一种新型的罗丹明席夫碱探针在水环境中检测铜离子的应用

秦红霞　顾峥烨　光善仪

摘      要： 为快速、高效地检测环境中的Cu²⁺，以罗丹明B酰肼与2-羟基-4-甲基苯甲醛为起始原料，采用一步反应法制备了一种新型的罗丹明席夫碱探针（（E）-3'，6'-双（二乙氨基）-2-（（2-羟基-4-甲基亚苄基）氨基）螺[异二氢吲哚-1，9'-呫吨]-3-酮，简称RHHM），研究表明该探针可以高选择性的识别Cu²⁺。将该探针应用于湖水和自来水中Cu²⁺的检测，其加标回收率均在94%以上，检测结果具有很高的准确性和可靠性。并将该探针制备成一种便携式试纸条，结果表明该试纸条具有检测方便、快速的优点。

关  键  词：探针;罗丹明-席夫碱衍生物;Cu²⁺;水环境

中图分类号：O657.3       文献标识码： A      文章编号： 1671-0460（2020）07-1273-05

A novel Rhodamine Schiff Base Probe for Detection of Cu2+ in Water

QIN Hong-xiaa， GU Zheng-yeb， GUANG Shan-yia*

（a. College of Chemistry， Chemical Engineering and Biotechnology， Key Laboratory of Science & Technology of Eco-Textile Ministry of Education;

b. Research Center for Analysis and Measurement & College of Materials Science and Engineering， State Key Laboratory for Modification of Chemical Fibers and Polymer Materials， Donghua University， Shanghai 201620， China）

Abstract： A noval Rhodamine Schiff base probe named （E）-3'，6'-bis（diethylamino）-2-（（2-hydroxy-4-methylbenzy -lidene）amino）spiro[isoindoline-1，9'-xanthen]-3-one （RHHM） was prepared by one-step reaction. The research result showed that this probe had high selectivity for Cu²⁺. When the probe was applied in the detection of Cu²⁺in lake water and tap water， the recovery rate was up to 94%. It has been further proved that this probe can achieves satisfied accuracy in the detection of Cu²⁺in water. Finally， a kind of portable test strip was prepared by using this probe to detect Cu²⁺. The results showed that this test strip was convenient and fast in detection of Cu²⁺.

Key words： Probe; Rhodamine-Schiff base derivative; Cu²⁺; Water environment

金屬离子与人类健康和环境污染息息相关。铜作为一种微量元素，在有机生物体的肝、脑、肾中发挥着非常重要的作用^[1-2]。铜含量过高或者过低都会影响人的身体健康。铜离子含量过低会引起骨质疏松，铜离子含量过高，轻者引起嗜睡和血压升高，重者会引起神经性疾病，例如帕金森病，朊病毒和阿尔茨海默病等^[3]。目前检测金属离子的方法有很多，比如：原子吸收/发射光谱（AAS/AES）、电感耦合-质谱连用（ICP-MS）、电化学法等，但是这些方法由于仪器设备昂贵、操作复杂、携带不方便而使实际应用受限。因此寻找一种能够快速、准确、简便地检测Cu²⁺的方法，对于环境污染修复和人体健康等具有重要的意义。荧光探针因具有选择性好，灵敏度高，仪器成本低，操作简单，分析速度快等优点已成为科研工作者研究的热点。荧光探针的种类十分丰富^[4-6]，如荧光素荧光染料、罗丹明荧光染料、萘酰亚胺荧光染料等。罗丹明类染料是以罗丹明为母体，通过多种官能团修饰的一系列衍生物，具有氧杂蒽环刚性平面结构，闭环无色无荧光，开环显色有荧光^[7]。因其具有良好的光稳定性、较大的摩尔吸收系数以及高的荧光量子产率等优点，从而成为设计荧光探针较理想的荧光团^[8]。席夫碱^[9]是指含有亚氨基（HC=N）或烷亚氨基基团（RC=N）的一类有机化合物。其C=N键上的N原子含有孤对电子，容易与金属离子配位形成配合物，此外席夫碱配基含有共轭芳环结构，所以具有强的光吸收能力，易发生分子内能量转移。因此，多齿的席夫碱配基是一种兼具有配位螯合和敏化发光双重功能的配基^[10]。近年来，已经报道了很多用于检测Cu²⁺的探针，然而多数探针存在水溶性差^[11]以及受到其他金属离子的干扰^[12]等问题，因此，设计一种高选择性、水溶性好、检测方便、高效快速的探针具有重要的科学价值。

