不同取代基卟啉荧光探针对痕量Cu2+和Zn2+离子的识别研究

吕向菲， 胡南江， 赵 冉， 汤 伟， 马宏瑞, 张利军

(1.陕西科技大学 资源与环境学院， 陕西 西安 710021； 2.陕西科技大学 轻工与能源学院， 陕西 西安 710021； 3.陕西科技大学 电气与信息工程学院， 陕西 西安 710021; 4.天水师范学院 物理与信息科学学院， 甘肃 天水 741001)

0 引言

由于工业、交通及生活等因素影响，我国水中重金属离子的含量日益增加.城市污水中重金属离子主要以颗粒物结合态和溶解态存在[1],其中大部分为溶解态的自由离子，但传统的生物处理单元并不能完全去除这种溶解态的自由离子[2].因此，寻找快速有效的重金属离子检测技术成为水中重金属离子的治理关键[3].尤其是建立高选择性和高灵敏性的水体痕量重金属检测技术，对其治理和去除工作具有重要意义.

在多种检测技术中，荧光光谱检测法具有简单、易于操作，及检出限低等优点，是一种较为简便快捷的方法[4].尤其是近年来各种新型荧光探针的出现，满足了水中痕量重金属离子的实时监测和定量检测需求.卟啉作为一种新型的荧光探针，具有良好的光稳定性、较高的摩尔消光系数、窄的吸收和发射峰和较高的荧光量子产率，因此越来越吸引着研究者们的关注[5-8].

一方面，可通过调控卟啉外围取代基的结构，实现其分子光物理性和氧化还原性的痕调[9]；另一方面，卟啉环中心的大π共轭结构为一刚性平面，为光电子的传递提供高效的通道，更有利于卟啉分子和重金属离子结合而显示荧光信号的变化[10].目前的研究结果均表明，卟啉分子作为荧光探针，对重金属离子的痕量识别具有高的选择性和灵敏性，卟啉环外围取代基特性可显著影响识别后金属卟啉荧光光谱发射峰的位置和强度.

尽管卟啉在重金属离子的检测方面具有极大的潜力，但由于其合成分离困难，因而应用于实际水体中重金属离子的识别研究还很少.卟啉环外围取代基极性会显著影响该识别基团与金属离子的结合强弱，从而造成荧光光谱差异，但是关于不同取代基卟啉与特定重金属离子的作用尚不清楚.因此，本论文选择合成和分离较为容易的5-(4-羟基苯基)-10,15,20-三苯基卟啉(记为1-OH)和5-(4-乙酯基亚甲氧基)苯基-10,15,20-三苯基卟啉(记为1-C2H5)作为荧光探针，选择水体中痕量Cu2+、Zn2+离子为识别目标，考察其在不同体系中的识别情况，探明不同官能团结构对卟啉-重金属离子识别体系的影响.

1 实验部分

1.1 试剂和药品

吡咯：分析纯，上海国药集团化学试剂有限公司，使用前重蒸；对-羟基苯甲醛：分析纯，上海国药集团化学试剂有限公司；苯甲醛：分析纯，天津化学试剂有限公司；丙酸：分析纯，天津市福晨化学试剂厂；三氟化硼、乙醚：化学纯，天津市福晨化学试剂厂；无水乙醇：分析纯，天津富宇精细化工有限公司；碳酸钾：分析纯，天津市科密欧化学试剂研发中心；碘化钾：分析纯，天津市科密欧化学试剂研发中心；氯化铜：分析纯，天津市科密欧化学试剂研发中心；氯化锌：分析纯，天津市科密欧化学试剂研发中心.

1.2 实验仪器

基质辅助激光解吸附电离飞行质谱仪 ：MALDI-TOF，岛津集团英国克雷斯托分析仪器公司；紫外-可见光谱仪UV-3100：岛津国际贸易(上海)有限公司；荧光分光光度计F4500：日本日立公司HITACHI.

1.3 不同取代基卟啉的制备

1.3.1 5-(4-羟基苯基)-10,15,20-三苯基卟啉(1-OH)的制备

1-OH卟啉和1-C2H5卟啉参照图1的路线进行合成，1-C2H5卟啉的合成利用1-OH卟啉与1-氯乙酸乙酯的缩聚反应得到.

图1 1-OH卟啉和1-C2H5卟啉的合成路线

1-OH卟啉的制备参照文献[11]，使用Alder丙酸法合成，该方法合成产率较大，产量也较高.合成产物利用柱层析进行分离提纯，首先使用二氯甲烷与正己烷的混合液作为淋洗剂，冲下副产物四苯基卟啉，然后利用三氯甲烷为淋洗剂将第二谱带冲下即为1-OH卟啉，蒸干溶剂后待用.其产率：35%，质谱，m/z：631.51[M+1]+(C44H30N4O理论值:630.24),说明制备产物成功.

