胡江可，劉鵬英

(南華大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

一種用于釷離子檢測的熒光探針的合成及其性能研究

胡江可，劉鵬英

(南華大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

本實驗通過水楊醛與丙二酰肼的縮合反應(yīng)合成了一種熒光探針L1，探究了探針L1識別Th4+的最佳條件，建立了熒光檢測分析Th4+的方法.實驗表明在pH值為2.5，V(DMF):V(H2O)=1:1的檢測媒介中，Th4+濃度在0～1.1×10-4mol/L范圍內(nèi),探針的熒光強(qiáng)度與Th4+濃度呈良好的線性關(guān)系(R2=0.98)，檢出限為9.23×10-8mol/L。

水楊醛；熒光探針；Th4+

核電是一種比較經(jīng)濟(jì)、安全、可靠、清潔的能源，研究發(fā)現(xiàn)，使用釷-鈾的混合反應(yīng)堆可大大減少核廢料并可實現(xiàn)循環(huán)利用。我國釷資源儲量大，居世界第二位，因此對釷這一潛在的核燃料的充分利用已成當(dāng)代熱點。另外，釷在光學(xué)、冶金和化學(xué)等領(lǐng)域也具有廣泛的用途。但在人們利用釷資源的同時，也造成了放射性的環(huán)境污染和對人類及動物產(chǎn)生了毒性作用[1]。因此，如何快速靈敏地檢測釷(Th4+)離子，對環(huán)境、生命科學(xué)都有著重要的意義。目前已被用來檢測Th4+離子的分析方法如電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法/質(zhì)譜法[2-3]、離子色譜法[4]、電化學(xué)[5]，陽離子交換樹脂[6]等具有樣品處理復(fù)雜，操作條件嚴(yán)苛，操作費用高等劣勢[7]。熒光檢測技術(shù)具有靈敏度高、選擇性好、操作簡單、適用體系廣等優(yōu)點[8-9]，各個研究學(xué)者都廣泛地利用熒光探針對金屬離子的良好絡(luò)合能力來實現(xiàn)對金屬離子的檢測。但目前，利用熒光檢測技術(shù)對釷的檢測分析卻鮮有報道[10]。本文通過水楊醛與丙二酰肼的縮合反應(yīng)合成了熒光探針L1，探究其對Th4+離子的熒光響應(yīng)性能，以通過熒光光譜法建立檢測Th4+離子的分析方法。

1 實驗部分

1.1 實驗原料和儀器

原料：所有試劑均為分析純，丙二酸二乙酯購自上海麥克林生化科技有限公司，水合肼購自天津市大茂化學(xué)試劑廠，水楊醛和硝酸釷購自上海阿拉丁試劑有限公司。

儀器：Hitachi U- 3900紫外可見分光光度計，Hitachi F-7000熒光光度計，PHS-3C實驗室pH計。

1.2 熒光探針L1的合成

稱取1.6017g(10mmol)丙二酸二乙酯與1.0020g(20mmol)水合肼混合，在無溶劑條件下，40℃水浴加熱，攪拌反應(yīng)30min后將產(chǎn)物用乙醇洗滌抽濾，真空干燥得白色固體丙二酰肼。稱取0.4000g(3.00mmol)丙二酰肼加入100mL三口燒瓶中，加入40mL無水乙醇，開啟攪拌，加入0.7938g(6.55mmol)水楊醛，水浴加熱回流反應(yīng)6h，產(chǎn)生大量白色固體，自然冷卻抽濾，乙醇多次洗滌，真空干燥得白色固體0.8066g，產(chǎn)率79%。1H NMR (400 MHz, DMSO) δ 11.86 (s, 2H), 11.06 (d, J = 10.3 Hz, 2H), 8.43 (s, 2H), 8.28 (d, J = 3.2 Hz, 2H), 7.34 - 7.24 (m, 2H), 7.18 (dd, J = 10.5, 4.9 Hz, 2H), 6.72 (dd, J = 16.3, 8.1 Hz, 2H), 3.61 (s, 2H)。MS(ESI): m/z (%):Calculated for C17H16N4O4,340.12,found 340.82(+c ESI)，338.84(-c ESI)。

圖1 探針L1的合成路線

Fig.1 The synthetic route for the probe L1

1.2 溶液的配制

探針L1母液的配制：用N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液溶解適量L1配置成1×10-3mol·L-1的母液，避光儲存以備用。

金屬離子母液的配制：用蒸餾水溶解適量的各金屬離子的硝酸鹽或氯化物配置成1×10-3mol·L-1的母液存儲備用。

不同pH值的釷離子測試液的配制：滴加稀硝酸和稀氨水小心地調(diào)節(jié)釷離子液以得到固定濃度的所需各個pH值的釷離子測試液。

1.3 熒光光譜測定

在10mL的比色管中，加入1×10-4mol·L-1的探針L1(5mL 2×10-4mol·L-1的L1的DMF溶液)和5mL的某pH值某濃度的釷離子液，保持檢測體系V(DMF):V(H2O)=1:1，振蕩混合放置待測。測試條件：室溫下，石英樣品池(1 cm× 1cm× 4cm)，光電倍增管電壓700V,激發(fā)波長365nm,激發(fā)和發(fā)射狹縫均5nm。

