王迪，鐘克利，湯立軍，侯淑華，呂春欣

（1.渤海大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院,錦州 121013；2.嘉興學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院,嘉興 314001）

碘是一種重要的微量元素，對維持和調(diào)節(jié)人體的細胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定性具有重要作用.碘缺乏或過多都會對身體造成一定的傷害，并引發(fā)相關(guān)的甲狀腺疾病，如甲狀腺腫大、甲狀腺功能減退和甲狀腺功能亢進，碘離子也是控制骨骼和大腦發(fā)育代謝的關(guān)鍵因素［1～6］.作為人體生長必需的微量營養(yǎng)素之一，開發(fā)碘離子的分析方法具有重要意義.迄今，檢測碘離子的分析方法有很多種，如陰離子交換色譜法、微流體流動注射法，毛細管電泳及電位滴定等［7～10］.雖然這些方法在一定條件下能夠滿足檢測的要求，但也存在明顯的缺陷，如對于樣品的預(yù)處理相對復(fù)雜、測試成本相對較高及檢測時間偏長等.因此，開發(fā)一種快速、有效地檢測碘離子的分析方法十分重要.近年來，熒光光譜法由于具有靈敏度高、選擇性好、操作簡便和成本低等特點，受到了研究者的廣泛關(guān)注［11～26］.

共價有機框架（COFs）材料是一種較新穎的多孔材料，具有密度低、比表面積大、孔徑可調(diào)控和穩(wěn)定性高等優(yōu)點，在氣體儲存、吸附、光電、催化和化學(xué)傳感等方面具有良好的應(yīng)用前景.COFs相比于傳統(tǒng)的熒光傳感器具有開放對接位點、永久孔隙率、超低密度及出色的熱穩(wěn)定性等獨特的優(yōu)勢［27～34］.然而絕大多數(shù)的COF材料在水中和大多數(shù)有機溶劑中易聚集沉淀，影響了其實際應(yīng)用［35～38］.

本文通過簡便的溶劑熱合成方法制備了一種席夫堿共價有機框架探針TpPa-COOH COF.通過加入偶氮苯得到微納米尺度COF顆粒形成穩(wěn)定懸濁液，實現(xiàn)了熒光“On-Off”專一性識別I-.該探針的抗干擾能力較強、靈敏度較高，具有良好的應(yīng)用前景.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

1，3，5 -三甲酰基間苯三酚（Tp，純度97%），上海騰騫生物科技有限公司；2，5-二氨基苯甲酸（Pa-COOH，純度98%），梯希愛（上海）化成工業(yè)發(fā)展有限公司；偶氮苯（純度97%）及1，4-二氧六環(huán)（純度≥99.5%），天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司；均三甲苯（純度98%），薩恩化學(xué)技術(shù)（上海）有限公司；異丙醇（純度≥99.7%）及冰乙酸（純度≥99.5%），天津永大化學(xué)試劑有限公司.實驗所用其它藥品及溶劑均為市售分析純，用水為二次蒸餾水.

FL-4700型熒光分光光度計，日本Hitachi公司；JY12001電子天平，塞多利斯科學(xué)儀器有限公司；PHS-25B型pH計，上海大普有限公司；超聲波細胞粉碎機，寧波新芝生物科技股份有限公司.

1.2 實驗過程

席夫堿共價有機框架探針TpPa-COOH COF的合成路線如Scheme 1所示.

Scheme 1 Synthesis pathway of probe TpPa-COOH COF

1.2.1 探針TpPa-COOH COF的合成 將1，3，5-三甲?；g苯三酚（0.21 g，1 mmol）溶解于18 mL均三甲苯中，并將2，5-二氨基苯甲酸（0.23 g，1.5 mmol）溶解于18 mL 1，4-二氧六環(huán)中，再將兩種溶液混合進行超聲溶解，向混合溶液中加入偶氮苯（0.273 g，1.5 mmol），并滴加6 mL 6 mol/L的乙酸，經(jīng)反復(fù)凍融和N2脫氣后，在120℃反應(yīng)3 d.反應(yīng)結(jié)束后，首先將合成的COF離心除去溶劑，研磨1 h后加入到500 mL異丙醇中，在365 nm的紫外光照射下，攪拌1 h，期間不斷更換照射角度使紫外線對COF的照射更加均勻.之后，將COF溶液用超聲波細胞粉碎機破碎3 h，使其在溶液中分散得更加均勻.破碎完成后再分別用二氯甲烷、甲醇和四氫呋喃清洗COF，清洗至溶劑無色后，離心除去溶劑，得到磚紅色粉末.

