基于卟啉及其衍生物的硫化氢检测进展

陈 露 张 璇尹耀新 魏峥嵘 黎厚斌

1.武汉大学印刷与包装系湖北 武汉 430079

2.甘肃银光化学工业集团甘肃 白银 730000

0 引言

硫化氢（H2S）是一种具有臭鸡蛋气味的无色水溶性酸性物质，主要来源于有机物分解、细菌厌氧还原、农业生产、废物处理和石油精炼等过程。H2S具有较高的亲水性、亲核性、亲金属性和氧敏感性，是一种良好的还原剂，但也具有腐蚀性和毒性，且毒性是一氧化碳（CO）的5倍，对人体和环境都不友好。长时间吸入H2S会破坏人体的呼吸道和神经系统，引起肝硬化、阿尔茨海默病等多种疾病，严重时会致死[1-3]。H2S致死性的暴露-反应曲线非常陡峭，即浓度比接触时间对致死性的影响更大，例如持续6 h暴露在体积分数为0.015%的H2S中，或持续8.5 min暴露在体积分数为0.065%的H2S中都有可能致死[4]。

过去人们只关注到H2S的对人体和环境的危害，然而自1989年在大鼠体内发现内源性H2S以来[5]，再到1996年人体内源性H2S首次被证明可作为一种神经活性物质，H2S的生理学重要性越来越受到重视[6]。近年来已证明H2S是继一氧化氮（NO）和一氧化碳（CO）之后第三个重要的内源性气体信号分子。生物体内H2S代谢异常会导致一系列病理紊乱，如高血压、心力衰竭、糖尿病、肝硬化、炎症、败血症和哮喘等疾病[7]。所以，研究环境和生物体内的H2S浓度的检测方法非常重要。

卟啉及其衍生物凭借其优秀的化学稳定性和光学敏感性，在传感材料领域有着不可忽视的地位。目前已有大量针对卟啉电化学传感器、卟啉光学传感器和卟啉可视性传感器等多种传感器的研究，并成功应用于氨气、三甲胺、三乙胺、甲醇、乙醇、甲醛、二氧化氮、二氧化硫、盐酸等多种小分子的检测[8-11]，以及S2-、Cu2+、Pb2+、Hg2+、Cd2+等多种离子的检测[12-14]，涉及工业、食品、医学等多个领域[15-16]。因此卟啉可以满足在不同领域针对不同状态H2S的检测，是潜在H2S检测的优良材料。

1 硫化氢检测方法

H2S检测方法有碘量法[17]、光谱法[18-19]、电化学法[20-21]、色谱法、金属诱导沉淀法和表面增强拉曼散射法等。其中碘量法、电化学法、光谱法是最常见的H2S检测方法。

1.1 碘量法

碘量法主要应用于检测天然气中的H2S浓度。根据 GB/T 11060.1—2010《天然气 含硫化合物的测定 第1部分：用碘量法测定硫化氢含量》， 碘量法对H2S含量的测定范围为0～100%。检测方法是利用乙酸锌收集H2S气体生成硫化锌沉淀，再用过量的碘溶液与硫化锌进行反应，最后用硫代硫酸钠标准溶液滴定，用滴定的体积变化间接计算H2S的浓度[22]。其气体吸收装置如图1所示，反应原理如下：

在实际操作过程中，滴定管体积、玻璃温度计测量天然气温度、气体流量计测量天然气流量的不确定性是影响碘量法测试结果不确定性的重要因素，所以在测量时要尽量减少相关不确定性的影响，以提升检测结果的准确性[23]。姜琛等[24]优化了国标GB/T 11060.1—2010中的取样体积和流量，得出当流量为500 mL/min时，取样体积大于20 L比较合适；当H2S质量浓度低于20 mg/m3时，取样时流量为750 mL/min比较合适的结论。优化后的取样时间可从原来的100～200 min最多缩短至40 min。

碘量法除了可以测试天然气中的H2S之外，还能应用于测试废水、土壤中的硫化物[25]。碘量法测量范围比较广，不需要复杂的仪器设备且成本较低、方法准确可靠，但是对操作者要求较高，操作繁琐且耗时较长，无法满足目前快速无损检测的发展需求，应用领域非常受限。