2 結(jié)果與討論

2.1 pH對探針L1光譜響應(yīng)Th4+離子的影響

圖2 不同pH值對探針L1 以及L1 響應(yīng)

探究探針對金屬離子的識別性能時，選擇恰當(dāng)?shù)膒H值很有必要。配制各pH值的蒸餾水和各pH值下的濃度為4×10-4mol·L-1的Th4+離子溶液。分別測定不同pH值下的探針L1和探針L1與釷離子混合液在365nm激發(fā)波長下的熒光強(qiáng)度。結(jié)果如圖2所示，從圖中可以看出，探針L1在pH值=2.0～6.0的范圍內(nèi)熒光強(qiáng)度均較弱，在加入Th4+離子后，在pH值=2.0～3.5的范圍內(nèi)，相比于自由的探針L1，熒光強(qiáng)度均有明顯的增強(qiáng)，在pH值達(dá)到4.0以后，熒光強(qiáng)度均已無明顯增強(qiáng)。分析以上響應(yīng)結(jié)果，在pH值大于4的條件下，可能Th4+離子由于水解作用其離子存在形態(tài)已與探針L1的配位空腔不匹配，甚至釷離子與探針L1間的靜電作用也減弱了，以致探針L1與釷離子的結(jié)合受到極大的抑制。通過對比可發(fā)現(xiàn)當(dāng)pH值=2.5時，探針L1與釷離子的結(jié)合產(chǎn)生的熒光增強(qiáng)效果最好，因此可選pH值=2.5作為探針對釷離子熒光響應(yīng)檢測的最佳pH值。

2.2 時間對探針L1光譜響應(yīng)Th4+離子的影響

探針與待檢測的金屬離子混合時，兩者之間結(jié)合達(dá)到平衡的反應(yīng)時間受到物質(zhì)本身特性以及環(huán)境因素影響，因此探究探針與目標(biāo)分析物的最佳檢測時間是必要的。分別測定探針L1和探針L1與釷離子混合液在不同時間點下的熒光強(qiáng)度，結(jié)果如圖3所示，由圖可知，探針L1在30min內(nèi)的熒光強(qiáng)度比較穩(wěn)定，沒有明顯變化，加入Th4+離子后，在一分鐘時，熒光強(qiáng)度已有很大程度的增強(qiáng)，15min時體系的熒光強(qiáng)度已達(dá)到最大并在之后基本穩(wěn)定。考慮到15min時的熒光強(qiáng)度值最大，選擇15min為探針L1檢測Th4+離子的最佳檢測時間。

圖3 時間對探針L1 以及L1 響應(yīng)

2.3 共存金屬離子對探針L1光譜識別響應(yīng)Th4+離子的影響

圖4 各種競爭離子存在條件下體系的熒光強(qiáng)度

2.4 探針L1對Th4+離子的熒光滴定實驗

基于前面的實驗條件探究，選擇探針L1響應(yīng)Th4+離子的最佳測定條件，在固定探針L1濃度為1×10-4mol·L-1的前提下，依次加入不同濃度(0～2×10-4mol·L-1)pH值為2.5的Th4+離子溶液，混合放置15min后進(jìn)行熒光光譜測定。如圖5所示，隨著Th4+離子濃度的增加，測量體系的熒光強(qiáng)度逐漸增加，當(dāng)Th4+離子濃度達(dá)到1.1倍探針L1濃度時，體系的熒光強(qiáng)度基本達(dá)到平衡值，該結(jié)果與不同濃度Th4+離子下的紫外吸收光譜一致。另外可發(fā)現(xiàn)，在0～1.1×10-4mol·L-1的Th4+離子濃度范圍內(nèi)檢測體系的熒光強(qiáng)度與Th4+離子濃度呈現(xiàn)了令人滿意的線性關(guān)系，如圖6所示，通過線性擬合得到的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為F=939.35+443.80C(其中F代表體系熒光強(qiáng)度，C代表Th4+離子濃度)，線性相關(guān)系數(shù)R2=0.98，計算得最低檢出限為9.23×10-8mol·L-1。

