王佳佩，李雅琴，王曉帆，黎俊波

武漢工程大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430205

氰化物是對(duì)生活環(huán)境危害最大的化學(xué)物質(zhì)之一［1-3］，它能強(qiáng)烈結(jié)合細(xì)胞色素C 活性位點(diǎn)，抑制線粒體電子轉(zhuǎn)運(yùn)鏈，導(dǎo)致氧化代謝和氧利用降低。因此，世界衛(wèi)生組織將飲用水中氰化物的最大允許含量定為 1.9 μmol/L［4］。同時(shí)，工業(yè)廢水中的氰化物含量也受到嚴(yán)格管制，中國(guó)環(huán)境保護(hù)總局規(guī)定工業(yè)廢水允許含量為 38.5 μmol/L［5］。然而，氰化物鹽的工業(yè)用途十分廣泛，被廣泛應(yīng)用于電鍍［6］、金礦開采［7］、冶金［8］、尼龍［9］、纖維和樹脂的合成［10］，不可避免地會(huì)導(dǎo)致CN-釋放到環(huán)境中。實(shí)際上，某些種子中也含有少量氰化物，如蘋果、芒果、桃子和苦杏仁［11］；汽車尾氣中甚至香煙煙霧中也含有氰化物，這些氰化物是含氮物質(zhì)不完全燃燒時(shí)形成的［12］。

基于此，對(duì)環(huán)境樣品特別是化工廠周邊水體中氰根離子濃度進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的檢測(cè)尤為重要。目前已有的分析方法，包括伏安法［13-14］、電位法［15］和色譜法［16］等，已經(jīng)成功檢測(cè)出極低濃度的氰根離子（＜0.1 μmol/L），但這些方法樣品預(yù)處理過(guò)程繁雜或儀器昂貴難以得到，不適合快速、大批量樣品檢測(cè)。氰根離子熒光探針?lè)椒?，定性分析可以通過(guò)溶液顏色及熒光變化判斷，簡(jiǎn)單快速。同時(shí)，其定量分析也可以通過(guò)普通的紫外及熒光分光光度計(jì)進(jìn)行，受到人們的普遍關(guān)注。當(dāng)前，雖然有大量的氰根離子熒光探針被報(bào)道，但也存在探針?biāo)苄暂^差［17］、選擇性不強(qiáng)［18］、檢出限較高（＞2 μmol/L）［19］等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)新的低成本、高選擇性、高靈敏度氰根離子探針［20］，特別是基于顏色及熒光雙通道信號(hào)輸出的探針意義重大。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

儀器：核磁共振儀（美國(guó)瓦里安公司VX 400）；BiflexⅢ型質(zhì)譜儀（Bruker 公司）紫外分光光度計(jì)（日本島津公司）；熒光光譜儀（日本日立公司F-7000）。

試劑：四丁基氰化銨、四丁基高氯酸銨、四丁基氯化銨、四丁基溴化銨、四丁基氟硼酸銨、四丁基磷酸二氫銨、四丁基碘化銨、四丁基硝酸銨、四丁基氟化銨均為市售分析純，且所有試劑及溶劑均經(jīng)過(guò)常規(guī)純化處理，水為二次蒸餾水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

探針（E）-2-（4-［二苯基氨基）苯乙烯基］-1，3，3-三甲基-3H-吲哚-1-鎓［2-（4-（diphenylamino）styryl） -1，3，3-trimethyl-3H-indol-1-ium iodide，DADI］合成路線如圖1 所示。

1.3 化合物1 的合成

將20 g 三苯胺冰浴下溶于16 mLN，N-二甲基甲酰胺，氮?dú)獗Ｗo(hù)。冰浴下，將58.8 mL 三氯氧磷逐滴加入，升溫至45 ℃，反應(yīng)2 h，加入冰水猝滅，將pH 值調(diào)至7～8，隨即大量固體析出，靜置過(guò)夜。抽濾，濾餅經(jīng)乙酸乙酯重結(jié)晶后得到黃色目標(biāo)產(chǎn)物 19.6 g（產(chǎn)率：88%）［21］。

圖1 探針DADI的合成路線Fig.1 Synthetic route for DADI

1.4 化合物2 的合成

將 3.2 g 碘甲烷和 3.0 g 2，3，3-三甲基吲哚溶于甲苯（60 mL），回流反應(yīng)48 h，冷卻至室溫。抽濾，濾液倒入100 mL 正己烷，超聲處理10 min，有沉淀析出，抽濾，得棕色固體5.4 g（產(chǎn)率：95%）［22］。

