陳 露 張 璇尹耀新 魏崢嶸 黎厚斌

1.武漢大學(xué)印刷與包裝系湖北 武漢 430079

2.甘肅銀光化學(xué)工業(yè)集團(tuán)甘肅 白銀 730000

0 引言

硫化氫（H2S）是一種具有臭雞蛋氣味的無色水溶性酸性物質(zhì)，主要來源于有機(jī)物分解、細(xì)菌厭氧還原、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、廢物處理和石油精煉等過程。H2S具有較高的親水性、親核性、親金屬性和氧敏感性，是一種良好的還原劑，但也具有腐蝕性和毒性，且毒性是一氧化碳（CO）的5倍，對人體和環(huán)境都不友好。長時(shí)間吸入H2S會破壞人體的呼吸道和神經(jīng)系統(tǒng)，引起肝硬化、阿爾茨海默病等多種疾病，嚴(yán)重時(shí)會致死[1-3]。H2S致死性的暴露-反應(yīng)曲線非常陡峭，即濃度比接觸時(shí)間對致死性的影響更大，例如持續(xù)6 h暴露在體積分?jǐn)?shù)為0.015%的H2S中，或持續(xù)8.5 min暴露在體積分?jǐn)?shù)為0.065%的H2S中都有可能致死[4]。

過去人們只關(guān)注到H2S的對人體和環(huán)境的危害，然而自1989年在大鼠體內(nèi)發(fā)現(xiàn)內(nèi)源性H2S以來[5]，再到1996年人體內(nèi)源性H2S首次被證明可作為一種神經(jīng)活性物質(zhì)，H2S的生理學(xué)重要性越來越受到重視[6]。近年來已證明H2S是繼一氧化氮（NO）和一氧化碳（CO）之后第三個(gè)重要的內(nèi)源性氣體信號分子。生物體內(nèi)H2S代謝異常會導(dǎo)致一系列病理紊亂，如高血壓、心力衰竭、糖尿病、肝硬化、炎癥、敗血癥和哮喘等疾病[7]。所以，研究環(huán)境和生物體內(nèi)的H2S濃度的檢測方法非常重要。

卟啉及其衍生物憑借其優(yōu)秀的化學(xué)穩(wěn)定性和光學(xué)敏感性，在傳感材料領(lǐng)域有著不可忽視的地位。目前已有大量針對卟啉電化學(xué)傳感器、卟啉光學(xué)傳感器和卟啉可視性傳感器等多種傳感器的研究，并成功應(yīng)用于氨氣、三甲胺、三乙胺、甲醇、乙醇、甲醛、二氧化氮、二氧化硫、鹽酸等多種小分子的檢測[8-11]，以及S2-、Cu2+、Pb2+、Hg2+、Cd2+等多種離子的檢測[12-14]，涉及工業(yè)、食品、醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域[15-16]。因此卟啉可以滿足在不同領(lǐng)域針對不同狀態(tài)H2S的檢測，是潛在H2S檢測的優(yōu)良材料。

1 硫化氫檢測方法

H2S檢測方法有碘量法[17]、光譜法[18-19]、電化學(xué)法[20-21]、色譜法、金屬誘導(dǎo)沉淀法和表面增強(qiáng)拉曼散射法等。其中碘量法、電化學(xué)法、光譜法是最常見的H2S檢測方法。

1.1 碘量法

碘量法主要應(yīng)用于檢測天然氣中的H2S濃度。根據(jù) GB/T 11060.1—2010《天然氣 含硫化合物的測定 第1部分：用碘量法測定硫化氫含量》， 碘量法對H2S含量的測定范圍為0～100%。檢測方法是利用乙酸鋅收集H2S氣體生成硫化鋅沉淀，再用過量的碘溶液與硫化鋅進(jìn)行反應(yīng)，最后用硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，用滴定的體積變化間接計(jì)算H2S的濃度[22]。其氣體吸收裝置如圖1所示，反應(yīng)原理如下：

在實(shí)際操作過程中，滴定管體積、玻璃溫度計(jì)測量天然氣溫度、氣體流量計(jì)測量天然氣流量的不確定性是影響碘量法測試結(jié)果不確定性的重要因素，所以在測量時(shí)要盡量減少相關(guān)不確定性的影響，以提升檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性[23]。姜琛等[24]優(yōu)化了國標(biāo)GB/T 11060.1—2010中的取樣體積和流量，得出當(dāng)流量為500 mL/min時(shí)，取樣體積大于20 L比較合適；當(dāng)H2S質(zhì)量濃度低于20 mg/m3時(shí)，取樣時(shí)流量為750 mL/min比較合適的結(jié)論。優(yōu)化后的取樣時(shí)間可從原來的100～200 min最多縮短至40 min。