圖5 探針L1 和Th4+離子的熒光滴定光譜

圖6 體系的熒光強(qiáng)度與Th4+離子濃度的標(biāo)準(zhǔn)曲線

2.5 實際水樣的應(yīng)用檢測

為了檢驗本實驗建立的熒光檢測方法的實際應(yīng)用性，以實驗室中的自來水為樣品基底，采用標(biāo)準(zhǔn)加入法來進(jìn)行驗證。驗證結(jié)果列在表1中，分析測量數(shù)據(jù)可知，探針L1對自來水中的加標(biāo)的Th4+離子的回收率很高，測量結(jié)果達(dá)到了滿意值，表明該探針在其檢測范圍內(nèi)(0～1.1×10-4mol·L-1的Th4+離子濃度范圍)是可以用于實際樣品的檢測分析的。

表1 自來水樣品中Th4+ 的測定

注：a三次測定的平均值

3 小結(jié)

本實驗通過水楊醛與丙二酰肼的縮合反應(yīng)生成了一種用于分析檢測Th4+離子的熒光探針L1。實驗結(jié)果表明，探針L1在pH值為2.5的V(DMF):V(H2O)=1：1的溶液媒介中，對Th4+離子具有高效的熒光增強(qiáng)響應(yīng)，最佳檢測時間為混合15min后。在0～1.1×10-4mol·L-1的Th4+離子濃度范圍內(nèi)探針的熒光強(qiáng)度與釷離子濃度呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，檢測線為9.23×10-8mol·L-1。另外金屬離子競爭實驗表明該探針對Th4+離子具有專一選擇性，實際自來水樣的檢測結(jié)果也令人滿意。

[1] 張翠蘭,呂慧敏,王 萍,等. 釷塵職業(yè)暴露對作業(yè)工人肺功能和血液學(xué)常規(guī)的影響[J].中國醫(yī)學(xué)裝備,2008, 5(1):7-9.

[2] Shrivastav P, Menon S K, Agrawal Y K. Selective Extraction and Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrophotometric Determination of Thorium Using a Chromogenic Crown Ether[J].Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 2001, 250(3):459-464.

[3] Joannon S, Telouk P, Pin C. Determination of U and Th at ultra-trace levels by isotope dilution inductively coupled plasma mass spectrometry using a geyser-type ultrasonic nebulizer: application to geological samples. Spectrochim Acta Part B[J].Spectrochimica Acta Part B Atomic Spectroscopy, 1997, 52(12):1783-1789.

[4] Borai E H, Mady A S. Separation and quantification of 238U, 232Th and rare earths in monazite samples by ion chromatography coupled with on-line flow scintillation detector[J]. Applied Radiation & Isotopes, 2002, 57(4):463-469.

[5] Jin L T, Shan Y, Tong W, et al. Determination of thorium by adsorptive type chemically modified electrode with a polycomplex system[J]. Microchimica Acta, 1989, 97(1):97-104.

[6] Kumbhare L B. Ion‐exchange separation of Pu from macro concentration of Th in HNO3medium[J].Solvent Extraction and Ion Exchange, 2004, 22(2):267-284.

[7] Al-Kady A S. Optimized and validated spectrophotometric methods for the determination of trace amounts of uranium and thorium using 4-chloro-N-(2,6-dimethylphenyl)-2-hydroxy-5-sulfamoylbenzamide[J]. Sensors & Actuators B Chemical, 2012, s 166-167(6):485-491.

[8] 劉 斌.鈀離子熒光傳感器的合成與性能研究[D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),2013.

[9] Tang J L, Li C Y, Li Y F, et al. A highly sensitive and selective fluorescent probe for trivalent aluminum ion based on rhodamine derivative in living cells[J]. Analytica Chimica Acta, 2015, 888:155-161.

[10] Wen J. Fluorescent BINOL-based sensor for thorium recognition and a density functional theory investigation[J].Journal of Hazardous Materials, 2013, 263:638-642.

(本文文獻(xiàn)格式：胡江可，劉鵬英.一種用于釷離子檢測的熒光探針的合成及其性能研究[J].山東化工，2017，46(08)：19-21，25.)

Synthesis of a Fluorescent Probe for Thorium Ions Determination and Study on Properties

HuJiangke，LiuPengying

(School of Chemistry and Chemical Engineering, University of South China, Hengyang, Hunan 421001, China )

In this experiment, a fluorescent probe L1was synthesized by the condensation reaction of salicylic aldehyde and propylene hydrazide. The best conditions of the probe L1recognizing Th4+was explored and the analysis method for Th4+ions detection with fluorescence spectrometry was established. The results showed that the fluorescence intensity of the probe had good linear relationship(R2=0.98)with Th4+ions concentration in the range of 0 ～ 1.1 × 10-4mol/L in the test medium, of which the volume ratio of DMF and H2O was1:1 and pH was 2.5. The low detection limit was 9.23×10-8mol/L.

salicylic aldehyde ; fluorescent probe; thorium ion

2017-03-01

湖南省研究生科研創(chuàng)新項目(CX2016B440)

胡江可(1991—)，女，河南平頂山人，碩士研究生，主要研究方向:功能小分子的設(shè)計合成及性能研究。

O657.3;TP212

A

1008-021X(2017)08-0019-03