劉 峰,夏新泉,陳 靈,張海麗

(湖北師范學院 化學與工程學院, 湖北 黃石 435002)

銅是動植物體內(nèi)一種必需的微量重金屬元素，參與體內(nèi)20多種重要酶的構(gòu)成，如細胞色素氧化酶，過氧化物歧化酶，酪氨酸酶等，這些酶大多與人體的氧化還原反應有關(guān)[1]。研究表明，體內(nèi)銅含量過低會導致貧血，但過量的銅也會導致機體功能紊亂產(chǎn)生許多疾病，如：老年癡呆癥[2]，威爾森氏癥[3]，門克氏綜合癥[4]及肌萎縮性側(cè)索硬化癥[5]等, 同時過量的銅對水生生物的毒性較強。所以，檢測生物體和環(huán)境水樣中的銅離子有著重要的意義。

目前檢測銅離子的方法有原子吸收光譜法[6]，電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜[7]，電感耦合等離子體質(zhì)譜[8]， 循環(huán)伏安法[9]和熒光分析法等。與其他方法相比熒光分析法因為靈敏度較高，不需要復雜的樣品處理，儀器操作簡單等優(yōu)點而得到廣泛應用。

檢測銅離子的熒光染料發(fā)射波長大多在紫外區(qū)，在測定樣品尤其是生物樣品時存在較大的背景干擾。酞菁是一類具有18電子的大π共軛體系配合物，在結(jié)構(gòu)上類似與卟啉類化合物。酞菁和金屬酞菁對光、熱及各種有機溶劑的高度穩(wěn)定性[10]，使得其在催化、有機半導體、光導體、彩色照相、激光、液晶、LB膜、光動力治療[11]等方面有著廣泛的應用。水溶性金屬酞菁具有高的摩爾吸光系數(shù)，良好的量子產(chǎn)率[12]，并且熒光發(fā)射在近紅外區(qū)，因而大大減小了背景熒光的干擾，已應用在金屬離子的檢測[13]和空氣中酸類物質(zhì)的檢測[14]。本文目的是利用Cu2+能使八羧基酞菁鋁(octa-carboxylic pthalocyanine aluminum, AlC8Pc)的熒光猝滅，且在一定濃度范圍內(nèi)其熒光強度的變化與Cu2+濃度成良好的線性關(guān)系,建立一種靈敏的檢測Cu2+的新方法。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

F-4500熒光分光光度計(日本日立公司)，Model pHs-3C酸度計(中國 上海)。八羧基酞菁鋁(AlC8Pc) 的合成參照文獻[15]進行，其紅外光譜，紫外光譜，熒光光譜與文獻報道相符[16]。CuCl2·2H2O(分析純)，其他試劑均為分析純，實驗用水為二次蒸餾水。AlC8Pc以0.2 mol·L-1NaOH溶液配成1.0×10-3mol·L-1儲備液，使用時用二次水稀釋至所需濃度。Cu2+配成5.0×10-3mol·L-1儲備液。Britton-Robison緩沖溶液：(0.04 mol·L-1磷酸、硼酸、醋酸)用0.2 mol·L-1NaOH進行調(diào)節(jié)，配成不同pH的緩沖溶液。

1.2 實驗方法

在10 mL 比色管中依次加入一定量的B-R 緩沖溶液、八羧基酞菁鋁(1.0×10-3mol·L-1)、Cu2+(5.0×10-3mol·L-1)，用水稀釋至刻度，混合均勻。熒光激發(fā)波長為620 nm，發(fā)射波長為698 nm，室溫下測定空白和含有Cu2+溶液的熒光強度F0和F.

2 結(jié)果與討論

2.1 AlC8Pc熒光光譜特性

圖1 是AlC8Pc的熒光發(fā)射光譜，可以看到八羧基酞菁鋁的發(fā)射光譜位于近紅外區(qū)，當加入Cu2+時，八羧基酞菁鋁熒光猝滅，但峰位置不發(fā)生變化,在一定濃度范圍內(nèi)，Cu2+的含量與八羧基酞菁鋁熒光強度變化成線性關(guān)系。

