李少鑫， 闞 偉*，趙 冰*，李慧婷，王麗艷，劉雙義，闞宏澤

(1. 齊齊哈爾大學 化學與化學工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；2. 鞍鋼股份公司煉焦總廠，遼寧 鞍山114009)

鐵元素是生物體內的最豐富的金屬離子之一,準確靈敏的檢測鐵離子濃度對環(huán)境和人類健康具有重大意義[1-2]。常見的鐵離子測定方法主要有X射線熒光光譜法、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法、分光光度法、核磁共振法、原子吸收光譜法、電化學法等。

隨著科技的發(fā)展，化學傳感技術以其高靈敏度、優(yōu)良的選擇性、易攜帶等優(yōu)點在金屬離子檢測方面的應用越來越廣泛，并受到廣大研究者的高度重視?；瘜W傳感器是指能夠與客體被測物質發(fā)生作用時給出實時信號的一種主體分子器件。近年來，人們設計并開發(fā)了結構多樣的主體分子器件用于檢測Fe3+。2014年，劉世榮等[3]報道了一種亞胺鍵鏈接的哌嗪-羅丹明B衍生物，該主體分子在甲醇和水的體系中通過熒光光譜識別選擇性識別Fe3+，但該探針的檢測靈敏度較低，且易受到Cu2+的干擾。同樣在甲醇和水的體系中，孟祥明課題組[4]報道了哌啶-羅丹明B衍生物對金屬離子的熒光傳感行為，加入Fe3+后熒光可增強100倍，不足之處在于Cr3+對其干擾較強。2016年，朱金麗[5]設計并成功合成出一種二苯甲酮的Schiff堿，該Schiff堿在乙醇和水的體系中對Fe3+表現(xiàn)出良好的選擇性，核磁滴定的實驗表面，主體化合物通過亞胺部分與Fe3+發(fā)生絡合，絡合比為1∶1，該文獻也報道了主體化合物對實質水樣的檢測。香豆素類衍生物作為一類典型的化學傳感器，也受到廣大研究者的關注。本課題組[6]設計了一種Fe3+淬滅型香豆素-咪唑化學傳感器，在DMF和水體系中主體化合物與Fe3+以1∶1的方式絡合，并將熒光探針應用到真實水樣中Fe3+的檢測，結果表明該傳感器都能夠精確、快速地檢測真實水樣中的Fe3+濃度。

除了熒光光譜的方法檢測Fe3+濃度外，還可以采用紫外光譜的方法識別檢測Fe3+。鄔孝芳等[7]成功合成二茂鐵噻唑和咪唑衍生物，發(fā)現(xiàn)該類衍生物在四氫呋喃體系中能夠通過簡單的紫外光譜變化實現(xiàn)對Fe3+的檢測，隨著Fe3+的加入，溶液顏色逐漸從黃色轉為紅色，并且隨著Fe3+濃度的增大，溶液顏色逐漸加深，并通過紫外光譜的變化確定主體與Fe3+以1∶1絡合行為。Ghule[8]等合成了結構為萘二酰亞胺衍生物的紫外識別探針，隨著Fe3+濃度的增加，主體化合物的紫外吸收強度減弱，溶液顏色由黃色變成無色，作者還通過HOMO和LUMO計算確定了主體化合物與Fe3+以2∶1的方式絡合。不足之處在于對Fe3+的檢測受到Cu2+的干擾，并且應用于實際水樣的檢測。

紫外光譜識別客體金屬離子的方法克服了常規(guī)的Fe3+離子探針只能依靠熒光光譜檢測的缺點，提供了一種采用簡單的紫外光譜、高靈敏度和高選擇性的檢測Fe3+的方法。因此，設計和開發(fā)結構多樣的、紫外光譜靈敏、操作簡單、具有廣泛實際應用性能的主體化合物在金屬離子檢測方面具有重要的理論研究意義和實際應用價值。本課題組即香豆素-咪唑衍生物之后又開發(fā)了一種新型的雙Schiff堿鏈接的熒光素-羅丹明B衍生物Fe3+離子紫外識別探針，該探針通過紫外光譜可以實現(xiàn)Fe3+離子的實時檢測，操作簡單，靈敏度高，且不受其他常見金屬離子的干擾。該化合物的合成方法如下。

