何文濤,秦紅燕,尚可霞,2*

(1.河西學(xué)院 醫(yī)學(xué)院，張掖 734000; 2.甘肅省河西走廊特色資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，張掖 734000)

二硫化碳(CS2)可用作黏膠纖維、玻璃紙、土壤消毒劑和電子真空管的原料[1]，也可在食品保藏中用來(lái)防昆蟲(chóng)和防細(xì)菌[2]。CS2具有周?chē)窠?jīng)毒性[3-6]，長(zhǎng)時(shí)間接觸可能引發(fā)中樞神經(jīng)系統(tǒng)方面的疾病;CS2具有揮發(fā)性，低濃度水平CS2即可加速動(dòng)脈、冠狀動(dòng)脈粥樣硬化[7]。CS2進(jìn)入人體后，其中0.7%～2.3%的CS2會(huì)與谷胱甘肽反應(yīng)生成2-硫代噻唑烷-4-羧酸(TTCA)[8]，常通過(guò)尿液排泄掉，美國(guó)工業(yè)衛(wèi)生專(zhuān)家會(huì)議建議將TTCA 作為尿液中轉(zhuǎn)移性CS2的生物監(jiān)測(cè)指標(biāo)[9]。目前，尿液中TTCA 的常用檢測(cè)方法有毛細(xì)管氣相色譜法、高效液相色譜法、氣相色譜-質(zhì)譜法，但是這些方法存在維修成本高、選擇性低、靈敏度低等缺點(diǎn)[10]。與其他檢測(cè)方法相比，熒光分光光度法具有可移植性、檢出限低、選擇性高、靈敏度高、操作簡(jiǎn)單、響應(yīng)快速等顯著優(yōu)勢(shì)[11]。

金屬有機(jī)骨架材料(MOF)是由無(wú)機(jī)金屬離子與含氮、氧的多齒有機(jī)配體通過(guò)配位作用自動(dòng)組裝形成的具有無(wú)限網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多孔材料，具有高結(jié)晶度、多孔性和強(qiáng)金屬-配體作用等特點(diǎn)，在氣體吸附與分離、有機(jī)催化、傳感器與驅(qū)動(dòng)器、藥物緩釋、光學(xué)材料等領(lǐng)域的應(yīng)用前景良好[12]。發(fā)光MOF 是新興的有機(jī)雜化材料，可用于制備熒光傳感器[13-14]，主要通過(guò)熒光猝滅[15]或增強(qiáng)[16]的方式檢測(cè)分析物。3-(3′，5′-二羧基苯氧基)鄰苯二甲酸(H4L)中羧基上的氧原子與發(fā)光稀土金屬離子Tb3＋具有很強(qiáng)的親和能力，二者形成的[Tb(HL)(H2O)3]·H2O(Tb-MOF)具有高發(fā)光穩(wěn)定性、強(qiáng)熒光壽命，可以通過(guò)熒光猝滅機(jī)理檢測(cè)CS2生物標(biāo)記物TTCA，檢出限低、抗干擾能力強(qiáng)[10-11]。

鑒于此，本工作通過(guò)水熱法合成了熒光傳感材料Tb-MOF，并成功應(yīng)用于模擬尿液中TTCA 的識(shí)別。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Thermo Scientific Nicolet-is 50型傅里葉紅外光譜儀;F98型熒光分光光度計(jì);FTS 3000型X 射線粉末衍射(PXRD)儀;Perkin-Elmer TG-7型熱重分析儀;DHG-9036A 型電熱恒溫干燥箱;N-117M型體視顯微鏡;UV-2600型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì);OLYMPUS IX71型倒置熒光顯微鏡。

模擬尿液:根據(jù)正常人體尿液中化學(xué)成分的組成配制模擬尿液，其中氯化鉀、氯化鈉、氯化銨、硫酸鈉、肌酸、肌酐、葡萄糖、尿素、尿酸的濃度均為0.01 mol·L－1，用磷酸鹽緩沖溶液調(diào)節(jié)其酸度至pH 7.40左右。

H4L、六水合硝酸鋱以及氯化鉀、氯化鈉、氯化銨、硫酸鈉、肌酸、肌酐、葡萄糖、尿素、TTCA、尿酸等為分析純，均為市售試劑，使用前不需要進(jìn)一步純化;試驗(yàn)用水為一次純化水。

1.2 儀器工作條件

1.2.1 熒光分光光度計(jì)

激發(fā)波 長(zhǎng)(λex)335 nm，發(fā)射波 長(zhǎng)(λem)546 nm;掃描速率1 000 nm·min－1;激發(fā)狹縫寬度10 nm;掃描范圍450～650 nm。

