限公司）合成Eu(DPA)3。使用荧光/磷光/发光分光光度计（LS55，PerkinElmer）用于合成材料荧光强度分析和对系列污染物的选择性检验。使用紫外可见分光光度计（UV-6100型，上海美谱达仪器有限公司）记录9种阴离子的紫外可见光谱。

1.2 Eu(DPA)3溶液的制备

准确称取0.501 4 g DPA和0.446 1 g硝酸铕六水合物，分别溶于盛有50 mL无水乙醇的圆底烧瓶和烧杯中，超声处理10 min，待两物质充分溶解后将烧杯中溶液转移到圆底烧瓶中，混合均匀。向圆底烧瓶中滴加氨水调节溶液至中性。在80～85℃下加热回流3 h。冷却至室温后将得到的溶液在8 000 rpm下离心10 min，弃去上清液，用乙醇洗涤三次得到[Eu(DPA)3]配合物白色粉末，加水溶解形成含铕的荧光溶液。加水溶解的铕荧光溶液[Eu(DPA)3]在自然光照下呈无色，在紫外灯照射下呈现红色。贴好标签用保鲜膜密封后避光保存备用。

1.3 Eu(DPA)3溶液荧光强度分析与目标物检测

1.3.1 Eu(DPA)3溶液最强荧光强度的条件确定

在室温下研究Eu(DPA)3溶液的发光特性。将制备好的Eu(DPA)3溶液稀释100倍，根据文献调研将分光光度计的波长扫描范围设置为200～800 nm，检测不同波长下Eu(DPA)3溶液的荧光强度，确定最佳激发波长。在确定最佳激发波长的基础上，将Eu(DPA)3荧光溶液pH分别调为2、5、8、10，测定最佳激发波长下不同pH对Eu(DPA)3溶液荧光强度的影响，确定溶液最佳pH。Eu(DPA)3水溶液荧光强度稳定性影响其作为水环境中快速高效荧光检测的可行性。因此，测定稀释100倍的Eu(DPA)3溶液在120 min内的荧光强度，研究Eu(DPA)3水溶液的稳定性。

1.3.2 Eu(DPA)3溶液检验阴离子

预先配制相同浓度的包含不同阴离子的水溶液 NaXx（1×10-3mol/L，X=Cl-、SO42-、SO32-、Br-、CH3COO-、H2PO4-、HPO42-、PO43-、Cr2O72-）。Cr2O72-梯度溶液由1×10-3mol/L Cr2O72-溶液稀释得到。室温下，取1 mL稀释100倍的Eu(DPA)3水溶液分别添加 1 mL NaXx（X=Cl-、SO42-、SO32-、Br-、CH3COO-、H2PO4-、HPO42-、PO43-和 Cr2O72-）溶液，设置空白对照组。混合溶液中阴离子浓度为5×10-4mol/L。激发波长为280 nm，激发狭缝和发射狭缝分别为10.0 nm和15.0 nm，测定荧光强度。选择对Eu(DPA)3溶液有明显淬灭作用的阴离子，配制系列梯度，研究不同浓度某阴离子与Eu(DPA)3溶液荧光强度的函数关系。所有实验结果均为三个平行实验的均值。

2 结果与讨论

2.1 Eu(DPA)3溶液荧光性能分析

经乙醇洗涤三次得到的吡啶二羧酸铕配合物是白色固体粉末，加水后能够完全溶解形成含铕的荧光溶液，表明Eu(DPA)3在水中具有良好的稳定性和分散性。该溶液在自然光照条件下为无色透明液体，在紫外灯照射下为红色透明液体，如图1所示。

图1 Eu(DPA)3的荧光性质Fig.1 Fluorescence properties of Eu(DPA)3

根据文献研究，设置扫描范围为200～800 nm，对比不同激发波长下溶液荧光强度。不同激发波长下Eu(DPA)3溶液在620 nm处的荧光发射强度如图2所示。图中仅表现250～280 nm激发波长下的620 nm处发射峰荧光强度，其余激发波长下的发射峰被倍频峰遮挡，故而不在图中表示出来。Eu(DPA)3的激发光谱由250～330 nm的宽激发谱带组成，宽谱带的产生可归因于配体DPA对能量有较强的吸收。配体吸收能量，通过“Antenna”效应将能量转移至中心Eu3+离子[14]，在紫外灯照射下肉眼可见强烈红色特征荧光。在280 nm激发波激发下，Eu(DPA)3表现出五个尖锐的峰，这五个峰来自5D0→7FJ（J=0～4）跃迁，5D0→7F2跃迁是典型的电偶极跃迁，在620 nm处的显著跃迁，是造成溶液发红光的主要原因[20-22]。金属离子最低激发态能级和配体最低三重态能级之间能级差ΔE是影响配合物发光性能的重要因素，Eu3+与配体之间的能级差在2 500～4 000/cm范围内时能量传递效率最高[23-24]。Eu(DPA)3溶液在紫外光照射下肉眼可观察到强烈特征红色荧光，表明配体DPA对Eu3+的修饰十分有效。

图2 不同激发波长下Eu(DPA)3溶液的荧光发射光谱Fig.2 Fluorescence emission spectra of Eu(DPA)3solution under different excitation wavelengths

pH是影响荧光检测性能的重要因素，因此研究Eu(DPA)3溶液荧光强度对不同pH的响应，结果如图3所示。在实验pH范围内，Eu(DPA)3溶液在300 nm紫外光下均能观察到红色特征荧光，但是荧光强度不同，其中酸性最强的溶液发出的荧光最弱。我们初步得到的结果表明Eu(DPA)3溶液具有较好的化学稳定性，可以在较宽的pH范围内使用。酸性溶液削弱Eu(DPA)3溶液荧光强度，可解释为MOF骨架坍塌、发射中心Eu3+浸出或者DPA配体的质子化[17]。从能量角度可以解释为pH=10条件下配体DPA最低激发三重态（T1）与中心Eu3+的最低激发态（5D0）能级之间能量合理匹配，从而确保能量在T1和5D0能级之间高效传递且不发生能量回传。为了实现检测阴离子的灵敏度，选择pH=10作为最佳pH。