1.3.2 5-(4-乙酯基亚甲氧基)苯基-10,15,20-三苯基卟啉的制备

1-C2H5卟啉的制备参照文献[12]，利用1-OH卟啉与1-氯乙酸乙酯避光反应得到，将反应粗产物利用柱层析，二氯甲烷为淋洗剂进行分离提纯后蒸干待用.其产率：66%，质谱，m/z：717.17[M+1]+(C48H36N4O3理论值:716.28),说明制备产物成功.

1.4 卟啉荧光探针对水中痕量重金属Cu2+和Zn2+的识别

(1)乙醇为溶剂检测1×10-5mol/L浓度下1-OH卟啉和1-C2H5卟啉的紫外-可见吸收光谱，根据其紫外-可见吸收峰确定荧光检测时的激发波长(本实验选择423 nm为激发波长).

(2)分别配置不同浓度的氯化锌和氯化铜溶液作为检测对象，向其中加入适量的探针溶液，保证整个检测过程中荧光探针的浓度为1×10-5mol/L，记录荧光发射峰的变化，并根据此判断金属离子浓度.

(3)为了研究卟啉荧光探针对Cu2+、Zn2+混合体系的荧光识别，配置1×10-6mol/L CuCl2和ZnCl2溶液，加入探针浓度仍保持在1×10-5mol/L，记录荧光发射峰的变化，并根据此判断探针的识别选择性.

2 结果与讨论

2.1 卟啉的光谱特性

分别测试1×10-5mol/L的1-OH卟啉和1×10-5mol/L的1-C2H5卟啉的紫外-可见吸收光谱与荧光光谱复合图(见图2和图3)，它们的紫外-可见最大吸收峰为423 nm左右，表明若用能量大于423 nm的紫外光激发必能发射荧光，因此，后续的荧光检测选择423 nm作为荧光检测的激发波长.且这两种卟啉的紫外可见光谱与荧光发射光谱呈镜像，说明卟啉分子具有非常好的荧光检测特性.

图2 1-OH卟啉的荧光特性

图3 1-C2H5卟啉的荧光特性

2.2 1-OH对单独体系Cu2+和Zn2+的识别

图4 1-OH对痕量Cu2+的荧光检测图

图5 1-OH对痕量Zn2+的荧光检测图

图6 1-OH对痕量Cu2+和Zn2+的荧光检测线性拟合图

图4和图5为1-OH卟啉分别检测痕量Cu2+和Zn2+的荧光强度变化图，选择其不同浓度下特征发射强度进行线性拟合,结果见图6.由图可知， Cu2+、Zn2+单独体系中，随着Cu2+或Zn2+浓度的增加，其荧光光谱信号增强，因此，1-OH卟啉为增强型荧光探针.对于Cu2+体系，其荧光特征峰为650.6 nm；对于Zn2+体系，其荧光特征峰为650.2 nm，相差不大.与Cu2+相比，Zn2+体系的荧光强度变化更为明显，说明1-OH卟啉对Zn2+的检测性更好，灵敏度更高；而对于Cu2+体系在低浓度下(10-7～5×10-6mol/L)，1-OH卟啉的灵敏度并不高，但在大于10-5mol/L的Cu2+浓度下，灵敏度提高，荧光信号随浓度增加变化明显.1-OH卟啉对两种离子的检测均显示了很好的线性特征，线性拟合曲线的相关系数分别为0.94和0.959, 表明此卟啉检测Cu2+、Zn2+具有较高的准确性.

2.3 1-C2H5对单独体系Cu2+和Zn2+的识别

图7 1-C2H5对痕量Cu2+的荧光检测图

图8 1-C2H5对痕量Zn2+的荧光检测图

图9 1-C2H5对痕量Cu2+和Zn2+的荧光检测线性拟合图

图7和图8为1-C2H5卟啉分别检测痕量Cu2+和Zn2+的荧光强度变化图.由图可知， Cu2+、Zn2+单独体系中，随着Cu2+或Zn2+浓度的增加，其荧光光谱信号减弱，因此，1-C2H5卟啉为猝灭型荧光探针.对于Cu2+体系，其荧光特征峰为651 nm；对于Zn2+体系，其荧光特征峰为651.2 nm，相差不大.1-C2H5卟啉对Cu2+、Zn2+离子的变化都较为敏感，随着离子浓度的加强，其荧光强度都显著下降.选择不同浓度下Cu2+、Zn2+体系的特征发射峰强度进行线性拟合,结果见图9.由图可见, 1-C2H5卟啉对Cu2+、Zn2+单独体系的检测呈现较好的线性关系,其线性相关系数分别为0.93和0.96.