1.2.2 表征儀器

熱重分析儀:升溫速率20 ℃·min－1;工作氣和保護(hù)氣均為氮?dú)?溫度范圍25～800 ℃。PXRD儀:銅鈀;管電壓40 k V;管電流40 m A;掃描速率12.5°·min－1;掃描范圍5°～90°。紅外光譜儀:溴化鉀壓片;掃描范圍400～4 000 cm－1;分辨率4.0。熒光顯微鏡:目鏡×10;物鏡×10;工作距離4 mm;數(shù)值孔徑(NA)0.25。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 Tb-MOF的制備

總而言之，新課改下的初中英語(yǔ)課堂應(yīng)該是學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、主動(dòng)探究的課堂，教是為了做到不教，教師要從課前預(yù)習(xí)過(guò)程中正確引導(dǎo)做起，在課前預(yù)習(xí)、課堂引導(dǎo)以及教學(xué)評(píng)價(jià)過(guò)程中教會(huì)學(xué)生學(xué)習(xí)，鍛煉初中生的能力，鼓勵(lì)他們積極進(jìn)取，讓學(xué)生在有限的英語(yǔ)學(xué)習(xí)時(shí)間內(nèi)獲得最佳學(xué)習(xí)效果，獲得更多收獲。

參考文獻(xiàn)[17]制備Tb-MOF。將90.6 mg六水合硝酸鋱，69.3 mg H4L和8 mL水混合均勻，密封后置于25 mL 內(nèi)襯為聚四氟乙烯的耐高壓不銹鋼反應(yīng)釜中，于120℃加熱72 h。冷卻至室溫，所得產(chǎn)物用水洗滌，室溫下自然風(fēng)干。計(jì)算產(chǎn)物產(chǎn)率，結(jié)果為37%。

1.3.2 TTCA 的檢測(cè)

取24 mg制備好的Tb-MOF分散到24 mL水中，形成1 g·L－1的Tb-MOF分散懸浮液，超聲約10 min，放置12 h后再超聲3 min，按照1.2.1節(jié)儀器工作條件測(cè)試。在200μL 模擬尿液中加入適量TTCA，和上述處理好的Tb-MOF 分散懸浮液2 mL混合，超聲約10 min，放置12 h 后再超聲3 min，按照1.2.1節(jié)儀器工作條件測(cè)量體系的熒光強(qiáng)度I。同時(shí)測(cè)量不加TTCA 時(shí)空白樣品溶液的熒光強(qiáng)度I0。

2 結(jié)果與討論

2.1 表征結(jié)果

H4L、Tb-MOF 以 及Tb-MOF 與TTCA 作用后干燥所得的Tb-MOF＋TTCA 固體的紅外光譜圖、熱重曲線、PXRD 圖如圖1所示。

由圖1(a)可知:Tb-MOF的紅外光譜特征峰主要出現(xiàn) 在3 641 cm－1(w)、3 340 cm－1(m)、1 663 cm－1(s)、1 580 cm－1(s)、1 472 cm－1(w)、1 394 cm－1(s)、1 294 cm－1(m)、1 220 cm－1(m)、996 cm－1(m)、861 cm－1(m)、766 cm－1(m)、687 cm－1(s)、636 cm－1(m)、530 cm－1(w)處(其中s，m，w 分別代表紅外光譜吸收強(qiáng)度為強(qiáng)、中等、弱)，與文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果一致[17]，表明該反應(yīng)合成了Tb-MOF;H4L紅外光譜圖中1 568～1 720 cm－1處和Tb-MOF紅外光譜圖中1 663 cm－1處存在特征吸收峰，歸因于H4L 未配位羧基的不對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng);Tb-MOF紅外光譜圖中1 394～1 580 cm－1處存在強(qiáng)特征吸收峰，歸因于為羧基中氧原子與Tb3＋配位鍵的伸縮振動(dòng)。由圖1(b)可知:100～390 ℃的質(zhì)量損失率為11.60%，和理論值12.54%基本一致，源于Tb-MOF失去3個(gè)配位水分子和1個(gè)客體水分子;Tb-MOF 在400 ℃以?xún)?nèi)保持穩(wěn)定，繼續(xù)升溫Tb-MOF骨架才會(huì)坍塌和分解，說(shuō)明Tb-MOF熱穩(wěn)定性良好。由圖1(c)可知:Tb-MOF 在2θ為5°～20°處的衍射峰和模擬Tb-MOF 單晶的基本一致，衍射峰峰形尖銳，說(shuō)明制備的Tb-MOF 晶體結(jié)構(gòu)良好，但是由于制備的Tb-MOF 的產(chǎn)率只有37%，材料的純度不高，未觀察到2θ在26°～28°處的特征衍射峰;Tb-MOF＋TTCA 的衍射峰和Tb-MOF的一致，說(shuō)明Tb-MOF與TTCA 并不是通過(guò)Tb-MOF骨架坍塌來(lái)進(jìn)行熒光傳感識(shí)別的。