碘量法除了可以測試天然氣中的H2S之外，還能應(yīng)用于測試廢水、土壤中的硫化物[25]。碘量法測量范圍比較廣，不需要復(fù)雜的儀器設(shè)備且成本較低、方法準(zhǔn)確可靠，但是對操作者要求較高，操作繁瑣且耗時(shí)較長，無法滿足目前快速無損檢測的發(fā)展需求，應(yīng)用領(lǐng)域非常受限。

1.2 電化學(xué)法

電化學(xué)法檢測H2S是基于H2S和檢測材料發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，其中主要是二價(jià)硫原子參與氧化還原反應(yīng)，從而影響電化學(xué)系統(tǒng)的輸出電流、電壓等。電化學(xué)法具有良好的選擇性和靈敏度、操作簡單，能自動化等特點(diǎn)，使其在H2S檢測方面具有較好的應(yīng)用前景。目前電化學(xué)法已成功應(yīng)用于檢測原料燃油[26]、生物體內(nèi)[27]、食品腐敗[29]、生物細(xì)胞[29]的H2S。除傳統(tǒng)的電化學(xué)傳感器以外，J. Sarfraz等[30]制備了不可逆光電響應(yīng)的醋酸銅基H2S傳感器，在室溫下通過可視性顏色變化檢測H2S，可實(shí)現(xiàn)室溫下高靈敏、高選擇地檢測H2S，且有望在食品包裝和環(huán)境檢測領(lǐng)域使用。M. Asad等[31]制備了基于納米銅修飾單壁碳納米管（single wall carbon nanotube，SWCNT）柔性H2S氣體傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，能夠在室溫下快速穩(wěn)定地檢測體積分?jǐn)?shù)為0.002%的H2S。M.ZLáMALOVá等[32]采用電位循環(huán)法制備了聚合物亞甲基藍(lán)（HOPG/pMB）修飾的高取向熱解石墨電極，能在含有亞甲基藍(lán)單體的水溶液中檢測H2S。杜方凱等[33]利用S2-與Cd2+的結(jié)合，制備了氮摻雜石墨烯量子點(diǎn)與硫化鎘納米晶結(jié)合的硫化氫傳感器，檢測限可以達(dá)到6.7×10-11mol/L。

電化學(xué)法檢測H2S主要是檢測其中的硫原子。在各種混合氣體中，對H2S具有較好的選擇性，但是如果混合物中混有其余含硫雜質(zhì)時(shí)，則無法準(zhǔn)確檢測H2S含量，所以電化學(xué)檢測方法只適用于不存在或存在極少量含硫雜質(zhì)情況下的H2S檢測[34]。此外，電化學(xué)儀器容易微型化和批量生產(chǎn)，是便攜式H2S檢測儀器較好的研究方向。

1.3 光譜法

光譜法是基于物質(zhì)的光譜會隨其結(jié)構(gòu)的變化而變化來測量被測物含量的方法，熒光傳感器是目前在H2S檢測中最常用的光譜儀器之一。Yu C. M. 等[35]將H2S萘酰亞胺疊氮化物通過共價(jià)耦合作用結(jié)合到氨基涂層碳點(diǎn)（carbon dots，CD）表面，制備了碳點(diǎn)比率熒光傳感器。該傳感器在接觸H2S后，熒光顏色從藍(lán)色變成綠色（見圖3），并成功應(yīng)用于檢測水和生物體內(nèi)的H2S。N. Thirumalaivasan等[36]為了降低探針檢測時(shí)間和檢測限，將疊氮化物還原為胺，通過分子內(nèi)1,6消除對氨基芐基，釋放1-氨基戊二烯，從而恢復(fù)熒光強(qiáng)度。并基于此原理制備了吡喃啉H2S熒光傳感器（pyrene-based fluorescent probe，PyN3）（見圖4），具有良好的選擇性，能夠在生物pH范圍內(nèi)選擇性檢測H2S。張珊等[37]建立了苯二胺-Fe(Ⅲ) 體系熒光分光光度法檢測水中痕量H2S，對檢測環(huán)境中H2S具有潛在應(yīng)用價(jià)值。