2.4 对Cu2+和Zn2+混合体系的识别比较

选择Cu2+和Zn2+浓度分别为1×10-6mol/L的混合体系作为检测对象，控制卟啉浓度仍为1×10-5mol/L，测试两种卟啉探针的选择性，结果见图10和图11所示.

图10 1-OH对痕量Cu2+、Zn2+混合体系的荧光检测图

图11 1-C2H5对痕量Cu2+、Zn2+混合体系的荧光检测图

由图10可知，利用1-OH卟啉增强型荧光探针检测混合体系时，荧光信号不具有指示性，其强度位于Cu2+和Zn2+的相应强度之间，表明1-OH卟啉用于混合体系时，检测效果不好，其相应性更接近Cu2+的信号，说明1-OH卟啉更倾向于Cu2+形成配合物，而Zn2+会影响其形成.

图11为猝灭型1-C2H5卟啉荧光探针检测混合体系的荧光变化图.由图11可知，1-C2H5卟啉在混合体系下的荧光强度与单独铜体系的荧光强度基本相同，说明对于混合体系，1-C2H5卟啉对Cu2+具有较强的选择性，这是由于1-C2H5卟啉优先与Cu2+形成配合物，Zn2+的存在并不会干扰其配合物的形成过程.

3 结论

(1)1-OH卟啉和1-C2H5卟啉的紫外-可见最大吸收峰与荧光发射峰呈镜面分布，荧光特性较好.

(2)1-OH卟啉为荧光增强型探针，单独体系时对Zn2+的检测灵敏性强于Cu2+，混合体系时的选择性较低.

(3)1-C2H5卟啉为荧光猝灭型探针，单独体系时对Zn2+和Cu2+的检测灵敏性都较强，混合体系时对Cu2+有较高的选择性.

(4)对比两种探针的特性，1-C2H5卟啉具有较高的应用前景，尽管其为猝灭型探针(实际应用过程中可能存在检出下限)，但其选择性和灵敏性都较高.

[1] 尹 军，谭学军，廖国盘，等.我国城市污水污泥的特性与处置现状[J].中国给水排水,2003,19(z1):21-24.

[2] 李晓晨.城市污水处理过程中重金属形态分布及潜在迁移性研究[D].南京：河海大学，2006.

[3] S.Turan,S.Saygi,O.Kilic.Determination of heavy metal contents in human colostrum samples by electrothermal atomic absorption spectrophotometry[J].J.Trop.Pediatrics,2001,47(2):81-85.

[4] Rurack K.Flipping the light switch‘ON’ the design of sensor molecules that showed cation-induced fluorescence enhancement with heavy and transition metal ions[J].Spectrochimica Acta Part A,2001,57(11):2 161-2 190.

[5] Roberto Purrello,Sergio Gurrieri,Rosaria Lauceri.Porphyrin assemblies as chemical sensors[J].Coordination Chemistry Reviews,1999,191:683-706.

[6] Zsolt Valicsek.Application of the electronic spectra of porphyrins for analytical purposes:The effects of metal ions and structural distortions[J].Microchemical Journal,2013,107(3):47-62.

[7] Sivaramapanicker Sreejith,Kizhumuri P.Divya,Purushothaman Jayamurthy,et al.Heteroaromatic donors in donor-acceptor-donor based fluorophores facilitate zinc ion sensing and cell imaging[J].Photochem.Photobiol.Sci.,2012,11(1):1 715-1 723.

[8] Ronghua Yang,Ke′an Li,Kemin Wang,et al.Porphyrin assembly onβ-cyclodextrin for selective sensing and detection of a zinc lon based on the dual emission fluorescence Ratio[J].Anal.Chem,2003,75(3):612-621.

[9] Zhen Fang,Bin Liu.A cationic porphyrin-based self-assembled film formercury ion detection[J].Tetrahedron Letters,2008,49(14):2 311-2 315.

[10] Hong yuan Luo,Xiao bing Zhang,Rong mei Kong,et al.A ratiometric chemosensor for fluorescent determination of Hg2+based on a new porphyrin-Quinoline dye[J].Spectrochimica Acta Part A:Molecular and Biomolecular Spectroscopy,2009,72(5):1 084-1 088.

[11] Xiang-fei Lü,Wan-jun Sun,Jun Li,et al.Spectroscopic investigations on the simulated solar light induced photodegradation of 4-nitrophenol by using three novel copper(II) porphyrin-TiO2photocatalysts[J].Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy,2013,111 (7):161-168.

[12] 吕向菲,李 珺,王 晨,等.铜卟啉-TiO2复合光催化剂制备及降解4-NP的研究[J].高等学校化学学报，2010,31(7):1 391-1 397.