圖1 紅外光譜圖、熱重曲線和PXRD圖Fig.1 Infrared spectrograms，thermogravimetric curve and PXRD patterns

2.2 熒光性能結(jié)果

2.2.1 Tb-MOF固態(tài)熒光

對(duì)Tb-MOF 的固態(tài)熒光性能進(jìn)行測(cè)試，546 nm發(fā)射波長(zhǎng)下Tb-MOF 的激發(fā)光譜、335 nm激發(fā)波長(zhǎng)下TB-MOF的發(fā)射光譜以及Tb-MOF的熒光顯微鏡圖如圖2所示。

圖2 Tb-MOF的熒光激發(fā)光譜、發(fā)射光譜和熒光顯微鏡圖Fig.2 Fluorescence excitation spectrum，emission spectrum and fluorescence microscope image of Tb-MOF

由圖2可知:Tb-MOF 的激發(fā)波長(zhǎng)為335 nm，在該激 發(fā)波長(zhǎng) 下，Tb-MOF 在491，546，586，621 nm 處有特 征發(fā)射 峰，分別對(duì) 應(yīng) Tb3＋的5D4→7F6、5D4→7F5、5D4→7F4和5D4→7F3躍遷，其中546 nm 處對(duì)應(yīng)的5D4→7F5躍遷熒光強(qiáng)度最大，發(fā)出特征強(qiáng)綠色熒光，這與文獻(xiàn)[17]的報(bào)道結(jié)果一致;Tb-MOF粒子呈塊狀，在熒光顯微鏡下發(fā)綠色熒光，粒徑約220μm，顆粒較為細(xì)小。因此，試驗(yàn)選擇在發(fā)射波長(zhǎng)546 nm 處檢測(cè)。

在2 mL 1 g·L－1的Tb-MOF分散懸浮液(空白)中加入等體積0.01 mol·L－1氯化銨、氯化鉀、肌酸、肌酐、氯化鈉、硫酸鈉、葡萄糖、尿素、尿酸溶液，所得發(fā)射光譜如圖3(a)所示。在上述各模擬尿液組分添加前后再分別加入適量TTCA，使其濃度達(dá)到3.125 mmol·L－1，加入前后體系的相對(duì)熒光強(qiáng)度(相對(duì)于空白)如圖3(b)所示。

由圖3可知:1 g·L－1的Tb-MOF分散懸浮液特征發(fā)射峰分別位于491，546，586，621 nm 處，和固態(tài)熒光發(fā)射光譜的基本一致，說(shuō)明Tb-MOF的水穩(wěn)定性較好;不添加TTCA 時(shí)，氯化銨、氯化鉀、肌酸、肌酐、氯化鈉、硫酸鈉、葡萄糖、尿素、尿酸體系的相對(duì)熒光 強(qiáng)度分別為98.19%，96.97%，95.15%，94.88%，93.93%，93.43%，93.03%，89.27%，57.43%，其中尿酸對(duì)Tb-MOF 有一定的熒光猝滅效果，加入其他尿液組分時(shí)體系的熒光強(qiáng)度和空白的相差不大，熒光猝滅效果不明顯，這和365 nm 紫外燈下肉眼觀察到的熒光猝滅效果基本一致;添加了TTCA 后，前8種組分的相對(duì)熒光強(qiáng)度和空白的相對(duì)誤差絕對(duì)值在5.0%以?xún)?nèi)，說(shuō)明氯化銨、氯化鉀、肌酸、肌酐、氯化鈉、硫酸鈉、葡萄糖、尿素對(duì)TTCA 的檢測(cè)干擾不大，加了尿酸的體系的相對(duì)誤差絕對(duì)值大于5.0%，說(shuō)明尿酸對(duì)TTCA 的檢測(cè)干擾較大，故在檢測(cè)尿液中TTCA 時(shí)，需注意尿酸的干擾，并通過(guò)適合的方法消除。另外，尿液中可能含有蛋白質(zhì)，其干擾試驗(yàn)還待進(jìn)一步開(kāi)展。