1 實 驗

1.1 試劑與儀器

對苯二甲醛、水合肼(質量分數(shù)80%)、羅丹明B，AR，北京百靈威科技有限公司；熒光素，AR，上海阿拉丁化學試劑有限公司；溶劑、金屬鹽、4-羥乙基哌嗪乙磺酸(HEPES)，AR，成都西亞化工股份有限公司。硅膠，AR，上海泰坦科技股份有限公司；去離子水，自制。

Vario EL元素分析儀測定，德國Elementar公司；UV-Vis TU-1901型紫外可見分光光度計，北京普析通用儀器公司；Bruker AVANCE-600核磁共振波譜儀，德國布魯克科技有限公司；X-6精細顯微熔點測試儀，北京泰克儀器有限公司。

1.2 合成及表征

熒光素肼(1)和羅丹明B肼(4)按照文獻[9-11,12-14]方法合成。

1.2.1單Schiff堿熒光素(3)的合成

依次向50 mL三口燒瓶中加入熒光素肼(1)(1 mmol，0.35 g)、對苯二甲醛 (2) (1 mmol，0.14 g)和乙醇 (20 mL)?；旌衔飻嚢瑁訜嶂粱亓?。反應過程中采用TLC(展開劑V(石油醚)∶V(乙酸乙酯)=1∶1)跟蹤反應進程，約6 h后反應結束。停止加熱，冷卻至室溫，旋出溶劑，得到淺黃色固體粗產(chǎn)物。通過柱層析色譜梯度淋洗進行分離(200～300目硅膠，淋洗劑為不同體積比的石油醚和乙酸乙酯)，得到純的目標產(chǎn)物單Schiff堿熒光素3。紅色固體，收率64%，熔點：233～235 ℃。IR (KBr):σ/cm-1：3 419, 2 965, 1 676, 1 583, 1 466。1H NMR (600 MHz, DMSO-d6)，δ: 9.94 (s, 1H, CHO), 9.93 (s, 2H, OH), 9.07 (s, 1H, NCH), 7.93 (d,J=7.8 Hz, 1H, ArH), 7.85 (d, 2H, ArH), 7.659～7.634 (m, 1H, ArH), 7.613～7.583(m, 3H, ArH), 7.14 (d,J=7.2 Hz, 1H, ArH), 6.67 (d,J=2.4 Hz, 2H, ArH), 6.51 (s, 1H, ArH), 6.50 (s, 1H,ArH), 6.46～6.44(m, 2H, ArH);13C NMR (150 MHz, DMSO),δ: 193.1, 184.3, 159.1, 152.6, 150.9, 147.5, 140.3, 137.3, 134.8, 130.4, 129.7, 129.1, 128.4, 127.6, 124.3, 123.8, 112.8, 110.4, 103.2, 65.9;元素分析(C28H18N2O5,計算值),%:w(C)=72.59(72.72),w(H)= 4.01(3.92),w(N)=6.11 (6.06)。

1.2.2雙Schiff堿鏈接的熒光素-羅丹明B(RBFH)的合成

依次向50 mL三口燒瓶中加入化合物3(1 mmol，0.46 g)、羅丹明B肼4 (1 mmol，0.46 g)、乙醇(20 mL)?；旌衔飻嚢?，加熱至回流。反應過程中采用TLC (展開劑V(二氯甲烷)∶V(甲醇) = 12∶1)跟蹤反應進程，約6 h后反應結束。停止加熱，冷卻至室溫，旋出溶劑，得到褐色固體粗產(chǎn)物。通過柱層析色譜梯度淋洗進行分離(200～300目硅膠，淋洗劑為不同體積比的石油醚和乙酸乙酯)，得到純的雙Schiff堿鏈接的熒光素-羅丹明B，灰色固體，收率94%，熔點：287～291 ℃。IR(KBr),σ/cm-1：3 431, 2 971, 2 930, 1 692, 1 633, 1 616, 1 516。1H NMR(600 MHz, DMSO-d),δ: 9.97(s, 2H, OH), 8.91 (s, 1H, NCH), 8.79(s, 1H, NCH), 7.88 (t, 1H, ArH), 7.61～7.55(m, 2H, ArH), 7.35(s, 2H, ArH), 7.09(t,J=7.2 Hz, 1H, ArH), 6.62(s, 1H, ArH) 6.46(s, 1H, ArH), 6.42～6.40(m, 2H, ArH), 6.37～6.30 (m, 1H, ArH), 6.30～6.28(m, 1H, ArH), 3.28(q, 8H, CH2), 1.04(t,J=6.9 Hz ,12H, CH3);13C NMR(150 MHz, DMSO-d6),δ: 191.3, 187.3, 165.7, 159.7, 152.3, 152.7, 149.4, 149.4, 146.9, 139.4, 136.2, 132.5, 131.2, 129.2, 129.2, 128.3, 128.5, 117.4, 114.2, 109.9. 106.5, 105.7, 97.7, 76.3, 47.1, 12.9; 元素分析(C56H48N6O6,計算值),%:w(C)=74.49 (74.65),w(H)=5.32 (5.37),w(N)=9.28 (9.33)。

