多酸Eu-PMo12O40可逆变色/荧光开关性质对维生素C的光谱检测

王斌 王晓红 乌英嘎 郑金慧 刘宗瑞 毕立华 吴立新

(1内蒙古民族大学化学化工学院，通辽028043)

(2吉林大学化学学院，超分子结构与材料国家重点实验室，长春130012)

多酸Eu-PMo12O40可逆变色/荧光开关性质对维生素C的光谱检测

王斌＊,1王晓红1乌英嘎1郑金慧1刘宗瑞1毕立华2吴立新2

(1内蒙古民族大学化学化工学院，通辽028043)

(2吉林大学化学学院，超分子结构与材料国家重点实验室，长春130012)

将VC等量加入Eu-PMo12O40溶液中，PMo12O403-被还原由浅黄色变为蓝色，同时Eu3+的荧光淬灭。利用UV-Vis、PL光谱法分别测定不同VC浓度下Eu-PMo12O40的紫外可见光谱、荧光光谱，以700 nm处的吸光度对VC浓度作图，得到VC的线性检测范围为0～0.40 mmol·L-1、检出限为0.025 8 μmol·L-1；以591 nm处的荧光强度对VC浓度作图，获得VC的线性检测范围为0～0.64 mmol·L-1、检出限为0.036 1 μmol·L-1。最后，在VC还原和H2O2氧化下，研究了Eu-PMo12O40变色/荧光开关性质的可逆性以及对VC检测的可重复使用性。

多金属氧酸盐；化学响应；荧光开关；维生素C；光谱检测

维生素C(Vitamin C，简称VC)又称L-抗坏血酸，是一种抗氧化剂，在人类及动植物新陈代谢过程中起着非常重要的作用，维生素含量的高低常作为营养分析及疾病诊断的重要指标，因此开发新的VC检测方法受到广大学者的普遍关注[1-2]。多金属氧酸盐(简称多酸，POM)是由前过渡金属W、Mo、V、Nb、Ta等元素的酸式盐脱水缩合而成的金属-氧簇合物，具有组成元素丰富、结构多样、纳米尺度以及可逆的氧化还原、光、电、磁等优良特性，在催化、能源、材料、生物、医药等领域有重要的应用前景[3-5]。多酸在还原剂、紫外光照、电化学还原等外界刺激下，金属中心得到电子被还原(d0→d1)，多酸由无色变为蓝色，还原产物通称为杂多蓝；相反，多酸在氧化剂、可见光照射、电化学氧化等作用下，处于d1电子组态的金属中心重新失去电子被氧化，多酸蓝色褪去，呈现出可逆的变色性质。由于杂多蓝在可见区有宽的吸收峰，归属于M5+→M6+分子内价电子转移吸收(IVCT)，可以作为能量受体(Accept，A)被用于荧光开关的设计[6-7]。荧光开关是指发光分子在外界刺激下荧光信号发生可逆的发光与淬灭的过程，在可逆荧光成像[8-9]、光学信息存储[10-11]、生物及化学传感[12-13]等领域有潜在的应用价值。

目前，基于多酸变色性质的荧光开关主要有光致变色荧光开关与电致变色荧光开关。2009年，Yao等在紫外/可见光照射下，实现了自支持薄膜Agarose-[Eu(SiW10MoO39)2]13-可逆的光致变色/荧光开关性质，荧光开关的机理归属于发光基团Eu3+与变色基团[SiW10MoO39]8-分子内荧光共振能量转移(LRET)[14]；2010年，Liu等基于功能互补原理制备了变色多酸K12.5Nal.5[NaP5W30O110]与发光量子点QDs杂化LBL薄膜，并对发光薄膜的光致变色/荧光开关性质进行了研究[15]。2010年，Bi等在外加氧化还原电位-0.85/0.85 V下，对薄膜[PEI/EuGeW11O39]n的电致变色/荧光开关性能进行了调控，该电致变色/荧光开关器件具有抗电疲劳性强、可控性好、耗能低、环境友好等优良性质[16-19]。近年来，基于多酸变色/荧光开关在生物传感领域的研究已逐渐开展起来。2011年，Bi等在还原电位-0.9 V及氧化剂H2O2作用下，对EuGeW11O39的可逆变色/荧光开关性质进行研究，并实现了对H2O2浓度的紫外可见、荧光双光谱检测[20]。2013年，Dong等在外加氧化电位及还原剂谷胱甘肽(GSH)的作用下，对多酸红光薄膜[PAH/UCNPs@POMs/PDDA]n的荧光开关性质进行研究，其荧光强度的对数随着GSH浓度的增加线性降低[21]。

