席夫碱共价有机框架的合成及对I-的识别

王迪，钟克利，汤立军，侯淑华，吕春欣

（1.渤海大学化学与材料工程学院,锦州 121013；2.嘉兴学院生物与化学工程学院,嘉兴 314001）

碘是一种重要的微量元素，对维持和调节人体的细胞内环境的稳定性具有重要作用.碘缺乏或过多都会对身体造成一定的伤害，并引发相关的甲状腺疾病，如甲状腺肿大、甲状腺功能减退和甲状腺功能亢进，碘离子也是控制骨骼和大脑发育代谢的关键因素［1～6］.作为人体生长必需的微量营养素之一，开发碘离子的分析方法具有重要意义.迄今，检测碘离子的分析方法有很多种，如阴离子交换色谱法、微流体流动注射法，毛细管电泳及电位滴定等［7～10］.虽然这些方法在一定条件下能够满足检测的要求，但也存在明显的缺陷，如对于样品的预处理相对复杂、测试成本相对较高及检测时间偏长等.因此，开发一种快速、有效地检测碘离子的分析方法十分重要.近年来，荧光光谱法由于具有灵敏度高、选择性好、操作简便和成本低等特点，受到了研究者的广泛关注［11～26］.

共价有机框架（COFs）材料是一种较新颖的多孔材料，具有密度低、比表面积大、孔径可调控和稳定性高等优点，在气体储存、吸附、光电、催化和化学传感等方面具有良好的应用前景.COFs相比于传统的荧光传感器具有开放对接位点、永久孔隙率、超低密度及出色的热稳定性等独特的优势［27～34］.然而绝大多数的COF材料在水中和大多数有机溶剂中易聚集沉淀，影响了其实际应用［35～38］.

本文通过简便的溶剂热合成方法制备了一种席夫碱共价有机框架探针TpPa-COOH COF.通过加入偶氮苯得到微纳米尺度COF颗粒形成稳定悬浊液，实现了荧光“On-Off”专一性识别I-.该探针的抗干扰能力较强、灵敏度较高，具有良好的应用前景.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

1，3，5 -三甲酰基间苯三酚（Tp，纯度97%），上海腾骞生物科技有限公司；2，5-二氨基苯甲酸（Pa-COOH，纯度98%），梯希爱（上海）化成工业发展有限公司；偶氮苯（纯度97%）及1，4-二氧六环（纯度≥99.5%），天津市光复科技发展有限公司；均三甲苯（纯度98%），萨恩化学技术（上海）有限公司；异丙醇（纯度≥99.7%）及冰乙酸（纯度≥99.5%），天津永大化学试剂有限公司.实验所用其它药品及溶剂均为市售分析纯，用水为二次蒸馏水.

FL-4700型荧光分光光度计，日本Hitachi公司；JY12001电子天平，塞多利斯科学仪器有限公司；PHS-25B型pH计，上海大普有限公司；超声波细胞粉碎机，宁波新芝生物科技股份有限公司.

1.2 实验过程

席夫碱共价有机框架探针TpPa-COOH COF的合成路线如Scheme 1所示.

Scheme 1 Synthesis pathway of probe TpPa-COOH COF

1.2.1 探针TpPa-COOH COF的合成 将1，3，5-三甲酰基间苯三酚（0.21 g，1 mmol）溶解于18 mL均三甲苯中，并将2，5-二氨基苯甲酸（0.23 g，1.5 mmol）溶解于18 mL 1，4-二氧六环中，再将两种溶液混合进行超声溶解，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，经反复冻融和N2脱气后，在120℃反应3 d.反应结束后，首先将合成的COF离心除去溶剂，研磨1 h后加入到500 mL异丙醇中，在365 nm的紫外光照射下，搅拌1 h，期间不断更换照射角度使紫外线对COF的照射更加均匀.之后，将COF溶液用超声波细胞粉碎机破碎3 h，使其在溶液中分散得更加均匀.破碎完成后再分别用二氯甲烷、甲醇和四氢呋喃清洗COF，清洗至溶剂无色后，离心除去溶剂，得到砖红色粉末.

1.2.2 各种阴离子溶液的配制 测试所需要的阴离子溶液均使用对应的钠盐或者钾盐配制成5×10-2mol/L的溶液.以I-为例：准确称量83 mg KI化合物，用二次蒸馏水溶解后转入10 mL容量瓶中，标定至刻度线，摇晃均匀，得到5×10-2mol/L的I-溶液.其余的阴离子溶液（F-，Br-，Cl-，SCN-，HS-，S2O23-，HPO24-，N3-，SO23-，SO24-，CH3COO-，NO2-，CO23-，HCO3-，S2-，PPI，HSO3-）皆按此方法配制，用二次蒸馏水稀释后，即可得到浓度更低的其它阴离子溶液.