1.2.2 各種陰離子溶液的配制 測試所需要的陰離子溶液均使用對應(yīng)的鈉鹽或者鉀鹽配制成5×10-2mol/L的溶液.以I-為例：準(zhǔn)確稱量83 mg KI化合物，用二次蒸餾水溶解后轉(zhuǎn)入10 mL容量瓶中，標(biāo)定至刻度線，搖晃均勻，得到5×10-2mol/L的I-溶液.其余的陰離子溶液（F-，Br-，Cl-，SCN-，HS-，S2O23-，HPO24-，N3-，SO23-，SO24-，CH3COO-，NO2-，CO23-，HCO3-，S2-，PPI，HSO3-）皆按此方法配制，用二次蒸餾水稀釋后，即可得到濃度更低的其它陰離子溶液.

1.2.3 探針TpPa-COOH COF懸濁液的配制 準(zhǔn)確稱量50 mg TpPa-COOH COF，將其分散到10 mL二次蒸餾水中，然后用超聲波細胞粉碎機破碎1 h，使TpPa-COOH COF均勻分散在水中，即得到測試熒光性能所用的5 mg/mL的探針懸濁液.熒光光譜測定均在室溫下進行，樣品池為石英比色皿，激發(fā)狹縫寬為5 nm，發(fā)射狹縫寬為5 nm，激發(fā)波長為230 nm.

1.2.4 實際樣品的檢測 分別選取湖水（渤海大學(xué)聽林湖）、河水（錦州市女兒河）和自來水樣進行實際樣品的檢測.測試前先過濾掉其中的泥沙再制備THF/H2O（體積比1∶1）混合溶液作為待測水樣，加入探針后測定其熒光發(fā)射光譜.

2 結(jié)果與討論

2.1 探針TpPa-COOH COF的合成及表征

探針TpPa-COOH COF的合成方法較簡單：以1，3，5-三甲?；g苯三酚與2，5-二氨基苯甲酸為初始原料，加入偶氮苯，通過溶劑熱反應(yīng)獲得.在365 nm紫外光照射下，樣品中偶氮苯的結(jié)構(gòu)將從反式異構(gòu)體轉(zhuǎn)變?yōu)轫樖疆悩?gòu)體，構(gòu)型變化有利于提高TpPa-COOH COF自身的分散性［39］.通過超聲和有機溶劑清洗除去偶氮苯和未反應(yīng)單體，掃描電子顯微鏡（SEM）表征結(jié)果顯示得到了微納米尺度的顆粒（圖S1，見本文支持信息）.

傅里葉變換紅外光譜（FTIR，圖1）在1568和1200 cm-1處顯示強峰，分別對應(yīng)于以酮形式存在的C=C振動和C—N振動.與2種單體相比，Tp的C=O振動峰（1643 cm-1）和Pa-COOH的N—H振動峰（3300～3400 cm-1）消失，表明制得了TpPa-COOH COF.上述結(jié)果也通過拉曼光譜得到了證實（圖S2，見本文支持信息）.拉曼光譜中1392，1604和1667 cm-1處的吸收峰分別對應(yīng)于苯環(huán)和胺官能團的伸縮振動，1604 cm-1處的拉曼譜帶對應(yīng)于COF結(jié)構(gòu)中苯環(huán)的C=C伸縮振動，1667 cm-1處的拉曼振動信號與COF結(jié)構(gòu)中酮-烯胺鍵的C=O相關(guān).通過X射線光電子能譜進一步分析了TpPa-COOH COF的化學(xué)結(jié)構(gòu)（圖S3，見本文支持信息），在XPS譜圖中發(fā)現(xiàn)了C1s，N1s和O1s信號的峰，確認了新化合物的形成.以上結(jié)果表明，合成了COF探針.而TpPa-COOH COF的小角X射線散射（SAXS）在2θ=5.1°處顯示衍射峰（圖S5，見本文支持信息），通過層間距公式計算得出粉末層間相應(yīng)的π-π堆疊層間距約為0.346 nm，表明TpPa-COOH COF擁有均勻有序的晶體結(jié)構(gòu).通過Brunauer-Emmett-Teller（BET）方法計算了TpPa-COOH COF的比表面積和孔體積（圖S6，見本文支持信息），分別為101.92 m2/g和0.51 cm3/g，高的比表面積和孔容有利于提高探針TpPa-COOH COF的傳感能力.