本文基于功能互补及分子间能量转移基本原理，将多酸PMo12O403-可逆的氧化还原及变色性质与Eu3+的发光性质相结合，设计了基于多酸Eu-PMo12O40变色/荧光开关性质对维生素C定量分析的紫外可见、荧光探针。考察Eu-PMo12O40溶液在不同浓度维生素C下的紫外可见光谱、荧光光谱以及反应动力学曲线。通过分析溶液的吸光度、荧光强度随维生素C浓度的变化关系，获得Eu-PMo12O40对维生素C浓度定量检测的线性方程、线性检测范围、检出限。同时，在维生素C还原/H2O2氧化的条件下，对Eu-PMo12O40紫外可见、荧光探针的可重复使用性进行研究。上述研究将对多酸基变色/荧光开关器件的开发以及维生素C等生物分子的定量分析具有一定的借鉴意义。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

六水合硝酸铕(Eu(NO3)3·6H2O，99.9%)、磷钼酸(H3PMo12O40·xH2O，AR)、抗坏血酸(Ascorbic acid，99.99%)购买于上海阿拉丁试剂有限公司；其他化学药品购买于国药化学试剂公司，均为分析纯。实验过程中使用的二次水由Millipore Milli-Q净化水系统处理(18.2 MΩ)。

XRD衍射仪(D8 Focus，德国布鲁克)辐射源Cu Kα(λ=0.154 2 nm)，电压40 kV，电流40 mA，扫描范围3°～80°。傅立叶红外光谱仪(AVATAR360)；电化学工作站(CHI660c，上海辰华)，采用三电极体系(玻碳为工作电极，Ag/AgCl为参比电极，铂丝为对电极)；紫外可见光谱仪(Varian Cary 50，美国瓦里安)，紫外可见光谱利用Scan方法测得，紫外可见动力学曲线通过Kinetics方法获得，比色皿厚度为1 cm；荧光光谱仪(FL3-TCSPC，法国HORIBA)，比色皿厚度为1 cm，狭缝大小均为5 nm。

1.2 Eu-PMo12O40的制备

将4 g H3PMo12O40·xH2O溶于20 mL水中，然后将2 g Eu(NO3)3·6H2O加入上述溶液中搅拌均匀，电荷高、半径大的Eu3+与PMO12O403-通过静电相互作用形成Eu-PMo12O40；上述溶液在空气中放置3 d，有亮黄色块状晶体析出，过滤、收集晶体2.46 g，产率约57%(以H3PMo12O40计算)。

1.3 Eu-PMo12O40的结构表征

利用粉末XRD与红外光谱对化合物的结构进行了表征。在XRD图的广角区，Eu-PMo12O40出现了与H3PMo12O40类似的衍射峰，表明Eu-PMo12O40与H3PMo12O40同构(见图1a)；同时在Eu-PMo12O40的红外光谱中出现了与H3PMo12O40类似的吸收峰，进一步说明化合物Eu-PMo12O40中存在结构单元(见图1b)。

图1 H3PMo12O40、Eu-PMo12O40的XRD图(a)和红外光谱图(b)Fig.1XRD patterns(a)and FTIR spectra(b)of H3PMo12O40and Eu-PMo12O40

1.4 Eu-PMo12O40的循环伏安曲线

图2 Eu-PMo12O40在0.5 mol·L-1H2SO4/Na2SO4(pH=1.0)溶液中的循环伏安曲线Fig.2CVs of 1 mmol·L-1Eu-PMo12O40in 0.5 mol·L-1H2SO4/Na2SO4solution(pH=1.0)at 50 mV·s-1

图2为Eu-PMo12O40在溶液中的循环伏安曲线，在E1/2等于0.51 V(Ⅰ-Ⅰ′)、0.33 V(Ⅱ-Ⅱ′)、0.12 V(Ⅲ-Ⅲ′)出现了3对Keggin型多酸的特征氧化还原峰，分别对应1e、1e、2e可逆氧化还原过程[22]。