1.2 电化学法

电化学法检测H2S是基于H2S和检测材料发生物理化学反应，其中主要是二价硫原子参与氧化还原反应，从而影响电化学系统的输出电流、电压等。电化学法具有良好的选择性和灵敏度、操作简单，能自动化等特点，使其在H2S检测方面具有较好的应用前景。目前电化学法已成功应用于检测原料燃油[26]、生物体内[27]、食品腐败[29]、生物细胞[29]的H2S。除传统的电化学传感器以外，J. Sarfraz等[30]制备了不可逆光电响应的醋酸铜基H2S传感器，在室温下通过可视性颜色变化检测H2S，可实现室温下高灵敏、高选择地检测H2S，且有望在食品包装和环境检测领域使用。M. Asad等[31]制备了基于纳米铜修饰单壁碳纳米管（single wall carbon nanotube，SWCNT）柔性H2S气体传感器，其结构如图2所示，能够在室温下快速稳定地检测体积分数为0.002%的H2S。M.ZLÁMALOVÁ等[32]采用电位循环法制备了聚合物亚甲基蓝（HOPG/pMB）修饰的高取向热解石墨电极，能在含有亚甲基蓝单体的水溶液中检测H2S。杜方凯等[33]利用S2-与Cd2+的结合，制备了氮掺杂石墨烯量子点与硫化镉纳米晶结合的硫化氢传感器，检测限可以达到6.7×10-11mol/L。

电化学法检测H2S主要是检测其中的硫原子。在各种混合气体中，对H2S具有较好的选择性，但是如果混合物中混有其余含硫杂质时，则无法准确检测H2S含量，所以电化学检测方法只适用于不存在或存在极少量含硫杂质情况下的H2S检测[34]。此外，电化学仪器容易微型化和批量生产，是便携式H2S检测仪器较好的研究方向。

1.3 光谱法

光谱法是基于物质的光谱会随其结构的变化而变化来测量被测物含量的方法，荧光传感器是目前在H2S检测中最常用的光谱仪器之一。Yu C. M. 等[35]将H2S萘酰亚胺叠氮化物通过共价耦合作用结合到氨基涂层碳点（carbon dots，CD）表面，制备了碳点比率荧光传感器。该传感器在接触H2S后，荧光颜色从蓝色变成绿色（见图3），并成功应用于检测水和生物体内的H2S。N. Thirumalaivasan等[36]为了降低探针检测时间和检测限，将叠氮化物还原为胺，通过分子内1,6消除对氨基苄基，释放1-氨基戊二烯，从而恢复荧光强度。并基于此原理制备了吡喃啉H2S荧光传感器（pyrene-based fluorescent probe，PyN3）（见图4），具有良好的选择性，能够在生物pH范围内选择性检测H2S。张珊等[37]建立了苯二胺-Fe(Ⅲ) 体系荧光分光光度法检测水中痕量H2S，对检测环境中H2S具有潜在应用价值。

光谱法检测H2S相比于其它检测方法拥有较高的选择性和敏感性，可以检测水环境和生物体内的H2S，是医学检测H2S的重要手段。但是其检测仪器成本高，需要配备专业人员操作，所以一般应用于检测要求较高的研究领域。

2 卟啉的结构及性质

卟啉及其衍生物在自然界和生物体中广泛存在（如血蓝素（铜卟啉）、血红素（亚铁原卟啉）、维生素等），并且在医学领域应用广泛[38]。

卟啉是由4个吡咯环通过亚甲基桥联而成，具有18个π电子的大环共轭芳香化合物。卟啉及其配合物在碱性环境下容易失去吡咯环中心两个N—H质子形成二价阴离子卟啉，在酸性环境下会得到两个质子形成二价阳离子卟啉[39]。由于卟啉中心吡咯环拥有0.2～0.3 mm的空腔直径，恰巧同氮原子与过渡系金属的共价半径之和匹配，所以卟啉中心与过渡金属离子配位的能力很强，易与Fe2+、Fe3+、Mg2+、Co2+、Cu2+等金属离子形成金属卟啉配合物[40-41]。卟啉在酸碱条件下的反应及与过渡金属的配位原理如图5所示。

金属卟啉在生命体内广泛存在，并在生命体的生命代谢过程中扮演着重要角色，例如血红素（铁卟啉类）可以在生物血管中传递氧气（O2）和二氧化碳（CO2），叶绿素（镁卟啉类）是光合作用色素。大量研究结果表明，生物体内的卟啉可以传输H2S，如单节显性的血红素[42]。

此外，卟啉及其衍生物在分子间会产生π-π共轭作用，使其容易形成卟啉纳米结构。纳米卟啉具有纳米材料的更小尺寸、更大接触面积以及宏观量子隧道效应等优势，拥有比单体卟啉更好的灵敏度，是目前卟啉在气体检测中的重要研究方向。