光譜法檢測H2S相比于其它檢測方法擁有較高的選擇性和敏感性，可以檢測水環(huán)境和生物體內(nèi)的H2S，是醫(yī)學(xué)檢測H2S的重要手段。但是其檢測儀器成本高，需要配備專業(yè)人員操作，所以一般應(yīng)用于檢測要求較高的研究領(lǐng)域。

2 卟啉的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)

卟啉及其衍生物在自然界和生物體中廣泛存在（如血藍(lán)素（銅卟啉）、血紅素（亞鐵原卟啉）、維生素等），并且在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[38]。

卟啉是由4個(gè)吡咯環(huán)通過亞甲基橋聯(lián)而成，具有18個(gè)π電子的大環(huán)共軛芳香化合物。卟啉及其配合物在堿性環(huán)境下容易失去吡咯環(huán)中心兩個(gè)N—H質(zhì)子形成二價(jià)陰離子卟啉，在酸性環(huán)境下會得到兩個(gè)質(zhì)子形成二價(jià)陽離子卟啉[39]。由于卟啉中心吡咯環(huán)擁有0.2～0.3 mm的空腔直徑，恰巧同氮原子與過渡系金屬的共價(jià)半徑之和匹配，所以卟啉中心與過渡金屬離子配位的能力很強(qiáng)，易與Fe2+、Fe3+、Mg2+、Co2+、Cu2+等金屬離子形成金屬卟啉配合物[40-41]。卟啉在酸堿條件下的反應(yīng)及與過渡金屬的配位原理如圖5所示。

金屬卟啉在生命體內(nèi)廣泛存在，并在生命體的生命代謝過程中扮演著重要角色，例如血紅素（鐵卟啉類）可以在生物血管中傳遞氧氣（O2）和二氧化碳（CO2），葉綠素（鎂卟啉類）是光合作用色素。大量研究結(jié)果表明，生物體內(nèi)的卟啉可以傳輸H2S，如單節(jié)顯性的血紅素[42]。

此外，卟啉及其衍生物在分子間會產(chǎn)生π-π共軛作用，使其容易形成卟啉納米結(jié)構(gòu)。納米卟啉具有納米材料的更小尺寸、更大接觸面積以及宏觀量子隧道效應(yīng)等優(yōu)勢，擁有比單體卟啉更好的靈敏度，是目前卟啉在氣體檢測中的重要研究方向。

3 卟啉在H2S檢測中的研究與應(yīng)用

H2S具有親酸性和親金屬性，容易與卟啉及金屬卟啉發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)。同時(shí)卟啉在酸性條件下會發(fā)生聚集，其表面形態(tài)結(jié)構(gòu)和光譜性質(zhì)會發(fā)生變化。所以卟啉和金屬卟啉在H2S檢測中具有良好的研究前景，目前卟啉及金屬卟啉在H2S檢測中的研究主要集中在光波導(dǎo)傳感器、電化學(xué)傳感器和熒光探針等方面。

3.1 卟啉與H2S的反應(yīng)原理

非金屬卟啉與H2S的反應(yīng)主要是H+和卟啉中心吡咯環(huán)的N原子結(jié)合，形成二價(jià)陽離子卟啉。金屬卟啉與H2S的反應(yīng)更復(fù)雜多樣，目前已有許多針對主要硫化物（H2S、HS-、S8）與金屬卟啉反應(yīng)原理的探索，發(fā)現(xiàn)H2S與金屬卟啉反應(yīng)主要是HS-與卟啉環(huán)中心的金屬原子相結(jié)合，具體研究結(jié)果如表1所示。

表1 不同金屬卟啉與硫化物（H2S、HS-、S8）的結(jié)合方式Table 1 The binding principle of different metalloporphyrins with sulfides (H2S、HS-、S8)

3.2 卟啉在H2S檢測中的應(yīng)用

3.2.1 光波導(dǎo)傳感器

光波導(dǎo)傳感器（optical waveguide，OWG）體積小、結(jié)構(gòu)簡單，一般由襯底、波導(dǎo)層和敏感元件構(gòu)成。其檢測原理為氣敏元件與被測物質(zhì)接觸時(shí)，會引起敏感元件的物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，進(jìn)而引起傳播光的吸收、反射、散射、透射、色散和熒光淬滅等光學(xué)性質(zhì)變化，利用光信號的變化可定性或定量檢測被測氣體[50-51]。