圖3 各尿液組分中TTCA 加入前后Tb-MOF分散懸浮液的熒光發(fā)射光譜和相對(duì)熒光強(qiáng)度Fig.3 Fluorescence emission spectra and relative fluorescence intensity of Tb-MOF disperse suspension before and after adding various urine components and TTCA

2.3 線性關(guān)系和檢出限

方法學(xué)考察是量化傳感器材料性能的關(guān)鍵過(guò)程，通過(guò)在1 g·L－1的Tb-MOF分散懸浮液中逐步添加0.01 mol·L－1TTCA 標(biāo)準(zhǔn)溶液的方法確定線性參數(shù)，所得I0/I隨TTCA 濃度變化的曲線如圖4所示。

圖4 I0/I 隨TTCA 標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度變化的曲線Fig.4 Curve showing changes of I0/I with the concentration of TTCA standard solution

結(jié)果顯示，I0/I隨著TTCA 濃度的增加而增加。在低濃度水平范圍內(nèi)(25～196μmol·L－1)，以I0/I為縱坐標(biāo)，TTCA 濃度為橫坐標(biāo)進(jìn)行線性擬合，所得線性回歸方程為y＝4 687x＋1，相關(guān)系數(shù)為0.986 9，符合斯頓-伏爾莫(Stern-Volmer)方程(I0/I＝1＋Ksv×[M]，式中Ksv為猝滅速率常數(shù)，本方法 中[M]為T(mén)TCA 的濃度)，即Ksv為4 687 L·mol－1。

按照儀器工作條件重復(fù)測(cè)定1 g·L－1Tb-MOF分散懸浮液的熒光強(qiáng)度11次，計(jì)算I0/I的標(biāo)準(zhǔn)偏差(s)，以3s與低濃度水平的Ksv的比值計(jì)算檢出限，所得結(jié)果為3.84×10－2μmol·L－1。

2.4 穩(wěn)定性試驗(yàn)

制備5份1 g·L－1的Tb-MOF 分散懸浮液，測(cè)量其熒光強(qiáng)度，放置12 h后再次測(cè)量，熒光強(qiáng)度較初始值下降了9%，相對(duì)熒光強(qiáng)度的RSD 為3.7%，說(shuō)明Tb-MOF分散懸浮液在12 h內(nèi)穩(wěn)定性良好。

2.5 熒光猝滅機(jī)理

Tb-MOF 的發(fā)光性能主要依賴(lài)于具有剛性骨架結(jié)構(gòu)的多元羧酸配體H4L，為進(jìn)一步了解TTCA對(duì)Tb-MOF 的熒光猝滅機(jī)理，研究了TTCA 和配體H4L 室溫固態(tài)熒光特性，所得圖譜如圖5所示。

由圖5可知，TTCA 在278，322 nm 處的吸收峰和配體H4L 激發(fā)帶(280～335 nm)有重疊。根據(jù)文獻(xiàn)[18-20]報(bào)道，如果熒光供體的激發(fā)光譜與分析物的吸收帶有重疊，則配體與分析物間可能產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)性能量吸收。

圖5 TTCA 與H4 L室溫固態(tài)熒光光譜Fig.5 Room temperature solid state fluorescence spectra of TTCA and H4 L

為進(jìn)一步驗(yàn)證這一猜想，比較了TTCA 的紫外吸收光譜和Tb-MOF 的激發(fā)光譜，結(jié)果如圖6所示。

圖6 Tb-MOF分散懸浮液的激發(fā)光譜(λem＝546 nm)和TTCA 標(biāo)準(zhǔn)溶液的紫外吸收光譜Fig.6 Excitation spectrum of Tb-MOF dispersed suspension(λem＝546 nm)and ultraviolet absorption spectrum of TTCA standard solution

結(jié)果表明，TTCA 標(biāo)準(zhǔn)溶液的紫外吸收峰和Tb-MOF 分散懸浮液的激發(fā)光譜有部分重疊(250～365 nm)，使得從配體轉(zhuǎn)移到Tb3＋的能量減少，進(jìn)而導(dǎo)致熒光猝滅，說(shuō)明熒光猝滅可能來(lái)源于配體和分析物的競(jìng)爭(zhēng)吸收[20-21]。

本工作采用水熱法制備Tb-MOF，通過(guò)傅里葉紅外光譜儀、PXRD 儀以及熱重分析儀確定其組成和結(jié)構(gòu)，并成功用于模擬尿液中TTCA 的檢測(cè)。本方法具有較好的抗干擾性、選擇性和檢出限，在實(shí)際應(yīng)用中具有重要意義。