纤维素基荧光传感材料在Cu2+传感中的应用*

马洪伟，周 敦，陈 玉，李 斌

(东北林业大学化学化工与资源利用学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

众所周知，金属离子在生命过程中扮演着重要的角色，对金属离子的定性定量分析，对疾病的准确诊治具有重要价值[1]。Cu2+作为人体内含量较为丰富的过渡金属离子，Cu2+过量会导致一些像阿尔茨海默症等神经退行性疾病[2-3]。因此针对Cu2+的检测设计一种荧光探针检测器成为目前研究热点之一[4]。荧光检测法具有成本低、灵敏度高和移动性好等优势，在Cu2+检测领域具有广阔的应用前景[5]。2020年，Wang等[6]设计了一种由2-萘酰氯和丹酰肼合成的荧光比率探针用于Cu2+检测，其检测限可以达到0.18 μM；2020年，Sun等[7]以硼二吡咯烯(BODIPY)为基础，以2-羟基-N-(2-羟基苯基)苯甲酰胺为识别位点，设计、合成了一种用于灵敏检测铜离子的新型荧光探针；2019年Pu等[8]设计并合成了一种基于香豆素-罗丹明B杂交的比色和比率荧光传感器，通过FRET机制对Cu2+进行识别。

尽管荧光分子在检测Cu2+领域已经取得较大的进展，但是用于Cu2+检测的荧光材料仍然面临着聚集淬灭的问题，导致其发光效率降低，导致其检测Cu2+的灵敏度受限。纤维素是目前世界上储存最为丰富的生物质资源，纤维素的结构由D-葡萄糖通过β-1-4糖苷键组成，对于纤维素有一个重要的结构特征：每个葡萄糖单元都有3个羟基，分别位于2、3和6位[9-13]，大量的羟基赋予其较强的亲水性和大的吸附能力。利用化学接枝法将荧光基团共价接枝在纤维素分子上，可以使荧光分子均匀地分散在纤维素分子上，降低荧光分子间的π-π堆积作用，从而提高其光致发光性能[14]。同时，纤维素对金属离子具有较强的吸附性，可以实现分析物的预富集，进一步提高荧光材料检测的灵敏度。此外，与以前的小分子探针相比较，纤维素基化学传感器具有良好的加工性能[15]。

基于此，本文设计并合成用于Cu2+检测的纤维素基荧光材料。该工作以醋酸纤维素为基底，选择异烟酸作为Cu2+检测的活性单元[16]。通过酯化反应，将异烟酸接枝于纤维素。异烟酸本身不具有发光基团，然而我们发现异烟酸接枝于纤维素后展现出绿色的荧光发射，该纤维素荧光材料对Cu2+的检测限可以达到1.08 nmol，具有较好的应用前景。

1 实 验

1.1 仪器与试剂

1.1.1 实验仪器

荧光光谱仪(SHIMADZU，RF=6000，日本)；核磁共振波谱仪(瑞士Bruker，500 MHz)；傅里叶红外光谱仪(日本，KBr压片)；稳态瞬态荧光光谱仪(中国，QM8000)。

1.1.2 实验试剂

异烟酸(98%)，安耐吉化学；N,N-二甲基甲酰胺、四氢呋喃,均为分析纯，天津市富宇精细化工有限公司；醋酸纤维素(DS=2.46，Mn=265.78)，阿拉丁化学；去离子水；N,N-羰基二咪唑(98%)，安耐吉化学；二水合氯化铜、硫酸锌、硫酸锰、硝酸镁、硫酸亚铁、硝酸铅、硝酸镍(AR)，安耐吉化学。

1.2 实验方法

1.2.1 材料的制备[17]