1.2.3 探针TpPa-COOH COF悬浊液的配制 准确称量50 mg TpPa-COOH COF，将其分散到10 mL二次蒸馏水中，然后用超声波细胞粉碎机破碎1 h，使TpPa-COOH COF均匀分散在水中，即得到测试荧光性能所用的5 mg/mL的探针悬浊液.荧光光谱测定均在室温下进行，样品池为石英比色皿，激发狭缝宽为5 nm，发射狭缝宽为5 nm，激发波长为230 nm.

1.2.4 实际样品的检测 分别选取湖水（渤海大学听林湖）、河水（锦州市女儿河）和自来水样进行实际样品的检测.测试前先过滤掉其中的泥沙再制备THF/H2O（体积比1∶1）混合溶液作为待测水样，加入探针后测定其荧光发射光谱.

2 结果与讨论

2.1 探针TpPa-COOH COF的合成及表征

探针TpPa-COOH COF的合成方法较简单：以1，3，5-三甲酰基间苯三酚与2，5-二氨基苯甲酸为初始原料，加入偶氮苯，通过溶剂热反应获得.在365 nm紫外光照射下，样品中偶氮苯的结构将从反式异构体转变为顺式异构体，构型变化有利于提高TpPa-COOH COF自身的分散性［39］.通过超声和有机溶剂清洗除去偶氮苯和未反应单体，扫描电子显微镜（SEM）表征结果显示得到了微纳米尺度的颗粒（图S1，见本文支持信息）.

傅里叶变换红外光谱（FTIR，图1）在1568和1200 cm-1处显示强峰，分别对应于以酮形式存在的C=C振动和C—N振动.与2种单体相比，Tp的C=O振动峰（1643 cm-1）和Pa-COOH的N—H振动峰（3300～3400 cm-1）消失，表明制得了TpPa-COOH COF.上述结果也通过拉曼光谱得到了证实（图S2，见本文支持信息）.拉曼光谱中1392，1604和1667 cm-1处的吸收峰分别对应于苯环和胺官能团的伸缩振动，1604 cm-1处的拉曼谱带对应于COF结构中苯环的C=C伸缩振动，1667 cm-1处的拉曼振动信号与COF结构中酮-烯胺键的C=O相关.通过X射线光电子能谱进一步分析了TpPa-COOH COF的化学结构（图S3，见本文支持信息），在XPS谱图中发现了C1s，N1s和O1s信号的峰，确认了新化合物的形成.以上结果表明，合成了COF探针.而TpPa-COOH COF的小角X射线散射（SAXS）在2θ=5.1°处显示衍射峰（图S5，见本文支持信息），通过层间距公式计算得出粉末层间相应的π-π堆叠层间距约为0.346 nm，表明TpPa-COOH COF拥有均匀有序的晶体结构.通过Brunauer-Emmett-Teller（BET）方法计算了TpPa-COOH COF的比表面积和孔体积（图S6，见本文支持信息），分别为101.92 m2/g和0.51 cm3/g，高的比表面积和孔容有利于提高探针TpPa-COOH COF的传感能力.

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

2.2 探针TpPa-COOH COF的选择性实验

对目标离子具有良好的选择性是荧光探针的基本要求，所以首先研究了探针TpPa-COOH COF对不同阴离子的荧光响应.如图2所示，加入I-后，可通过肉眼观察到探针TpPa-COOH COF的THF/H2O（体积比1∶1）溶液的颜色由粉红色变为黄色.当以230 nm光激发时，探针在THF/H2O体系中荧光发射的强度较高.当向0.05 mg/mL的探针溶液中加入50 mmol/L的I-时，可观察到在317 nm处有明显的荧光猝灭现象.然而，添加等物质的量的其它阴离子（F-，Br-，Cl-，SCN-，HS-，S2O23-，HPO24-，N3-，SO23-，SO24-，CH3COO-，NO2-，CO23-，HCO3-，S2-，PPI，HSO3-）后，在317 nm处荧光猝灭的现象并不明显，表明探针TpPa-COOH COF对I-具有良好的选择性.

2.3 探针TpPa-COOH COF识别I-的抗干扰实验

为研究在其它潜在干扰离子（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+，Fe2+，Fe3+，Hg2+，K+，Mg2+，Mn2+，Na+，Ni2+，Pb2+和Zn2+）存在时，探针对I-的识别能力，进行了竞争性实验.当加入各种阴离子和阳离子后，在317 nm处只有I-存在荧光猝灭.在此基础上向其它离子溶液中加入等物质的量的I-后，在317 nm处的荧光强度均明显猝灭，如图3所示.可见，探针TpPa-COOH COF对I-的识别在其它离子存在下仍然具有良好的选择性，说明其抗干扰能力强，具有良好的专一性.