3 卟啉在H2S检测中的研究与应用

H2S具有亲酸性和亲金属性，容易与卟啉及金属卟啉发生物理化学反应。同时卟啉在酸性条件下会发生聚集，其表面形态结构和光谱性质会发生变化。所以卟啉和金属卟啉在H2S检测中具有良好的研究前景，目前卟啉及金属卟啉在H2S检测中的研究主要集中在光波导传感器、电化学传感器和荧光探针等方面。

3.1 卟啉与H2S的反应原理

非金属卟啉与H2S的反应主要是H+和卟啉中心吡咯环的N原子结合，形成二价阳离子卟啉。金属卟啉与H2S的反应更复杂多样，目前已有许多针对主要硫化物（H2S、HS-、S8）与金属卟啉反应原理的探索，发现H2S与金属卟啉反应主要是HS-与卟啉环中心的金属原子相结合，具体研究结果如表1所示。

表1 不同金属卟啉与硫化物（H2S、HS-、S8）的结合方式Table 1 The binding principle of different metalloporphyrins with sulfides (H2S、HS-、S8)

3.2 卟啉在H2S检测中的应用

3.2.1 光波导传感器

光波导传感器（optical waveguide，OWG）体积小、结构简单，一般由衬底、波导层和敏感元件构成。其检测原理为气敏元件与被测物质接触时，会引起敏感元件的物理化学性质发生变化，进而引起传播光的吸收、反射、散射、透射、色散和荧光淬灭等光学性质变化，利用光信号的变化可定性或定量检测被测气体[50-51]。

姑力米热·吐尔地[51]将四苯基卟啉（tetraphenylporphyrin，TPP）涂敷于玻璃光波导表面制作电化学传感器，该传感器可在室温下检测H2S气体，同时证明质子化TPP溶液作为传感器材料的选择性不如气相质子化TPP。G. Tuerdi等[52]将四（4-硝基苯基）卟 啉（tetrakis (4-nitrophenyl) porphyrin，TNPP） 作为敏感材料，利用旋涂法在玻璃上制备了TNPP和Nafion-卟啉（Nf-TNPP）薄膜平面光波导传感器来检测H2S气体。结果显示Nf-TNPP对H2S气体的光学响应更敏感、更稳定，且其光学信号强度与H2S浓度呈线性关系（R=0.99），能较好地定量检测H2S浓度，能检测体积分数为10-9的H2S气体。G.Mamtmin等[53]选用5,10,15,20-四（s4-甲氧基）卟啉（5,10,15,20-tetrakis-(4-methoxyphenyl) porphyrin，TMP），利用自旋涂层在K+离子交换玻璃表面沉积的方法，制备了TMP平面光波导气体传感器，如图6所示。检测器接触H2S时其颜色从红变绿，对体积分数为10-6的H2S的响应时间小于7 s。不同H2S卟啉光波导传感器的检测效果对比如表2所示。光波导传感器检测H2S会发生明显的颜色变化，在可视H2S检测方面具有潜在研究价值。

表2 不同H2S卟啉光波导传感器的检测限及传感器颜色变化Table 2 Limit of detection and color changes of different H2S porphyrin optical waveguide sensor

3.2.2 电化学传感器

卟啉作为有机半导体材料，在与被测物质接触时，卟啉中心环上的最高占据分子轨道（HOMO，highest occupied molecular orbital）和最低空轨道（lowest unoccupied molecular orbital，LUMO）与被测物质之间存在电子得失，导致其电导率发生变化[54]。电化学传感器可将被测物与受体之间的化学反应转变成电信号，实现对被测物的定性和定量检测。

J. A. Bennett等[55]在2012年，发现氰化物配位的meso-四（4-羧基苯基）铁卟啉（(CN)2-FeTCPP）作为电极材料，在H2S检测中的潜在应用价值，但该传感器对H2S浓度升高的响应有限，对H2S的选择性检测效果需进一步提高。J. A. Bennett等[44]使用氰化物配位的铁原卟啉（(CN)2-FePP）替代(CN)2-FeTCPP作为电催化材料检测H2S，获得了良好的检测效果。其电极制作方法和检测原理如图7所示，先将铁原卟啉（FePP）沉积到电极表面；然后将KCN的CN-离子配位到卟啉中心的Fe3+上。H2S 或HS-接近已配位的Fe3+时发生氧化还原反应，将Fe3+还原成Fe2+，H2S 或HS-被氧化成S；再通过在卟啉修饰电极上施加适当的电位，电子将通过隧道穿过卟啉到达电极，将中心Fe2+重新氧化为Fe3+。实验结果表明(CN)2-FePP作为电催化材料能够在0.15 V的电位下检测到浓度为50 μmol/L的H2S。其团队还在进一步优化此材料，以便应用到H2S检测的气敏传感器中。