1.3 紫外光譜性能測試

1.3.1主體化合物RBFH及金屬陽離子儲備液的配制

稱取0.009 0 g (1 mmol)RBFH，置于100 mL容量瓶，用N,N-二甲基甲酰胺(DMF)定容，超聲震蕩，使固體完全溶解，得到濃度為1.0×10-4mol/L的主體化合物RBFH儲備液，靜置待用。

稱取1.200 0 g 4-羥乙基哌嗪乙磺酸(HEPES)于250 mL容量瓶中，用去離子水定容，超聲震蕩，使之完全溶解，并調至pH=7.4，得到0.1 mol/L的HEPES(pH=7.4)緩沖溶液，靜置待用。

分別稱取相應質量(1 mmol)的金屬鹽：NaNO3, KNO3, Ba(NO3)2, Mg(NO3)2· 6H2O, Ca(NO3)2· 4H2O, Cr(NO3)3· 9H2O, Fe(NO3)3· 9H2O, Al(NO3)3· 9H2O, Ni(NO3)2· 6H2O, Cu(NO3)2· 3H2O, Zn(NO3)2· 6H2O, Co(NO3)2· 4H2O, AgNO3, Cd(NO3)2· 4H2O, Hg(NO3)2和Pb(NO3)2加入到10 mL容量瓶中，用0.1 mol/L的HEPES(pH=7.4)緩沖溶液定容，超聲震蕩，使金屬硝酸鹽完全溶解，即得到濃度為0.1 mol/L的金屬陽離子儲備液，靜置待用。

1.3.2金屬離子的選擇性、滴定及干擾測試

分別移取5 μL Cu2+、Zn2+、Ag+、Ca2+、Mg2+、Fe3+、Hg2+、Pb2+、Na+、Ba2+、Ni2+、K+、Al3+、Cr3+、Co2+、Cd2+的金屬陽離子儲備液于17個5 mL容量瓶中，再向容量瓶中依次移入0.5 mL主體化合物RBFH的儲備液，0.5 mL HEPES儲備液(pH=7.4)，最后用甲醇定容，配成濃度為1×10-5mol/L的主體化合物RBFH測試液(c(RBFH)=1×10-5mol/L，V(DMF)∶V(HEPES)=9∶1，pH=7.4，c(RBFH)∶c(離子)=1∶10)。充分搖勻，放置30 min后采用紫外分光光度計進行測試。

按照上述方法配置Fe3+濃度為0～1.1×10-4mol/L的測試液(c(RBFH)=1×10-5mol/L，V(DMF)∶V(HEPES)=9∶1，pH=7.4)充分搖勻，放置30 min后采用紫外分光光度計進行測試。

分別移取5 μL Fe3+儲備液于17個5 mL的容量瓶中，再依次移入5 μL Cu2+、Zn2+、Ag+、Ca2+、Mg2+、Hg2+、Pb2+、Na+、Ba2+、Ni2+、K+、Al3+、Cr3+、Co2+、Cd2+的儲備液。向容量瓶中依次移入0.5 mL主體化合物RBFH的儲備液，0.5 mL的HEPES儲備液(pH=7.4)，最后用甲醇定容，配成主體化合物RBFH濃度為1×10-5mol/L的測試液(V(DMF)∶V(HEPES)=9∶1，pH=7.4，c(RBFH)∶c(識別離子):c(干擾離子)=1∶10∶10)，充分搖勻，放置30 min后采用紫外分光光度計進行測試。