姑力米熱·吐爾地[51]將四苯基卟啉（tetraphenylporphyrin，TPP）涂敷于玻璃光波導(dǎo)表面制作電化學(xué)傳感器，該傳感器可在室溫下檢測H2S氣體，同時(shí)證明質(zhì)子化TPP溶液作為傳感器材料的選擇性不如氣相質(zhì)子化TPP。G. Tuerdi等[52]將四（4-硝基苯基）卟 啉（tetrakis (4-nitrophenyl) porphyrin，TNPP） 作為敏感材料，利用旋涂法在玻璃上制備了TNPP和Nafion-卟啉（Nf-TNPP）薄膜平面光波導(dǎo)傳感器來檢測H2S氣體。結(jié)果顯示Nf-TNPP對H2S氣體的光學(xué)響應(yīng)更敏感、更穩(wěn)定，且其光學(xué)信號強(qiáng)度與H2S濃度呈線性關(guān)系（R=0.99），能較好地定量檢測H2S濃度，能檢測體積分?jǐn)?shù)為10-9的H2S氣體。G.Mamtmin等[53]選用5,10,15,20-四（s4-甲氧基）卟啉（5,10,15,20-tetrakis-(4-methoxyphenyl) porphyrin，TMP），利用自旋涂層在K+離子交換玻璃表面沉積的方法，制備了TMP平面光波導(dǎo)氣體傳感器，如圖6所示。檢測器接觸H2S時(shí)其顏色從紅變綠，對體積分?jǐn)?shù)為10-6的H2S的響應(yīng)時(shí)間小于7 s。不同H2S卟啉光波導(dǎo)傳感器的檢測效果對比如表2所示。光波導(dǎo)傳感器檢測H2S會發(fā)生明顯的顏色變化，在可視H2S檢測方面具有潛在研究價(jià)值。

表2 不同H2S卟啉光波導(dǎo)傳感器的檢測限及傳感器顏色變化Table 2 Limit of detection and color changes of different H2S porphyrin optical waveguide sensor

3.2.2 電化學(xué)傳感器

卟啉作為有機(jī)半導(dǎo)體材料，在與被測物質(zhì)接觸時(shí)，卟啉中心環(huán)上的最高占據(jù)分子軌道（HOMO，highest occupied molecular orbital）和最低空軌道（lowest unoccupied molecular orbital，LUMO）與被測物質(zhì)之間存在電子得失，導(dǎo)致其電導(dǎo)率發(fā)生變化[54]。電化學(xué)傳感器可將被測物與受體之間的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變成電信號，實(shí)現(xiàn)對被測物的定性和定量檢測。

J. A. Bennett等[55]在2012年，發(fā)現(xiàn)氰化物配位的meso-四（4-羧基苯基）鐵卟啉（(CN)2-FeTCPP）作為電極材料，在H2S檢測中的潛在應(yīng)用價(jià)值，但該傳感器對H2S濃度升高的響應(yīng)有限，對H2S的選擇性檢測效果需進(jìn)一步提高。J. A. Bennett等[44]使用氰化物配位的鐵原卟啉（(CN)2-FePP）替代(CN)2-FeTCPP作為電催化材料檢測H2S，獲得了良好的檢測效果。其電極制作方法和檢測原理如圖7所示，先將鐵原卟啉（FePP）沉積到電極表面；然后將KCN的CN-離子配位到卟啉中心的Fe3+上。H2S 或HS-接近已配位的Fe3+時(shí)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，將Fe3+還原成Fe2+，H2S 或HS-被氧化成S；再通過在卟啉修飾電極上施加適當(dāng)?shù)碾娢?，電子將通過隧道穿過卟啉到達(dá)電極，將中心Fe2+重新氧化為Fe3+。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(CN)2-FePP作為電催化材料能夠在0.15 V的電位下檢測到濃度為50 μmol/L的H2S。其團(tuán)隊(duì)還在進(jìn)一步優(yōu)化此材料，以便應(yīng)用到H2S檢測的氣敏傳感器中。

3.2.3 熒光探針

熒光探針法是將被測物的物理和化學(xué)性質(zhì)變化信息轉(zhuǎn)換為可監(jiān)測的熒光信號。當(dāng)被測物與熒光探針相互作用時(shí)，探針的熒光信號會發(fā)生改變（如增強(qiáng)、減弱和偏移等），從而實(shí)現(xiàn)對被測物的定性和定量檢測。熒光探針對各種生物樣品都具有較好的相容性，從而在對生物體內(nèi)H2S的檢測方面具有很好的應(yīng)用前景。