称取0.52 g异烟酸(Py-COOH)，溶解于装有20 mL N,N-二甲基甲酰胺的两颈烧瓶中，在80 ℃下，搅拌至其完全溶解。称取0.68 g N,N-羰基二咪唑加入上述体系中，剧烈搅拌直至体系无气泡释放。称取1.5 g 醋酸纤维素(CA)溶解于20 mL N,N-二甲基甲酰胺，将其倒入上述体系中，保持体系反应温度为80 ℃，继续反应12 h，反应结束后冷却至室温，将反应液倒入200 mL去离子水中，静置1 h，常温常压过滤，用去离子水冲洗滤饼23次，将滤饼冷冻干燥，得到白色粉末固体(CA-Py)，密封保存，备用，如图1所示。

图1 CA-Py 合成路线

1.2.2 Cu2+离子溶液配制

配制浓度为0.01 mmol Cu2+溶液。称取54 mg 二水合氯化铜，溶解于20 mL 去离子水中，保存备用。

2 结果与讨论

2.1 CA-Py结构表征

2.1.1 IR分析

由图2可以看出，样品中醋酸纤维素(CA)红外光谱显示在位于3330～3340 cm-1处的宽带，归因于-OH基团振动，2920 cm-1附近的宽带与C-H振动有关，1100附近宽带归因于C-O-C基团振动[18]；样品CA-Py在1751 cm-1和758 cm-1处分别是C=O和芳香环C-H官能团特征峰，结果表明异烟酸成功接枝于醋酸纤维素。

图2 CA-Py与CA红外光谱

2.1.2 核磁分析

由图3所示，在CA-Py核磁共振氢谱中，7.9～8.85 ppm处出现的特征峰归属于吡啶(Py)上H的特征峰；在核磁共振碳谱中(图4)，在169.82 ppm和170.79 ppm出现羰基碳特征峰。由此表明Py成功接枝到CA上。

图3 CA-Py 核磁共振氢谱

图4 CA-Py 核磁共振碳谱

2.1.3 荧光分析

分别配置1 mg/mL的CA和CA-Py的THF溶液，由图5可以看出，在308 nm的激发波长下，相较于CA来说，CA-Py在400 nm处出现明显的发射峰，这是由于醋酸纤维素的大分子链降低了吡啶基团的π-π堆积作用，从而提高了吡啶基团的荧光强度。

图5 CA-Py与CA荧光光谱

2.2 Cu2+离子溶液检测

配制1 mg/mL CA-Py的THF溶液。取2 mL CA-Py溶液置于比色皿中，分别加入0.1～1.3 μM Cu2+溶液。从图6中可以看出，当加入Cu2+溶液时，CA-Py溶液荧光强度逐渐减弱；从图7中可以看出淬灭速率与加入Cu2+物质的量呈一定线性关系，当加入Cu2+物质的量大于0.6 μM后，随着加入Cu2+物质的量增加，体系逐渐达到饱和。根据检测限公式LOD=3σ/m，CA-Py对Cu2+的检测限可以达到1.08 nmol。

图6 加入Cu2+后体系荧光光谱

图7 淬灭速率线性关系

2.3 机制分析寿命测试

由图8可知，当Cu2+加入到CA-Py的溶液中后，CA-Py的荧光寿命从2.59 ns衰减到2.43 ns，结果表明荧光材料CA-Py与Cu2+发生碰撞后导致材料能量损失，进而荧光发生淬灭，该过程属于动态淬灭。

图8 荧光寿命

3 结 论

本文采用醋酸纤维素为基底材料，异烟酸作为检测活性单元，通过酯化反应接枝于纤维素，制备了荧光纤维素材料CA-Py。纤维素中大量的羟基提高了活性单元对Cu2+检测的灵敏度，CA-Py对Cu2+的检测限可以达到1.08 nmol。同时醋酸纤维素的大分子链降低了吡啶基团的π-π堆积作用，提高了吡啶基团的荧光强度。进一步，通过稳态瞬态荧光测试验证CA-Py的检测机制，结果表明CA-Py对Cu2+的检测机制为动态淬灭。