1.5 探針DADI的制備

往30 mL 絕對(duì)無(wú)水乙醇中加入化合物1（180 mg）和化合物 2（280 mg，0.001 mol）及 3 滴哌啶，體系回流反應(yīng)24 h。冷卻至室溫后，過(guò)濾，用無(wú)水乙醇、二氯甲烷依次洗滌沉淀，得深紫色目標(biāo)產(chǎn)物 65 mg（產(chǎn)率：61.8%）。1H NMR（CDCl3，300 MHz）δ：8.10（d，1H），7.99（d，2H），7.47～7.51（m，5H），7.31～7.36（m，4H），7.14～7.21（m，6H），6.97（d，2H），4.27（s，3H），1.79（s，6H）。13C NMR （CDCl3，75 MHz）δ：181.7，154.3，153.8，145.2，142.5，141.6，134.0，129.9，129.4，128.8，126.6，126.0，122.6，119.2，113.8，107.9，51.7，36.2，27.3.MS（TOF）m/z：［M-I］+，calcd for C31H29N2429.23，found：429.63。

1.6 實(shí)驗(yàn)方法

無(wú)水乙醇作為溶劑，首先配置化合物DADI 的溶液（1×10-4mol/L）。精確量取該濃度溶液1.0 mL，加入100 mL 容量瓶中，加10 mL 蒸餾水，并補(bǔ)加無(wú)水乙醇并定容至100 mL，得到探針DADI（1×10-6mol/L）標(biāo)準(zhǔn)溶液。

取3.00 mL 新配制的探針DADI 標(biāo)準(zhǔn)溶液，移至1 cm 厚紫外或熒光池中，測(cè)其紫外-可見光光譜，同時(shí)，以355 nm 為激發(fā)波長(zhǎng)，測(cè)試其熒光光譜。配置濃度為1×10-3mol/L 的各種陰離子的水溶液，取30 μL 分別加入到探針溶液中，反應(yīng)5 s 后，測(cè)其紫外-可見光光譜及熒光光譜。 同時(shí)可觀察到溶液顏色是否有變化。

以9，10-二苯基蒽作為標(biāo)準(zhǔn)物（在CH2Cl2中Фf= 0.95），DADI 在V（C2H5OH）/V（water）=9∶1 溶液中熒光量子產(chǎn)率接近0.07；DADI-CN-在V（C2H5OH）/V（water）=9∶1 溶液中熒光量子產(chǎn)率接近20%。

2 結(jié)果與討論

2.1 設(shè)計(jì)與合成

吲哚骨架上的氮原子易與鹵代烴發(fā)生親核取代反應(yīng)，氮原子變?yōu)樗募?jí)銨正離子，此時(shí)C=N 雙鍵被活化，容易受親核試劑的進(jìn)攻而斷裂為C-N單鍵。同時(shí)，如果分子體系C=N 雙鍵被打開，必然導(dǎo)致原來(lái)分子共軛給受體系被破壞，也就導(dǎo)致探針溶液的顏色及熒光發(fā)生明顯變化，從而達(dá)到高效檢測(cè)的效果。三苯胺醛合成［20］及吲哚甲基化反應(yīng)［21］依據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道方法合成，堿性條件下，1 和2（見圖1）在乙醇溶液中反應(yīng)得到探針DADI，整個(gè)合成過(guò)程簡(jiǎn)單，每步產(chǎn)率高，探針DADI廉價(jià)易得。

2.2 離子選擇性研究

在V（C2H5OH）/V（water）=9∶1 時(shí)，探針 DADI溶液呈紫色，最大吸收波長(zhǎng)為545 nm，且有弱的熒光。向探針溶液中分別加入10 倍物質(zhì)的量的陰離子 CN-，Cl-，BF4-，ClO4-，Br-，H2PO4-，I-，NO3-和 F-等。如圖2（c）所示，只有當(dāng)加入10 倍物質(zhì)的量的氰根離子時(shí)，溶液顏色很快由紫色變?yōu)闊o(wú)色，且發(fā)出強(qiáng)烈的藍(lán)色熒光，而其它陰離子加入后溶液顏色及熒光均無(wú)變化。探針溶液紫外及熒光光譜也相應(yīng)發(fā)生變化，如圖2（b）所示，加入氰根離子后，溶液在545 nm 處的最大吸收峰明顯下降，溶液顏色由紫色變?yōu)闊o(wú)色，同時(shí)，溶液在428 nm 處發(fā)射峰明顯增強(qiáng)。其它常見陰離子加入對(duì)其紫外及熒光光譜無(wú)明顯影響。探針DADI 展現(xiàn)出高的氰根離子檢測(cè)選擇性。

圖2 DADI溶液加入不同陰離子后溶液：（a）熒光光譜，（b）紫外吸收光譜，（c）256 nm 光激發(fā)下及可見光下圖片F(xiàn)ig.2 DADI solution after addition of various anions:(a)fluorescence spectra,(b)UV-vis spectra,(c)pictures under 256 nm emission and visible light