1.5 Eu-PMo12O40的荧光光谱

图3为多酸Eu-PMo12O40的荧光发射光谱，在556、592、614、650、697 nm处出现了Eu3+离子的五个特征发射峰[23]。

图3 Eu-PMo12O40溶液的荧光光谱图(λEx=395 nm)Fig.3Fluorescence spectra of Eu-PMo12O40aqueous solution(λEx=395 nm)

2 结果与讨论

2.1 pH对多酸氧化还原性质的影响

图4a为Eu-PMo12O40在不同pH值的0.5 mol· L-1H2SO4/Na2SO4缓冲溶液中的循环伏安曲线，均呈现出3对可逆的氧化还原峰，表明该多酸可以在pH值为0.5～3.0的酸性介质中稳定存在；随着溶液pH值的增加，还原峰向低电位方向移动，表明PMo12O403-的氧化能力随着溶液pH值的降低而逐渐增强。图4b为维生素C的循环伏安曲线，在E= 0.29 V处出现了一个不可逆氧化峰。根据PMo12O403-的还原电位与维生素C的氧化电位，得到PMo12O403-与维生素C反应的电动势E=0.18 V，表明Eu-PMo12O40与维生素C可以发生氧化还原反应。

2.2 Eu-PMo12O40与维生素C反应的紫外可见动力学曲线

利用紫外动力学方法对Eu-PMo12O40与维生素C的反应过程进行研究。在1 mmol·L-1的Eu-PMo12O40溶液中分别加入0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35 mmol·L-1的维生素C，溶液在700 nm处的吸光度随反应时间的延长逐渐增大；同时，随着维生素C浓度的增大，反应的平衡时间逐渐延长、吸光度逐渐增大，不同浓度的维生素C与反应均可在1.5 h内完成(见图5a)。图5b为不同浓度维生素C与Eu-PMo12O40反应的实物照片，随着维生素C浓度的增大，溶液的颜色逐渐变深。

图4 Eu-PMo12O40(a)和维生素C(b)的循环伏安曲线Fig.4CVs of Eu-PMo12O40(a)and Vitamin C(b)in 0.5 mol·L-1H2SO4/NaSO4at 50 mV·s-1

图5 不同浓度维生素C下,1 mmol·L-1Eu-PMo12O40溶液的紫外可见光谱(a)和对应的实物照片(b)Fig.5UV-Vis kinetics spectra of 1 mmol·L-1Eu-PMo12O40solution with different vitamin C containing(a)and the corresponding photo images(b)

2.3 紫外可见光谱法检测维生素C

利用1 mmol·L-1Eu-PMo12O40溶液对维生素C的浓度进行紫外可见光谱分析。将0.04、0.08、0.12、0.16、0.20、0.24、0.28、0.32、0.36、0.40 mmol·L-1的维生素C分别加入1 mmol·L-1Eu-PMo12O40溶液中，在密闭条件下放置1.5 h反应达到平衡。图6a为不同浓度维生素C存在下1 mmol·L-1Eu-PMo12O40溶液在可见区400～800 nm范围的吸收光谱，发现随着维生素C浓度的增大，Eu-PMo12O40溶液吸收峰逐渐增强。图6b中以700 nm处的吸光度对维生素C的浓度作图，得到吸光度(A)对维生素C浓度(c)的线性检测方程A=3 905.5c+0.012 1(线性相关系数r= 99.9%)，该紫外可见光谱法对维生素C浓度检测的线性范围为0～0.40 mmol·L-1，检出限CL=kSN/m= 0.028 5 μmol·L-1(其中CL：检出限；m：标准曲线在低浓度范围内的斜率，3 905.5 L·mol-1；SN：空白的标准偏差，3.36×10-5；k：置信因子，3)。此外，在维生素C还原/H2O2氧化的条件下，利用紫外可见光谱对维生素C的可重复检测进行研究。在维生素C还原下，Eu-PMo12O40溶液在可见区700 nm处有强的吸收峰(图6c)；相反，在外加氧化剂H2O2时，Eu-PMo12O40溶液在可见区700 nm处的吸收峰降低(图6c)，在维生素C还原/H2O2氧化条件下循环5次，Eu-PMo12O40溶液在700 nm处的吸光度没有明显变化，表明该紫外可见探针可以重复使用。