2.2 AlC8Pc紫外可見-吸收光譜特性

圖2 是AlC8Pc的紫外-可見吸收光譜，由圖可以看到AlC8Pc有兩個吸收峰，分別在356 nm(B帶)，692 nm(Q帶)并且在620 nm附近有酞菁二聚體的特征峰。加入Cu2+時，位于近紅外區(qū)的Q帶逐漸減降低，但峰的位置并沒有移動，同時620 nm 處的特征峰消失，說明銅離子與八羧基酞菁鋁發(fā)生了強烈的作用。綜合銅離子與AlC8Pc作用的熒光光譜及紫外-可見吸收光譜性質(zhì)，可以推斷銅離子與AlC8Pc作用的熒光猝滅機理為靜態(tài)猝滅[17]。

圖1 八羧酞菁鋁在不同濃度Cu2+下熒光發(fā)射光譜圖 圖2 八羧酞菁鋁在不同濃度Cu2+下吸收光譜

2.3 pH值的影響

圖3是在Cu2+存在下，AlC8Pc熒光強度變化隨pH變化曲線。可以看出，當溶液pH=4.5時，八羧基酞菁鋁熒光猝滅程度最大，實驗表明以B-R緩沖溶液調(diào)節(jié)溶液pH效果最好，故實驗選擇在pH為4.5的B-R緩沖溶液中測定。

2.4 AlC8Pc濃度的影響

圖4是八羧基酞菁鋁濃度對熒光強度變化的影響，固定Cu2+濃度為1.0×10-5mol·L-1，溶液的pH為4.5，研究了八羧基酞菁鋁濃度在3.0×10-6mol·L-1～1.0×10-5mol·L-1范圍內(nèi)對熒光強度變化的影響,發(fā)現(xiàn)當八羧基酞菁鋁濃度在5.0×10-6mol·L-1時，Cu2+與八羧基酞菁鋁的熒光強度猝滅程度最大，所以實驗選擇AlC8Pc的濃度為5.0×10-6mol·L-1.

圖3 酸度的影響 圖4 八羧酞菁鋁濃度的影響

2.5 反應時間和溫度的影響

考察了反應時間對體系的影響，圖5是反應時間的影響，可以看出當加入Cu2+后，AlC8Pc的熒光強度立即減小到480后基本不變，并隨著時間增加保持穩(wěn)定，由此可知Cu2+與AlC8Pc很快發(fā)生反應，本實驗選擇反應5min后進行測定。

圖5 時間的影響

在17℃～37℃溫度范圍內(nèi)研究了溫度對體系的影響，發(fā)現(xiàn)溫度對AlC8Pc與Cu2+作用的熒光強度變化影響很小，因此本實驗選擇在室溫下進行。

2.6 選擇性實驗

圖 6是分別加入濃度與Cu2+濃度相同的其它常見金屬離子、幾種氨基酸和牛血清白蛋白(BSA)后八羧基酞菁鋁熒光強度的變化關(guān)系圖?？梢钥闯鯪i2+、BSA與八羧基酞菁鋁有作用，但熒光強度變化沒有銅離子與八羧基酞菁鋁作用顯著。加入其它常見金屬離子，八羧基酞菁鋁熒光變化很小。所以本實驗選擇八羧基酞菁鋁與Cu2+作用體系作為研究對象。

圖7是常見金屬離子、幾種氨基酸和牛血清白蛋白(BSA)和相同濃度的Cu2+同時加入時，八羧基酞菁鋁熒光強度的變化關(guān)系圖。當Cu2+與其它物質(zhì)同時存在時，Cr3+、BSA對Cu2+與八羧基酞菁鋁的相互作用有影響，其它物質(zhì)影響很小，說明該方法的選擇性較好。

2.7 標準曲線

在上述優(yōu)化實驗條件下繪制標準曲線。在Cu2+濃度2.5×10-6mol·L-1～3.0×10-5mol·L-1范圍內(nèi)，八羧基酞菁鋁熒光強度變化與Cu2+濃度呈良好的線性關(guān)系。線性方程為：△F=-0.46+1.05×107c(mol·L-1) (n=11)，相關(guān)系數(shù)R為0.9974，檢出限為8.3×10-7mol·L-1.