图3 （a）300 nm紫外灯下Eu(DPA)3溶液照片；（b）激发波长280 nm下不同pH下Eu(DPA)3溶液的荧光发射光谱Fig.3 (a)Photos of Eu(DPA)3solution under a 300 nm UV lamp;(b)Fluorescence emission spectra of Eu(DPA)3solution with different pH at 280 nm excitation wavelength

水在荧光配合物荧光传感中通常起着淬灭剂的作用[25]，通过对5D0→7F2跃迁在620 nm处最强发光强度与时间分析，测定Eu(DPA)3水溶液的稳定性。如图4所示，一定时间内其荧光强度几乎保持不变，证明Eu(DPA)3水溶液具有较好的稳定性。这可能归因于配合物框架对Eu3+中心离子的充分保护[26]，此外Eu(DPA)3的构型可以促进镧系元素在配合物中均匀分布，从而防止高浓度聚集下引起镧系元素配合物的自淬灭[20]。Eu(DPA)3水溶液具有一定的稳定性，可以作为性能良好的荧光传感器检测水环境中的污染物质。

图4 120 min内Eu(DPA)3溶液的荧光发射光谱（时间步长为10 min）Fig.4 Fluorescence emission spectrum of Eu(DPA)3solution in 120 min(time step is 10 min)

2.2 Eu(DPA)3溶液对阴离子特异性检测

鉴于水环境中Cr（Ⅵ）的存在对水生态系统的破坏，对痕量Cr2O72-/CrO42-阴离子的快速和选择性检测引起研究学者的广泛关注。六价铬是极毒性的，不论是吸入还是经过消化道、皮肤黏膜进入人体，都会对机体产生严重损害，对人类生命健康构成持续威胁[12,27]。因此，使用NaXx（X=Cl-、SO42-、SO32-、Br-、CH3COO-、H2PO4-、HPO42-、PO43-和Cr2O72-）溶液进行无机阴离子的选择性检验。实验结果表明，不同阴离子可不同程度淬灭荧光强度，且Cr2O72-对荧光的淬灭效果更加显著，可在300 nm紫外灯下肉眼观察到红色荧光的衰减，如图5（a）所示。为进一步研究Eu(DPA)3对Cr2O72-检测的选择性，制备Cr2O72-和其他阴离子的混合溶液，探究不同阴离子之间的竞争关系和共存干扰。混合溶液中Cr2O72-与其他阴离子浓度均为2.5×10-4mol/L。结果如图5（b）所示，阴离子共存系统与之前单一阴离子溶液系统相比，前者的荧光强度出现减弱，即其他竞争性阴离子的存在不会影响Eu(DPA)3对Cr2O72-的检测，Eu(DPA)3对Cr2O72-具有高度选择性，这为荧光材料检测Cr2O72-的实际应用奠定了基础。

图5 Eu(DPA)3溶液对不同阴离子及离子混合溶液的响应Fig.5 Response of Eu(DPA)3solution to detect anions

根据文献调研[12，28-31]，荧光强度减弱主要由以下四个原因引起：（1）Ln-MOF骨架坍塌，这是最常见的原因。（2）能量的竞争吸收，目标物质的引入会干扰配体对能量的吸收，减少配体向中心离子的能量转移，最终导致荧光淬灭。（3）目标检测离子与中心阳离子交换，改变配体与中心离子之间的能级差，阻碍能量传递。（4）目标检测离子与配合物框架之间相互作用。根据紫外-可见吸收光谱（图6），Cr2O72-水溶液在250～320 nm和320～400 nm的范围内有强吸收带。而Eu(DPA)3的激发波长为280 nm，两者的激发之间存在重叠。因此推测荧光淬灭的原因之一是Cr2O72-和Eu(DPA)3之间对激发能量的竞争吸收。Cr2O72-离子的电子转移跃迁降低了DPA配体中π和π*轨道之间的能量转移，从而降低了“Antenna”效应过程的效率，导致荧光淬灭[23]。

图6 不同阴离子紫外-可见光吸收光谱Fig.6 UV-Vis absorption spectra of different anions

进一步研究Cr2O72-浓度与荧光淬灭程度之间的关系。用Origin软件绘制Cr2O72-浓度与荧光强度的关系图，如图7所示。不同浓度Cr2O72-溶液对荧光的淬灭程度不同，低浓度下可以通过以下方程拟合：式中，F0和F分别为添加离子之前和之后的荧光强度，a为拟合直线的斜率，[Q]为离子的摩尔浓度。

图7 Eu(DPA)3溶液与不同浓度Cr2O72-溶液反应后的荧光强度Fig.7 The emission spectra of Eu(DPA)3solution at various concentrations of Cr2O72-

低浓度下拟合情况良好，R2=0.985 8。然而随着Cr2O72-离子浓度的增加，曲线偏离线性，并开始弯曲。较低浓度下为静态淬灭，是线性变化，较高浓度下由于动态淬灭使曲线偏离线性。静态猝灭可归因于分析物和传感器之间的基态相互作用。动态猝灭主要归因于分析物和传感器之间的能量和电子转移过程[30，32]。