Ma Y. 等[48]用Meso-四（4-羧基苯基）卟啉制作了一種Cu(II)金屬化三維多孔納米金屬有機(jī)框架（metal-organic frameworks，MOFs）{CuL[AlOH]2}n熒光探針。該熒光探針與H2S反應(yīng)會產(chǎn)生CuS沉淀，且具有高靈敏度和高選擇性。在20 mmol/L的平衡鹽溶液中加入20 μmol/L 的NaHS，探針的響應(yīng)時(shí)間約為100 s。同時(shí)高濃度的NO不會影響該熒光探針對H2S的檢測效果，并且將該探針成功應(yīng)用于活細(xì)胞中的H2S檢測。S. Mirra等[47]選用KSH作為H2S供體，利用銅卟啉（copper protoporphyrin IX，CuPPIX）成功設(shè)計(jì)了能夠檢測水環(huán)境中H2S的熒光探針。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該探針可以選擇性地檢測水溶液中的H2S，而不受其它陰離子、生物硫醇和普通溶液等的影響。在H2S檢測前后，該探針的熒光強(qiáng)度變化及選擇性分別如圖8和圖9所示。

M. Strianese等[56]用四（N-甲基吡啶基）卟啉鋅絡(luò)合物（tetra(N-methylpyridyl)porphine zinc complex，ZnTMPyP）制備H2S熒光探針，并推測其原理是HS-與卟啉中心Zn元素發(fā)生配位，并通過協(xié)調(diào)可使得HS-的配位可逆。高倩[57]用具有氨基和羥基的雙活性基團(tuán)卟啉（5-(4-氨基苯基)-10-(4-羥基苯基)-15,20-二苯基卟啉）作為熒光基團(tuán)（DNBS-TPPPEG），制備了具有良好水溶性和脂溶性的近紅外區(qū)（λem= 658 nm）H2S熒光探針，檢測原理如圖10所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，熒光探針對H2S檢測具有高靈敏性和高選擇性，并能成功檢測人體血清和尿液中H2S的含量。不同H2S卟啉熒光探針傳感器的檢測效果對比如表3所示。

表3 H2S卟啉熒光傳感器的檢測效果對比Table 3 Comparison of detection results of H2S porphyrin fluorescence sensor

4 總結(jié)與展望

H2S檢測方法的研究對環(huán)境、食品、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。H2S的親酸性和親金屬性使其和卟啉及金屬卟啉容易發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，基于卟啉及其衍生物制備檢測H2S的傳感器，如光波導(dǎo)傳感器、電化學(xué)傳感器以及熒光探針傳感器，具有良好的敏感性和選擇性。其中，光波導(dǎo)傳感器可以直接檢測H2S氣體，電化學(xué)傳感器主要通過和HS-結(jié)合檢測H2S，電化學(xué)傳感器和熒光探針傳感器具有檢測生物體內(nèi)H2S的潛在應(yīng)用價(jià)值。熒光探針具有良好生物相容性，已成功應(yīng)用于檢測人體血清、尿液和生物細(xì)胞中的H2S，在醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。此外，利用卟啉與H2S發(fā)生的可視性顏色變化制備出的智能指示標(biāo)簽，可應(yīng)用于智能食品包裝領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)對食品質(zhì)量的實(shí)時(shí)無損檢測。其次，納米卟啉，尤其是卟啉-MOFs材料，擁有比單體卟啉更大的比表面積，可以增加H2S與卟啉的接觸面積，從而增強(qiáng)檢測效果。因此卟啉-MOFs作為H2S檢測材料可能成為未來H2S檢測研究的重點(diǎn)。

雖然對卟啉和H2S反應(yīng)原理的研究開始很早，但目前卟啉在H2S檢測中的應(yīng)用還處于探索階段，對于檢測裝置的穩(wěn)定性和溫度對檢測結(jié)果影響的研究還比較缺乏，對H2S氣體分子直接檢測的研究也寥寥無幾，這是未來針對卟啉在H2S檢測中的應(yīng)用研究需要進(jìn)一步探索的方向。相信經(jīng)過研究者的不懈努力，卟啉可以在工業(yè)、食品包裝、醫(yī)學(xué)等多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)對H2S檢測。