2.8 樣品的測定

取50 mL體積的黃石青山湖水樣，濾去漂浮物，加5mL濃硝酸,加熱，消解到10mL 左右，稍冷卻，再加入5mL濃硝酸和2 mL H2O2，繼續(xù)加熱消解，蒸至近干，冷卻后，加水40mL，加熱煮沸3min，冷卻后，將溶液轉(zhuǎn)入50 mL容量瓶中，用水稀釋至標線，按實驗方法進行分析。表1是實際水樣的檢測結(jié)果，結(jié)果表明：該湖泊水樣中未檢出Cu2+,且加標回收率較好，說明該方法準確度較好。

圖6 加入不同金屬離子八羧基酞菁鋁的熒光強度 圖7 同時加入銅離子和其他金屬離子，氨基酸，BSA，八羧基酞菁鋁熒光強度的分析

表1 青山湖水樣中Cu2+含量的檢測

3 結(jié) 論

建立了一種近紅外熒光猝滅法檢測Cu2+的新方法，可以大大減小背景熒光和散射光的干擾，提高了測定的靈敏度和準確度。實驗結(jié)果表明，該方法選擇性好，反應時間快，操作簡單，靈敏度較高。

參考文獻:

[1]Mashraqui S H, Poonia K, Betkar R, et al.A novel retro-reaction strategy toward designing a selective fluorescence Cu (II) chemodosimeter [J].Tetrahedron Lett, 2010, 51: 4336～4339.

[2]Hung Y H, Bush A I, Cherny R A.Copper in the brain and Alzheimer's disease [J].J Biol Inorg Chem, 2010, 15: 61～76.

[3]Bull P C, Thomas G R, Rommens J M, et al.The Wilson disease gene is a copper transporting ATPase with homology to the Menkes disease gene [J].Nat Genet, 1993, 5(4): 327～337.

[4]Vulpe C, Levinson B, Whitney S, et al.Isolation of a candidate gene for Menkes disease and evidence that it encodes a copper-transporting ATPase [J].Nat Genet, 1993, 3(1): 7～13.

[5]Valentine J S, Hart P J.Misfolded CuZnSOD and amyotrophic lateral sclerosis [J].Proc Natl Acad Sci U S A, 2003, 100(7): 3617～3622.

[6]Chan M S, Huang S D.Direct determination of cadmium and copper in seawater using a transversely heated graphite furnace atomic absorption spectrometer with Zeeman-effect background corrector [J].Talanta, 2000, 51(2): 373～380.

[7]Fodor P, Bertenyi-Divinyi Z.Uncertainty in environmental ICP-AES measurements [J].Microchim J, 1995, 51:151～158.

[8]Wu J F, Boyle E A.Low blank preconcentration technique for the determination of lead, copper, and cadmium in small-volume seawater samples by isotope dilution ICP-MS [J].Anal Chem, 1997, 69 (13): 2464～2470.

[9]Collado-Sanchez C, perz-pena J, Gelado-Caballero M D, et al.Rapid determination of copper, lead and cadmium in unpurged seawater by adsorptive stripping voltammetry [J].Anal Chim Acta, 1996, 320(1): 19～30.

[10]沈永嘉.酞菁的合成和應用[M].北京: 化學工業(yè)出版社, 2000.

[11]Longo J P F, Leal S C, Simioni A R, et al.Photodynamic therapy disinfection of carious tissue mediated by aluminum-chloride-phthalocyanine entrapped in cationic liposomes: an in vitro and clinical study [J].Lasers Med Sci, 2012, 27: 575～584.

[12]Nesterova V I, Erdem S S, Pakhomov S, et al.Soper S A Phthalocyanine dimerization-based molecular beacons using Near-IR fluorescence [J].J Am Chem Soc, 2009, 131 (7): 2432～2433.

[13]Saka E T, Ocak M, Kantekin H.Phthalocyanine-based fluorescent chemosensor for the sensing of Zn (II) in dimethyl sulfoxide-acetonitrile [J].J Incl Phenom Macrocycl Chem, 2012, 72:443～447.

[14]Norena-Franco L E,Kvasnik F.Near-infrared optical detection of acids in atmospheric air by phthalocyanine dyes in polymer films [J].Analyst 1996, 121: 1115～1118.

[15]Song X F, She Y B, Ji H B, et al.Highly efficient, mild, bromide-free and acetic acid-free dioxygen oxidation of p-nitrotoluene to p-nitrobenzoic acid with metal phthalocyanine catalysts [J].Org Process Res Dev, 2005, 9: 297～301.

[16]潘 勇, 陳文興, 余志成.八羧基金屬酞菁衍生物的合成及其催化氧化性能研究[J].浙江工程學院學報，2002, 19(3): 141～144.

[17]武漢大學.分析化學(下冊)[M].北京: 高等教育出版社, 2007.