2 結果與討論

2.1 化合物的結構表征

2.1.1單Schiff堿熒光素(3)的結構表征

紅外光譜中，在3 419 cm-1處的寬吸收峰為羥基O—H的締合吸收峰，在2 965 cm-1出現(xiàn)飽和C—H伸縮振動特征吸收峰，在1 676 cm-1出現(xiàn)強的CO伸縮振動特征吸收峰，在1 466 cm-1出現(xiàn)較強的CN伸縮振動特征吸收峰。

核磁氫譜中，在化學位移值為9.94處出現(xiàn)一組單峰，積分面積為1個H質子，歸屬為醛基質子峰；在9.93處出現(xiàn)一組單峰，積分面積為2個H質子，歸屬為O—H質子峰；在9.07處出現(xiàn)一組單峰，積分面積分別為1個H質子，歸屬為NC—H質子峰。此外，核磁碳譜中193.1和184.3左右的吸收峰為兩個羰基CO的碳原子吸收，這說明產(chǎn)物中含有兩個羰基結構，分別為醛基和熒光素肼內酰胺的羰基。在147.5左右的吸收峰為CN的碳原子吸收。

2.1.2雙Schiff堿鏈接的熒光素-羅丹明B(RBFH)的結構表征

紅外光譜中，在3 431 cm-1的吸收峰為羥基O—H締合吸收峰；在1 692和1 633 cm-1出現(xiàn)兩個強的CO伸縮振動特征吸收峰，其中一個吸收峰歸屬為熒光素肼內酰胺的CO伸縮振動吸收，另一個為羅丹明B肼內酰胺的C=O伸縮振動吸收；在1 616和1 516 cm-1出現(xiàn)兩個強的CN伸縮振動特征峰，其中一個吸收峰歸屬為熒光素肼的CN伸縮振動吸收，另一個為羅丹明B肼的CN伸縮振動吸收。

核磁氫譜中，在化學位移值為9.97處出現(xiàn)一組單峰，積分面積為2個H質子，歸屬為羥基的質子峰；在8.91和8.79處分別出現(xiàn)一組單峰，積分面積分別為1個H質子，歸屬為兩個NC—H質子峰。從上述核磁氫譜的質子吸收峰可初步確定產(chǎn)物為主體化合物RBFH。此外，核磁碳譜中191.3和187.3左右的吸收峰為兩個羰基CO的碳原子吸收，這說明產(chǎn)物中含有兩個羰基結構，分別為羅丹明B肼和熒光素肼內酰胺的羰基，在165.7和159.7左右的吸收峰為兩個羰基NC的碳原子吸收，這說明產(chǎn)物中含有兩個亞胺結構，分別為羅丹明B肼和熒光素肼內酰胺的羰基。

2.2 主體化合物RBFH的Fe3+離子識別性能

2.2.1主體化合物RBFH與不同金屬離子的紫外吸收光譜

圖1是主體化合物RBFH與不同金屬離子的紫外吸收光譜。從圖1可以看出，主體化合物RBFH在323和358 nm處有兩個吸收峰，摩爾吸光系數(shù)(ε)分別為3.91×104L/(mol·cm)和4.06×104L/(mol·cm)。分別向主體化合物RBFH中加入1.0×104L/mol Al3+、Zn2+、Ag+、Ca2+、Mg2+、Cu2+、Hg2+、Pb2+、Na+、Ba2+、Ni2+、K+、Cr3+、Co2+和Cd2+離子時，主體化合物RBFH的兩個吸收峰位移沒有發(fā)生明顯變化，吸光度輕微的減弱，減弱幅度很小。當加入1.0×104L/mol Fe3+時，主體化合物RBFH吸收峰的位移沒有明顯變化，但是在323和358 nm的吸收峰強度均有明顯增加，323 nm的摩爾吸光系數(shù)增大到6.19×104L/mol·cm，強度增大為原來的1.5倍;358 nm的摩爾吸光系數(shù)則增大到5.75 × 104L/(mol·cm)，強度增大為原來的1.4倍。這些變化初步說明主體化合物RBFH可以在DMF/HEPES體系中通過紫外光譜識別Fe3+。