3.2.3 荧光探针

荧光探针法是将被测物的物理和化学性质变化信息转换为可监测的荧光信号。当被测物与荧光探针相互作用时，探针的荧光信号会发生改变（如增强、减弱和偏移等），从而实现对被测物的定性和定量检测。荧光探针对各种生物样品都具有较好的相容性，从而在对生物体内H2S的检测方面具有很好的应用前景。

Ma Y. 等[48]用Meso-四（4-羧基苯基）卟啉制作了一种Cu(II)金属化三维多孔纳米金属有机框架（metal-organic frameworks，MOFs）{CuL[AlOH]2}n荧光探针。该荧光探针与H2S反应会产生CuS沉淀，且具有高灵敏度和高选择性。在20 mmol/L的平衡盐溶液中加入20 μmol/L 的NaHS，探针的响应时间约为100 s。同时高浓度的NO不会影响该荧光探针对H2S的检测效果，并且将该探针成功应用于活细胞中的H2S检测。S. Mirra等[47]选用KSH作为H2S供体，利用铜卟啉（copper protoporphyrin IX，CuPPIX）成功设计了能够检测水环境中H2S的荧光探针。实验结果显示，该探针可以选择性地检测水溶液中的H2S，而不受其它阴离子、生物硫醇和普通溶液等的影响。在H2S检测前后，该探针的荧光强度变化及选择性分别如图8和图9所示。

M. Strianese等[56]用四（N-甲基吡啶基）卟啉锌络合物（tetra(N-methylpyridyl)porphine zinc complex，ZnTMPyP）制备H2S荧光探针，并推测其原理是HS-与卟啉中心Zn元素发生配位，并通过协调可使得HS-的配位可逆。高倩[57]用具有氨基和羟基的双活性基团卟啉（5-(4-氨基苯基)-10-(4-羟基苯基)-15,20-二苯基卟啉）作为荧光基团（DNBS-TPPPEG），制备了具有良好水溶性和脂溶性的近红外区（λem= 658 nm）H2S荧光探针，检测原理如图10所示。

实验结果也表明，荧光探针对H2S检测具有高灵敏性和高选择性，并能成功检测人体血清和尿液中H2S的含量。不同H2S卟啉荧光探针传感器的检测效果对比如表3所示。

表3 H2S卟啉荧光传感器的检测效果对比Table 3 Comparison of detection results of H2S porphyrin fluorescence sensor

4 总结与展望

H2S检测方法的研究对环境、食品、医学等领域的发展具有重要意义。H2S的亲酸性和亲金属性使其和卟啉及金属卟啉容易发生物理化学反应，基于卟啉及其衍生物制备检测H2S的传感器，如光波导传感器、电化学传感器以及荧光探针传感器，具有良好的敏感性和选择性。其中，光波导传感器可以直接检测H2S气体，电化学传感器主要通过和HS-结合检测H2S，电化学传感器和荧光探针传感器具有检测生物体内H2S的潜在应用价值。荧光探针具有良好生物相容性，已成功应用于检测人体血清、尿液和生物细胞中的H2S，在医学应用领域具有较好的应用前景。此外，利用卟啉与H2S发生的可视性颜色变化制备出的智能指示标签，可应用于智能食品包装领域，实现对食品质量的实时无损检测。其次，纳米卟啉，尤其是卟啉-MOFs材料，拥有比单体卟啉更大的比表面积，可以增加H2S与卟啉的接触面积，从而增强检测效果。因此卟啉-MOFs作为H2S检测材料可能成为未来H2S检测研究的重点。

虽然对卟啉和H2S反应原理的研究开始很早，但目前卟啉在H2S检测中的应用还处于探索阶段，对于检测装置的稳定性和温度对检测结果影响的研究还比较缺乏，对H2S气体分子直接检测的研究也寥寥无几，这是未来针对卟啉在H2S检测中的应用研究需要进一步探索的方向。相信经过研究者的不懈努力，卟啉可以在工业、食品包装、医学等多领域实现对H2S检测。