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 探针TpPa-COOH COF对I-的荧光滴定实验

为了进一步研究探针TpPa-COOH COF对I-的传感性质，测试了探针的THF/H2O溶液荧光强度随I-浓度变化情况.当向探针的THF/H2O溶液中加入不同浓度（0～1.5 μmol/L）的I-时，探针在317 nm处的荧光强度随着I-浓度的增加而逐渐降低.当I-浓度增加到1.5 μmol/L时，其荧光强度几乎不变，说明此时已达到饱和［图4（A）］.同时，观察到I-浓度在0.1～1.4 μmol/L范围内317 nm处的荧光强度有良好的线性关系（R2＞0.99）［图4（B）］.根据方程LOD=3s/k（其中s为空白溶液的标准偏差，k为标准曲线的斜率）计算出探针TpPa-COOH COF对I-的检出限为0.028 μmol/L，较低的检出限说明探针TpPa-COOH COF识别I-的灵敏度较高.

2.5 pH对探针TpPa-COOH COF的影响

为了考察探针TpPa-COOH COF在实际样品中的应用性能，进一步考察了不同pH值对其识别I-的影响.如图5所示，探针TpPa-COOH COF在pH=1～13范围内的荧光强度都较高，在向探针溶液中加入I-后，在pH=1～13的范围内，荧光强度均显著降低且较为稳定.这说明探针TpPa-COOH COF可在酸性、中性和碱性条件下检测I-，具有较宽的pH适用范围.

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 探针TpPa-COOH COF的循环利用性能

进一步探索了探针TpPa-COOH COF的循环利用情况.用2 μmol/L的AgNO3水溶液进行简单处理将COF中的I-交换出来后，探针TpPa-COOH COF的荧光可以恢复到之前的强度.如图6所示，这种猝灭-增强的循环重复3次后，TpPa-COOH COF的灵敏度和响应性无显著降低.

2.7 探针TpPa-COOH COF识别I-的反应机理

通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、拉曼光谱及X射线光电子能谱（XPS）研究了探针TpPa-COOH COF在加入I-前后的结构及变化.加入I-后的傅里叶变换红外光谱中，苯环上C=C骨架振动的吸收峰从1568 cm-1移动到1574 cm-1，C—N拉伸振动的吸收峰从1220 cm-1移动到1236 cm-1，峰形变宽，表明I-的加入可以影响TpPa-COOH COF网络中的芳香环和C—N键［图7（A）］.

拉曼光谱结果表明，在加入I-后拉曼光谱无明显变化，表明COF结构得以保持（图S4）.通过XPS进一步分析发现，加入I-后的XPS谱图中出现新的I3d的信号峰［图7（B）］，其中I3d是2个峰，归属于I3d3/2和I3d5/2的2个轨道能级.此时的N1s的峰位从399.0 eV移至400.1 eV，推测COF中富电子的N和缺电子的I之间存在相互作用.因此，探针TpPa-COOH COF显著的特异性识别I-的能力可能归因于其多孔结构、丰富的N吸附位点和π共轭结构.探针中的N原子和I-之间的电荷转移会导致荧光猝灭，所以I-的加入同时结合探针COF网络中的芳香环，进而影响了探针本身的共轭结构，使探针的蓝色荧光猝灭（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 探针TpPa-COOH COF的水稳定性

为了考察探针TpPa-COOH COF在水中的应用能力，对其进行了水稳定性检测.通过FTIR考察了TpPa-COOH COF固体浸泡在水中24 h前后的结构及变化.从图8可以看出，浸入水前后TpPa-COOH COF的FTIR光谱相比，苯环上C=C骨架振动的吸收峰没有变化，仅C—N伸缩振动的吸收峰发生微弱的移动，两者整体峰形一致.在水中浸泡24 h前后的TpPa-COOH COF红外谱图没有明显变化，说明探针TpPa-COOH COF的水稳定性良好.

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 实际水样中I-的识别检测

为了进一步探究探针TpPa-COOH COF的实际应用性能，进行了水样检测.分别选取湖水（渤海大学听林湖）、河水（锦州市女儿河）和自来水作为试剂水样进行测试.先将水样过滤处理后用于制备THF/H2O（体积比1∶1）混合溶液，再加入探针TpPa-COOH COF测试溶液，然后加入不同浓度的I-，记录317 nm处的荧光信号.如图9所示，在实际水样中加入I-后，探针的荧光猝灭效果显著，表明探针在实际水样中可以灵敏检测I-，具有较高的稳定性.探针的荧光强度与I-浓度在0.3～0.7 μmol/L范围内具有良好的线性关系（R2＞0.99），如表1所示，该方法的相对偏差（RSD）为0.25%～2.74%，回收率为99.18%～106.19%，表明探针TpPa-COOH COF可用于定量检测I-.

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

3 结 论

共价有机框架材料因其具有结构可调、多孔性和比表面大等优点，在催化、光电以及气体的储存和吸附等方面有着广泛的应用.本文设计合成了具有优良分散性的带有羧基的共价有机框架荧光探针TpPa-COOH COF.该探针在THF/H2O（体积比1∶1）溶液中能够高选择性地荧光“On-Off”识别I-，具有良好的线性范围、低的检出限和良好的灵敏度及选择性.

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