2.4 荧光光谱法检测维生素C

图6 不同维生素C浓度(a),700 nm处吸光度对维生素C浓度(b),维生素C还原/H2O2氧化(c)下1 mmol·L-1Eu-PMo12O40的紫外可见光谱Fig.6UV-Vis spectra of 1 mmol·L-1Eu-PMo12O40and Vitamin C(0.04 to 0.40 mmol·L-1)mixture solution(a),the absorbance at 700 nm as a function of Vitamin C concentration(b)and UV-Vis spectra of 1 mmol·L-1Eu-PMo12O40under vitamin C reduction and H2O2oxidation,the insert shows the absorbance at 700 nm with different cycle number(c)

图7 不同维生素C浓度(a),591 nm处荧光强度的对数对维生素C浓度(b),维生素C还原/H2O2氧化(c)下1 mmol·L-1Eu-PMo12O40的荧光光谱Fig.7Fluorescence spectra of 1 mmol·L-1Eu-PMo12O40with different Vitamin C concentration(a),the logarithm of fluorescence intensity at 591 nm as a function of Vitamin C concentration(b),and UV-Vis spectra of Eu-PMo12O40under vitamin C reduction and H2O2oxidation,the insert shows the fluorescence intensity at 591 nm with different cycle number(c)

利用Eu-PMo12O40溶液对维生素C浓度进行荧光光谱检测。图7a为0.08、0.16、0.24、0.32、0.40、0.48、0.56、0.64 mmol·L-1的维生素C分别与1 mmol·L-1Eu-PMo12O40溶液反应1.5 h后的荧光光谱，Eu-PMo12O40溶液在591 nm处的荧光强度随着还原剂维生素C浓度的增大成指数降低(插图)；图7b中以591 nm处荧光强度的对数(lgI)对维生素C浓度(c)作图得到标准曲线lgI=-2 394.4c+6.283 3(线性相关系数r=99.5%)，该荧光光谱法对维生素C浓度的线性检测范围为0～0.64 mmol·L-1，检出限CL= kSN/m=3.61×10-2μmol·L-1(其中CL：检出限；m：标准曲线在低浓度范围内的斜率，-2 394.4 L·mol-1；SN：空白的标准偏差，2.88×10-5；k：置信因子，3)。此外，在维生素C还原/H2O2氧化条件下，利用荧光光谱对维生素C的可重复检测进行研究。在维生素C还原下,Eu-PMo12O40溶液在591 nm附近的荧光发射峰降低(图7c)；相反，在外加氧化剂H2O2时，Eu-PMo12O40溶液在591 nm附近的荧光发射峰增强(图7c)，在维生素C还原/H2O2氧化条件下循环5次，Eu-PMo12O40溶液在591 nm处的荧光强度没有明显变化，表明该荧光探针可以重复使用。

2.5 维生素C检测的抗干扰实验

分别在1 mmol·L-1Eu-PMo12O40溶液中加入0.40 mmol·L-1的草酸、丙氨酸、色氨酸以及维生素C，混合溶液密闭放置1.5 h后测溶液的紫外可见光谱，只有维生素C与Eu-PMo12O40的混合溶液在700 nm处的吸光度发生明显的增大，表明草酸、丙氨酸、色氨酸对维生素C的紫外可见光谱检测干扰较小(图8a)；利用同样的方法对1 mmol·L-1Eu-PMo12O40与0.64 mmol·L-1的草酸、丙氨酸、色氨酸以及维生素C混合溶液的荧光光谱进行检测，发现只有Eu-PMo12O40与维生素C混合溶液的荧光强度发生明显的降低(图8b)，结果表明草酸、丙氨酸、色氨酸对维生素C的荧光光谱检测干扰较小。