本文将罗丹明B酰肼与2-羟基-4-甲基苯甲醛通过一步反应制得新型罗丹明席夫碱探针RHHM。研究发现RHHM可以高选择性的识别Cu²⁺，对水环境中Cu²⁺的检测具有很高的准确性和可靠性，并可制备成便携式试纸条，实现裸眼识别快速检测Cu²⁺的效果。

1. 实验部分

1.1  主要仪器及试剂

Perkin Elmer UV/Vis Spectrometer Lambda 35;

CuSO₄·5H₂O，DMSO均为分析纯，均通过国药化学试剂有限公司购买得到，探针RHHM为本实验室自己合成。

1.2  实验方法

探针储备液的配制：准确称量0.1437 g RHHM溶于二甲基亚砜溶剂中，在250 mL容量瓶内定容，配制成10^-3mol浓度溶液。

铜离子储备液的配制：准确称取10^-1mol质量的铜离子盐固体溶于二甲基亚砜中，100 mL容量瓶内定容后配制成10^-2mol浓度离子储备液。

1. 结果与讨论

RHHM结构见图1。

2.1  RHHM光学性能分析

2.1.1  探针识别的光谱性能

图2为RHHM和RHHM+Cu²⁺的紫外-可见吸收光谱。从图中可以看出，探针RHHM本身在560 nm处没有吸收峰，Cu²⁺加入后，在560 nm处出现吸收峰，并且可以观察到溶液颜色由无色变为粉红色，这表明RHHM可以选择性地识别Cu²⁺，并形成了络合物。

2.1.2  不良溶剂水的影响

测试不良溶剂水的影响对于探针的实际应用具有重要意义，因此研究了不同含水量（0%，1%，5%，10%，20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%，90%）对RHHM及RHHM+Cu²⁺吸光度的影响，如图3所示，由于探针本身的吸光度很弱，因此含水量对RHHM本身影响很小，对于RHHM+Cu²⁺，其吸光度随水含量的增加先升高后减小，水含量为50%时吸光度最大，因此选择DMSO/HEPES（1/1， v/v）进行实验，这也为探针实际应用于水环境中Cu²⁺的检测提供了条件。

2.1.3  时间响应

测试了RHHM与Cu²⁺的响应时间，如图4所示，吸光度随着时间的延长而逐渐增强，当时间为160 s时，吸光度基本达到稳定，说明RHHM与Cu²⁺的响应时间为160 s，反应非常快速。

2.1.4  离子选择性

图5为在DMSO/HEPES（1/1， v/v）溶液中，反应160 s时，RHHM（10.0 μmol）对不同金属离子

（10.0 μmol）选择性识别的吸收光谱图。从图中可以看出探针RHHM本身在560 nm没有吸收峰，加入金属离子后，只有Cu²⁺在560 nm出现了一个新的吸收峰，并伴有溶液颜色变化，由无色变为粉红色，而其他金属离子没有响应，这表明RHHM可以高選择性的识别Cu²⁺，无其他离子的干扰。