2.3 離子干擾性研究

在V（C2H5OH）/V（water）=9∶1 的溶液中，將CN-分別加入到含有如下陰離子（陰離子與CN-等理，且為 DADI 的 10 倍物質(zhì)的量）的探針 DADI 溶液中，如 Cl-，BF4-，ClO4-，Br-，H2PO4-，I-，NO3-和 F-等，測(cè)試其熒光光譜。如圖3 所示。當(dāng)加入CN-后，除F-對(duì)CN-的檢測(cè)有較小的影響外，其它陰離子熒光光譜的強(qiáng)度并無(wú)明顯變化，進(jìn)一步證明其它陰離子對(duì)探針DADI對(duì)CN-檢測(cè)無(wú)干擾。

圖3 其它陰離子干擾Fig.3 Interference of other anions

2.4 檢測(cè)限研究

在探針DADI 溶液中逐步滴加氰根離子，其滴定曲線熒光光譜圖如圖4（a）所示，以355 nm 為激發(fā)波長(zhǎng)，探針DADI 在428 nm 處呈現(xiàn)弱的熒光，加入氰根離子后，428 nm 處熒光逐漸增強(qiáng)。

將415 nm 處熒光強(qiáng)度和所對(duì)應(yīng)氰根離子濃度進(jìn)行線性擬合，得到圖4b，在濃度為7～70 μmol/L范圍內(nèi)，探針溶液熒光強(qiáng)度與氰根離子濃度呈線性關(guān)系。由公式檢測(cè)限=3Sd/ρ（Sd為空白測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)偏差，ρ為曲線斜率）可得，該探針對(duì)氰根離子檢測(cè)限為0.067 μmol/L，遠(yuǎn)低于世界衛(wèi)生組織對(duì)飲用水中氰根離子含量標(biāo)準(zhǔn)。

2.5 pH 值影響

如圖5 所示，在 pH=2～9 的范圍，探針 DADI 能穩(wěn)定發(fā)出較弱熒光，加入氰根離子后，在pH=5～11范圍，探針DADI 內(nèi)熒光強(qiáng)度明顯增大，在pH 低于5 高于12 時(shí)，則不穩(wěn)定，有可能是由于DADI-CN-配體在此過(guò)程中發(fā)生了分解。因此，探針DADI 可以在較寬的pH 范圍（pH=5～9）內(nèi)對(duì)氰根離子進(jìn)行選擇性識(shí)別。

圖4 (a)隨CN-濃度增加DADI溶液熒光變化曲線,(b)CN-濃度與熒光強(qiáng)度的線性擬合圖Fig.4 (a)Fluorescence titration of DADI with increasing of CN-concentration,(b)plot of fluorescence intensity versus concentration of CN-

圖5 DADI和DADI-CN-在不同的pH 條件下428 nm處的熒光強(qiáng)度Fig.5 Variation of fluorescence intensity at 428 nm of DADI in presence and absence of CN-as a function of pH

2.6 可能的作用機(jī)理

可能的絡(luò)合機(jī)理如圖6 所示，氰根離子具有較強(qiáng)的親核性，能與探針中活性較大的C=N 雙鍵發(fā)生親核加成反應(yīng)，進(jìn)而破壞分子共軛性，分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移消失，探針的顏色及熒光也會(huì)因此改變。

圖6 探針DADI與CN-可能的作用方式Fig.6 Possible binding mode of CN-with DADI

在最佳溶劑體系中［V（C2H5OH）/V（water）=9∶1］，取適量探針DADI，加入10 倍當(dāng)量氰根離子后，室溫?cái)嚢?，溶液很快由紅色變?yōu)闊o(wú)色，且具有藍(lán)色熒光。旋蒸掉溶劑，得到DADI+CN-。如圖7所示，在DADI+CN-紅外光譜中，2 200 cm-1出現(xiàn)氰基的特征峰，表明氰根離子與DADI 發(fā)生反應(yīng)。在1 100 cm-1出現(xiàn)較強(qiáng)峰，歸屬于碳氮單鍵，同時(shí)，在DADI 紅外光譜中，1 600 cm-1對(duì)應(yīng)的碳氮雙鍵峰在DADI+CN-紅外光譜中消失，表明氰根離子打開C=N 雙鍵形成C-N 單鍵。

圖7 探針DADI和DADI+CN-的紅外光譜圖Fig.7 FTIR spectra of DADI and DADI+CN-

3 結(jié) 論

本論文設(shè)計(jì)、合成了一種高選擇性識(shí)別氰根離子新型探針DADI，并利用1H NMR、13C NMR、質(zhì)譜手段對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面的表征。研究結(jié)果表明，該類探針 DADI 與 CN-反應(yīng)比為 1∶1，在 7～70 μmol/L 范圍內(nèi)，探針的熒光強(qiáng)度與氰根離子濃度呈線性關(guān)系，檢測(cè)限達(dá)到0.067 μmol/L。后續(xù)通過(guò)在分子體系中引入水溶性基團(tuán)構(gòu)建完全水相檢測(cè)的探針，進(jìn)一步增強(qiáng)此類探針的實(shí)用性。