Fig.1 FTIR spectra of Tp(a),Pa-COOH(b)monomers and TpPa-COOH COF(c)

2.2 探針TpPa-COOH COF的選擇性實驗

對目標(biāo)離子具有良好的選擇性是熒光探針的基本要求，所以首先研究了探針TpPa-COOH COF對不同陰離子的熒光響應(yīng).如圖2所示，加入I-后，可通過肉眼觀察到探針TpPa-COOH COF的THF/H2O（體積比1∶1）溶液的顏色由粉紅色變?yōu)辄S色.當(dāng)以230 nm光激發(fā)時，探針在THF/H2O體系中熒光發(fā)射的強度較高.當(dāng)向0.05 mg/mL的探針溶液中加入50 mmol/L的I-時，可觀察到在317 nm處有明顯的熒光猝滅現(xiàn)象.然而，添加等物質(zhì)的量的其它陰離子（F-，Br-，Cl-，SCN-，HS-，S2O23-，HPO24-，N3-，SO23-，SO24-，CH3COO-，NO2-，CO23-，HCO3-，S2-，PPI，HSO3-）后，在317 nm處熒光猝滅的現(xiàn)象并不明顯，表明探針TpPa-COOH COF對I-具有良好的選擇性.

2.3 探針TpPa-COOH COF識別I-的抗干擾實驗

為研究在其它潛在干擾離子（F-，Br-，Cl-，SCN-，HS-，S2O23-，HPO24-，N3-，SO23-，SO24-，CH3COO-，NO2-，CO23-，HCO3-，S2-，PPI，HSO3-和Ag+，Al3+，Ba2+，Ca2+，Cd2+，Co2+，Cr3+，Cu2+，F(xiàn)e2+，F(xiàn)e3+，Hg2+，K+，Mg2+，Mn2+，Na+，Ni2+，Pb2+和Zn2+）存在時，探針對I-的識別能力，進行了競爭性實驗.當(dāng)加入各種陰離子和陽離子后，在317 nm處只有I-存在熒光猝滅.在此基礎(chǔ)上向其它離子溶液中加入等物質(zhì)的量的I-后，在317 nm處的熒光強度均明顯猝滅，如圖3所示.可見，探針TpPa-COOH COF對I-的識別在其它離子存在下仍然具有良好的選擇性，說明其抗干擾能力強，具有良好的專一性.

Fig.2 Fluorescence spectra of probe TpPa-COOH COF(0.05 mg/mL)in THF/H2O(volume ratio of 1∶1)solution after adding various anions(λex=230 nm)

Fig.3 Fluorescence intensity changes of probe TpPa-COOH COF(0.05 mg/mL)in THF/H2O(volume ratio of 1∶1)solution after adding various anions(A)or cations(B)and then adding I-

2.4 探針TpPa-COOH COF對I-的熒光滴定實驗

為了進一步研究探針TpPa-COOH COF對I-的傳感性質(zhì)，測試了探針的THF/H2O溶液熒光強度隨I-濃度變化情況.當(dāng)向探針的THF/H2O溶液中加入不同濃度（0～1.5 μmol/L）的I-時，探針在317 nm處的熒光強度隨著I-濃度的增加而逐漸降低.當(dāng)I-濃度增加到1.5 μmol/L時，其熒光強度幾乎不變，說明此時已達到飽和［圖4（A）］.同時，觀察到I-濃度在0.1～1.4 μmol/L范圍內(nèi)317 nm處的熒光強度有良好的線性關(guān)系（R2＞0.99）［圖4（B）］.根據(jù)方程LOD=3s/k（其中s為空白溶液的標(biāo)準(zhǔn)偏差，k為標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率）計算出探針TpPa-COOH COF對I-的檢出限為0.028 μmol/L，較低的檢出限說明探針TpPa-COOH COF識別I-的靈敏度較高.

2.5 pH對探針TpPa-COOH COF的影響

為了考察探針TpPa-COOH COF在實際樣品中的應(yīng)用性能，進一步考察了不同pH值對其識別I-的影響.如圖5所示，探針TpPa-COOH COF在pH=1～13范圍內(nèi)的熒光強度都較高，在向探針溶液中加入I-后，在pH=1～13的范圍內(nèi)，熒光強度均顯著降低且較為穩(wěn)定.這說明探針TpPa-COOH COF可在酸性、中性和堿性條件下檢測I-，具有較寬的pH適用范圍.

Fig.5 Fluorescence intensity of probe TpPa-COOH COF(a)and TpPa-COOH COF+I-(b)at different pH values(λex=230 nm)

Fig.6 Experiment on recycling of probe TpPa-COOH COF

2.6 探針TpPa-COOH COF的循環(huán)利用性能

進一步探索了探針TpPa-COOH COF的循環(huán)利用情況.用2 μmol/L的AgNO3水溶液進行簡單處理將COF中的I-交換出來后，探針TpPa-COOH COF的熒光可以恢復(fù)到之前的強度.如圖6所示，這種猝滅-增強的循環(huán)重復(fù)3次后，TpPa-COOH COF的靈敏度和響應(yīng)性無顯著降低.