2.2.2主體化合物RBFH紫外識別Fe3+離子的抗干擾性能

圖2是其他干擾離子存在時主體化合物RBFH加入Fe3+離子的紫外吸收光譜。由圖2可見，其他常見金屬離子和Fe3+離子共存時，323和358 nm處紫外吸收與Fe3+離子單獨存在時沒有明顯的變化。即，其他常見金屬離子的存在對主體化合物RBFH紫外識別Fe3+離子沒有干擾。也就是說，主體化合物RBFH紫外識別Fe3+離子具有良好的選擇性。

圖1 不同金屬離子存在下主體化合物RBFH的吸收光譜

圖2 其他干擾離子存在時主體化合物RBFH對Fe3+的紫外識別

2.2.3Fe3+濃度變化對主體化合物RBFH紫外吸收強度的影響

主體化合物RBFH隨Fe3+濃度變化的紫外光譜見圖3和圖4。

由圖3可以看出，隨著Fe3+濃度的增加，323和358 nm處的兩個吸收峰強度同時增加。當Fe3+濃度等于70 μmol/L時，323 nm和358 nm處的紫外吸收強度相當(如圖4所示)。

圖3 RBFH加入不同濃度的Fe3+后的紫外吸收光譜

圖4 RBFH加入不同濃度的Fe3+后在323與358 nm處的

2.3 主體化合物RBFH與Fe3+的識別機理

為了準確測定主體化合物RBFH與Fe3+離子識別的絡合比，通過Job曲線滴定分析實驗，根據(jù)下式進行測試。

n=Xmax/(1-Xmax)

其中，Xmax為紫外吸收增強達到最大值時主體化合物RBFH的物質的量分數(shù)，n為主體化合物RBFH與金屬離子的絡合比。從圖5可見，主體化合物RBFH的濃度占RBFH與Fe3+離子總濃度0.5時紫外吸收增強達到最大值，由公式計算得n=1，表明主體化合物RBFH與Fe3+是以1∶1的絡合比進行配位絡合形成RBFH-Fe3+絡合物，即一分子RBFH與一分子Fe3+形成配位絡合物。

圖5 主體化合物RBFH與Fe3+的Job曲線

根據(jù)上述絡合比以及文獻[1-2,15-17]推測，主體化合物RBFH和Fe3+離子識別機理如圖6所示。Fe3+離子分別與化合物RBFH中Schiff堿中的兩個N原子和酰胺鍵上的羰基O原子配位，形成四配位的RBFH-Fe3+絡合物。

2.4 實際水樣中Fe3+離子濃度分析

以自來水、齊齊哈爾勞動湖水和嫩江水(齊齊哈爾段)作為待測水樣，所取水樣經(jīng)過濾漂浮物和沉淀等雜質，然后采用HEPES緩沖溶液(pH=7.4)稀釋100倍后加入主體化合物RBFH進行紫外測定，并用標準加入法進行回收實驗，測定結果如表1所示。從表1可以看出，在不同的水樣中，F(xiàn)e3+離子的回收率在94%～103%之間，準確度和精密度較高。

圖6 主體化合物RBFH對Fe3+離子的識別機理

水樣Fe3+濃度/(μmol·L-1)加入值測量值回收率，%相對標準偏差，%自來水0ND——3029．7991．125051．3102．61．35勞動湖水0ND——3030．5101．70．655047．995．80．52嫩江水0ND——3028．494．71．045048．697．21．11

3 結 論

合成和表征了雙Schiff堿鏈接的熒光素-羅丹明B衍生物其實現(xiàn)了其通過紫外光譜對Fe3+離子選擇性識別的性能。在DMF和HEPES(V(DMF)∶V(HEPES)=9∶1，pH=7.4)體系中，主體化合物RBFH對Fe3+離子具有較好的選擇性識別，且不受其他金屬離子的干擾。Job實驗表明，主體化合物RBFH與Fe3+形成了絡合比為1∶1的RBFH-Fe3+配位絡合物。將主體化合物RBFH對Fe3+離子的紫外識別功能應用到實際水樣的Fe3+離子濃度的檢測，結果表明該化合物RBFH對水中Fe3+的檢測具有較高的準確度和靈敏度。

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