2.6 变色-荧光开关的机理

多酸Eu-PMo12O40在可见区530～720 nm范围内出现Eu3+的5个特征荧光发射峰(5D0→7Fi，i=0～4)(图9a，实线)；在维生素C还原下，多酸在可见区400～800 nm范围内出现宽的紫外可见吸收峰(图9a，虚线)，归属于Mo5+/Mo6+分子内价电子转移吸收(IVCT)；Eu3+的荧光光谱能够完全被还原态的可见吸收光谱所覆盖，二者能够发生分子间荧光共振能量转移(FRET)及内滤波效应(IFE)，导致Eu3+的荧光淬灭[24]。相反，在H2O2氧化下，还原态在可见区的吸收峰消失(图9a，点段线),此时Eu3+与氧化态之间不发生能量转移及内滤波效应，Eu3+的荧光信号恢复。Eu-PMo12O40呈现出可逆的变色/荧光开关性质。图9b为发光组分Eu3+与变色组分分子间荧光共振能量转移示意图。

图8 1mmol·L-1Eu-PMo12O40与草酸、L-丙氨酸、色氨酸、维生素C混合溶液的紫外可见光谱(a)和荧光光谱(b)Fig.8UV-Vis spectra(a)and fluorescence spectra(b)of 1 mmol·L-1Eu-PMo12O40solution mixed with oxalic acid,L-Alanine,tryptophan,Vitamin C

图9 (a)Eu-PMo12O40的紫外可见光谱(氧化态，点段线；还原态，虚线)和荧光光谱(实线)的重叠图; (b)变色/荧光开关的机理图Fig.9(a)UV-Vis spectra of Eu-PMo12O40reduced by Vitamin C(dash line),oxidized by H2O2(dot segment line)and the emission spectra(solid line);(b)Mechanism of color change and fluorescence switching process

3 结论

通过外加还原剂维生素C和氧化剂H2O2，实现了多酸Eu-PMo12O40可逆化学响应变色/荧光开关双功能性质。基于Eu-PMo12O40可逆的变色/荧光开关性质，利用紫外可见光谱/荧光光谱对维生素C的浓度进行定量分析，紫外可见光谱法对维生素C检测的线性回归方程A=3.905 5C+0.012 1，线性范围0～0.40 mmol·L-1，检出限为2.58×10-2μmol·L-1；荧光光谱法对维生素C检测的线性回归方程lgI= -2.394 4c+6.283 3，线性范围0～0.64 mmol·L-1，检出限为3.61×10-2μmol·L-1。此外，多酸Eu-PMo12O40对维生素C进行5次循环检测，700 nm处的吸光度及591 nm处的荧光信号没有明显变化，表明该紫外可见/荧光探针具有良好的可重复使用性。

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Spectroscopy of Vitamin C Based on the Reversible Color Change and Luminescence Switching Properties of Eu-PMo12O40

WANG Bin＊,1WANG Xiao-Hong1WU Ying-Ga1ZHENG Jin-Hui1
LIU Zong-Rui1BI Li-Hua2WU Li-Xin2
(1College of Chemistry and Chemical Engineering,Inner Mongolia University for the Nationalities,Tongliao,Inner Mongolia 028043,China)
(2State Key Laboratory of Supramolecular Structure and Materials,College of Chemistry, Jilin University,Changchun 130012,China)

The color of Eu-PMo12O40solution changed from light yellow to blue and the luminescence of Eu3+was quenched when a certain amount of Vitamin C was added.Meanwhile,the UV-Vis spectra and PL spectra of Eu-PMo12O40solution with varied Vitamin C concentrations were measured.The absorbance at 700 nm to Vitamin C concentrations is linear in the range from 0 to 0.40 mmol·L-1with a detection limit of 0.025 8 μmol·L-1,and the luminescence intensity at 591 nm to Vitamin C concentration is linear in the range from 0 to 0.64 mmol·L-1with a detection limit of 0.036 1 μmol·L-1.More importantly,the Eu-PMo12O40solution displayed reversible color change and luminescence switching bi-functional properties under the oxidation of H2O2and reduction of Vitamin C.

polyoxometalates;chemical response;luminescence switch;vitamin C;spectroscopy

O611.3

A

1001-4861(2016)06-0994-07

10.11862/CJIC.2016.122

2015-11-09。收修改稿日期：2016-01-09。

国家自然科学基金(No.21501102)，内蒙古自治区自然科学基金(No.2015BS0207)，内蒙古民族大学科学研究基金(No.NMDGP1501)，内蒙古民族大学博士科研启动基金(No.BS338)资助项目。

＊通信联系人。E-mail：jluwangbin09@163.com，binwang09@mails.jlu.edu.cn