2.1.5  检出限及络合常数

为了探究RHHM对Cu²⁺检测的灵敏度，做了紫外滴定实验。如图6所示，从图中可以看出探针RHHM在560 nm处没有吸收峰，随着Cu²⁺的加入，RHHM+Cu²⁺在560 nm处的吸收峰逐渐增强并且溶液颜色逐渐变深。图7为相对吸光强度A/A₀和Cu²⁺浓度的线性关系曲线。根据Stern-Volmer理论^[13]，确定了探针RHHM对Cu²⁺进行检测时的线性范围和检出限等参数，从图中可以看出Cu²⁺浓度在0.1～10 μmol范围内与RHHM+Cu²⁺体系的吸光度呈现良好的线性关系，线性方程为：y=0.099x+0.015，相关系数R²=0.997，其最低理论检出限（3σ/k）为0.1 μmol。图8为相对吸光强度的倒数[1/A-A₀]和Cu²⁺浓度的倒数1/[Cu²⁺]的线性关系曲线，基于Benesi-Hildebrand方程^[14]，通过图中的斜率和截距计算得络合常数为7.5×10⁵mol^-1，由此表明探针RHHM与Cu²⁺形成了稳定的络合物。

2.2  探针FHHM的应用研究

2.2.1  探针RHHM在水环境中的应用

（1）水样的提取与预处理

为了提高探针的实际应用价值，探究了探针RHHM分别在自来水和湖水中对Cu²⁺的检测。首先利用带有坠子的采样瓶采取不同方向（东南西北）的流动水层表面的水样约500 mL，再利用绝缘式采木器，采取不同方向（东南西北）不同深度的水样，最后将采取的8个水样进行均匀混合，新提取的湖水中含有大量的沉淀和悬浮物，首先对湖水静置24 h，再取上层溶液进行抽滤，保留滤液，使用透析膜对滤液进行多次透析。最终得到本文章用于实验检测的湖水。

（2）对自来水和湖水中Cu²⁺的检测

由2.1.4知RHHM对Cu²⁺的检测具有高的选择性，由2.1.5知RHHM对Cu²⁺检测的线性范围为0.1～10.0 μmol，本文章分别取湖水和自来水溶液10组，将湖水和自来水溶液各5组加入2 μmol的Cu²⁺，另外的10组加入5 μmol的Cu²⁺，所用探针浓度10^-5mol，溶液为DMSO/HEPES （1/1， v/v）。每组实验进行5次，求标准偏差。由

表数据可知，每组实验的回收率在94%以上，表中测得的结果与实际含有的Cu²⁺的量基本保持一致，且湖水和自来水中其他的成分均没有干扰。通过对水环境中Cu²⁺的加标回收率实验可以看出该探针对于水中Cu²⁺的检测具有准确性和可靠性。

2.2.2  便携试纸的制作

为了使探针RHHM在实际应用中更方便，本文章将探针做成便携试纸条，来研究探针RHHM试纸条在实际应用中的可行性。将试纸条完全浸泡在含有探针（0.01 mol）的DMSO-HEPES（1/1， v/v）溶液中，然后在真空烘箱中干燥24 h，制得便携试纸条。从图9当在试纸条上滴上Cu²⁺后，RHHM试纸条迅速由无色变为粉红色，可用于裸眼观察，并且随着滴加Cu²⁺浓度的增大，RHHM试纸条的颜色逐渐变深，因此其可用于不同浓度Cu²⁺的检测。

3  结论

本文利用罗丹明B酰肼与2-羟基-4-甲基苯甲醛制备了新型罗丹明席夫碱探针RHHM，利用紫外吸收光谱对RHHM的光学性能进行了研究，结果表明，探针RHHM在DMSO/HEPES （1/1， v/v）的溶液中，表现出了对Cu²⁺的高度选择性，并且可以通过肉眼观察到明显的颜色变化，加入Cu²⁺后，溶液颜色由无色变为粉红色，检测时间为160 s，响应速度快，对Cu²⁺检测的线性范围为0.1～10 μmol，最低理论检出限（3σ/k）为0.1 μmol，络合常数为7.5×10⁵mol^-1。最后将探针RHHM应用到实际水环境中，研究了其对湖水和自来水中Cu²⁺的检测情况，发现在线性范围内探针可以定量检测湖水和自来水中的Cu²⁺，回收率均在94%以上，并且制作了RHHM便携式试纸条，达到裸眼快速检测Cu²⁺的效果。

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