2.7 探針TpPa-COOH COF識別I-的反應(yīng)機理

通過傅里葉變換紅外光譜（FTIR）、拉曼光譜及X射線光電子能譜（XPS）研究了探針TpPa-COOH COF在加入I-前后的結(jié)構(gòu)及變化.加入I-后的傅里葉變換紅外光譜中，苯環(huán)上C=C骨架振動的吸收峰從1568 cm-1移動到1574 cm-1，C—N拉伸振動的吸收峰從1220 cm-1移動到1236 cm-1，峰形變寬，表明I-的加入可以影響TpPa-COOH COF網(wǎng)絡(luò)中的芳香環(huán)和C—N鍵［圖7（A）］.

拉曼光譜結(jié)果表明，在加入I-后拉曼光譜無明顯變化，表明COF結(jié)構(gòu)得以保持（圖S4）.通過XPS進一步分析發(fā)現(xiàn)，加入I-后的XPS譜圖中出現(xiàn)新的I3d的信號峰［圖7（B）］，其中I3d是2個峰，歸屬于I3d3/2和I3d5/2的2個軌道能級.此時的N1s的峰位從399.0 eV移至400.1 eV，推測COF中富電子的N和缺電子的I之間存在相互作用.因此，探針TpPa-COOH COF顯著的特異性識別I-的能力可能歸因于其多孔結(jié)構(gòu)、豐富的N吸附位點和π共軛結(jié)構(gòu).探針中的N原子和I-之間的電荷轉(zhuǎn)移會導(dǎo)致熒光猝滅，所以I-的加入同時結(jié)合探針COF網(wǎng)絡(luò)中的芳香環(huán)，進而影響了探針本身的共軛結(jié)構(gòu)，使探針的藍色熒光猝滅（Scheme 2）［40～42］.

Scheme 2 Recognition mechanism of probe TpPa-COOH COF to I-

Fig.7 FTIR(A)and XPS(B)spectra of the probe before(a)and after(b)the addition of I-

2.8 探針TpPa-COOH COF的水穩(wěn)定性

為了考察探針TpPa-COOH COF在水中的應(yīng)用能力，對其進行了水穩(wěn)定性檢測.通過FTIR考察了TpPa-COOH COF固體浸泡在水中24 h前后的結(jié)構(gòu)及變化.從圖8可以看出，浸入水前后TpPa-COOH COF的FTIR光譜相比，苯環(huán)上C=C骨架振動的吸收峰沒有變化，僅C—N伸縮振動的吸收峰發(fā)生微弱的移動，兩者整體峰形一致.在水中浸泡24 h前后的TpPa-COOH COF紅外譜圖沒有明顯變化，說明探針TpPa-COOH COF的水穩(wěn)定性良好.

Fig.8 FTIR spectra of TpPa-COOH COF before(a)and after(b)soaking in water for 24 h

Fig.9 Linear relationship between the fluorescence intensity of the probe and the I-concentration in three real water samples

2.9 實際水樣中I-的識別檢測

為了進一步探究探針TpPa-COOH COF的實際應(yīng)用性能，進行了水樣檢測.分別選取湖水（渤海大學(xué)聽林湖）、河水（錦州市女兒河）和自來水作為試劑水樣進行測試.先將水樣過濾處理后用于制備THF/H2O（體積比1∶1）混合溶液，再加入探針TpPa-COOH COF測試溶液，然后加入不同濃度的I-，記錄317 nm處的熒光信號.如圖9所示，在實際水樣中加入I-后，探針的熒光猝滅效果顯著，表明探針在實際水樣中可以靈敏檢測I-，具有較高的穩(wěn)定性.探針的熒光強度與I-濃度在0.3～0.7 μmol/L范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系（R2＞0.99），如表1所示，該方法的相對偏差（RSD）為0.25%～2.74%，回收率為99.18%～106.19%，表明探針TpPa-COOH COF可用于定量檢測I-.

Table 1 Detection results of I-in real water samples using probe TpPa-COOH COF

3 結(jié) 論

共價有機框架材料因其具有結(jié)構(gòu)可調(diào)、多孔性和比表面大等優(yōu)點，在催化、光電以及氣體的儲存和吸附等方面有著廣泛的應(yīng)用.本文設(shè)計合成了具有優(yōu)良分散性的帶有羧基的共價有機框架熒光探針TpPa-COOH COF.該探針在THF/H2O（體積比1∶1）溶液中能夠高選擇性地?zé)晒狻癘n-Off”識別I-，具有良好的線性范圍、低的檢出限和良好的靈敏度及選擇性.

支持信息見http://www.cjcu.jlu.edu.cn/CN/10.7503/cjcu20220115.