低共熔溶剂对分子荧光性能的影响及其在土壤中蒽含量测定的应用

武 曦 ,张鑫鑫 ,杨燕强

(1.长治学院,长治 046000;2.太原海关技术中心,太原 030024)

近年来,低共熔溶剂(DESs)在科学技术领域引起了广泛的关注,常见的DESs一般由不同的氢键受体(如胆碱盐)和氢键供体(如多元醇、羧酸、酰胺、胺等)按一定物质的量比制备而成[1]。由于合成原料种类和配比的不同,所制备的DESs的物理、化学性质也有所不同[2]。通过对DESs物理、化学性质的深入研究,新型DESs在化学反应、生物医学、萃取分离以及气体捕集等领域得到了广泛应用[3-4]。在有机合成反应中,DESs可作为反应介质或者催化剂合成多种有机化合物,且可在不降低催化效率的情况下回收利用,成功取代了传统方法中的布朗斯特酸和路易斯酸,减少了对经济和生态的负面作用[5]。在生物医学领域,DESs可用于开发药物输送设备和生物活性分子萃取剂,为制药学和生物医学提供了广阔的应用前景[6]。另外,DESs在对燃料深度脱硫[7]、对芳烃和油精馏分离[8]、高效脱除CO2[9]等方面都有着广泛的应用,大多研究都基于DESs无毒无害、生物相容性好、可循环再生等优点展开。在分析化学领域,却鲜有DESs对分子荧光性能影响的研究报道。

荧光分光光度法是一种常见的定性、定量方法。研究表明,同一物质在不同溶剂中的荧光性质会发生变化[10]。水、乙醇、丙酮、三氯甲烷和四氯化碳等溶剂在荧光分析中均有广泛应用,但由于一些溶剂毒性和挥发性较大,会对生态环境、检验人员健康造成一定的危害,因此亟待寻找一种无毒、可降解的溶剂替代品[11]。本工作通过制备新型、绿色的DESs,研究了不同DESs对蒽、萘、8-羟基喹啉等分子荧光性能的影响,并根据其影响情况提出了荧光分光光度法测定土壤中蒽含量的方法。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

F-4600型荧光分光光度计;HDM-1000型电子调温电热套;FA2004N 型电子天平;N-EVAP112型氮吹仪;硅胶固相萃取柱(500 mg/6 mL)。

蒽、萘、8-羟基喹啉单标准溶液:分别取蒽、萘、8-羟基喹啉0.05 g于50 mL烧杯中,加入1%(体积分数,下同)DESs溶液使其完全溶解,然后转移至50 mL容量瓶中,用1% DESs溶液稀释至刻度,摇匀,再用1% DESs溶液稀释成蒽、萘、8-羟基喹啉质量浓度均为1.0 mg·L—1的单标准溶液。

所用试剂均为分析纯;试验用水为超纯水。

1.2 仪器工作条件

蒽、萘、8-羟基喹啉的激发波长依次为350,236,286 nm;狭缝宽度5 nm;扫描速率1 200 nm·min—1;响应时间4 s;电压600 V。

1.3 试验方法

1.3.1 DESs的制备

根据公式m＝M/(M氢键受体＋M氢键供体)×10 g(式中m为氢键受体或氢键供体试剂的质量,M为氢键受体或氢键供体试剂的相对分子质量),计算出制备不同DESs 所用试剂的质量,结果见表1。DESs制备总质量为10.000 0 g,总物质的量为1 mol。

表1 制备不同DESs所用试剂的质量Tab.1 Mass of reagent used for preparation different DESs

按照表1计算的结果取适量的氢键受体和氢键供体试剂,置于50 mL 烧杯中混匀,于100 ℃恒温下加热搅拌至混合物融化,呈无色透明液体。放置一段时间后,体系仍为均匀透明的液体,则表明DESs制备成功。将产物倒入干净的称量瓶中,并贴上相应标签。

1.3.2 荧光强度的测定

按照仪器工作条件分别测定蒽、萘、8-羟基喹啉单标准溶液的荧光强度,同时测定以二氯甲烷或丙酮为溶剂时,蒽、萘、8-羟基喹啉单标准溶液的荧光强度。

1.3.3 土壤中蒽含量的测定

准确称取样品1.000 0 g,加入20 mL 二氯甲烷,超声提取0.5 h,提取3次后合并提取液,旋蒸至干,残渣用10 mL 二氯甲烷重新溶解,氮吹浓缩至约1 mL。将上述1 mL 提取液注入硅胶固相萃取柱(使用前先用正己烷平衡),用10 mL体积比1∶1的二氯甲烷-正己烷混合溶液洗脱,收集洗脱液,氮吹至干,用10 mL 1%(体积分数)甲基三辛基氯化铵-正癸酸溶液溶解后,按照仪器工作条件测定待测样品溶液的荧光强度。同时,按照上述步骤进行样品处理,最后用10 mL 二氯甲烷溶解氮吹后的残渣,配制成对照样品。

2 结果与讨论

2.1 DESs对蒽荧光性能的影响

以350 nm 作为激发波长,在相同测试条件下,二氯甲烷和不同DESs作溶剂时蒽标准溶液的荧光发射光谱图如图1所示,图中虚线对应的溶剂为二氯甲烷,实线对应不同的DESs。

图1 蒽在二氯甲烷和不同DESs中的荧光发射光谱图Fig.1 Fluorescence emission spectra of anthracene in dichloromethane and different DESs

由图1可见:以甲基三辛基氯化铵-正癸酸、甲基三辛基氯化铵-十二醇和四丁基氯化铵-正癸酸(物质的量比1∶1)为溶剂时,蒽的荧光强度比以二氯甲烷为溶剂时的强;蒽在氯化胆碱-尿素中的荧光强度与在二氯甲烷中的相近,其他DESs作溶剂时蒽的荧光强度都较二氯甲烷作溶剂时的弱;蒽在735 nm 处的荧光强弱顺序与362 nm 处的相同,但荧光强度明显下降;另外,当二氯甲烷作溶剂时,362 nm 处蒽的发射峰发生分裂,当DESs作溶剂时,发射峰曲线光滑不分裂,且峰形相似。

综上分析:蒽的荧光强度随着DESs的极性增强而减弱,与二氯甲烷相比,极性较弱的DESs,如甲基三辛基氯化铵-正癸酸、甲基三辛基氯化铵-十二醇等脂溶性DESs使蒽的荧光强度显著增强;而极性较强的DESs,如氯化胆碱-小分子有机酸则使蒽的荧光强度减弱;另外,以DESs为溶剂时可使蒽的荧光发射峰峰形发生改变,使其呈现单峰特征,这可能是DESs使蒽分子发生形变,进而引起蒽荧光性质发生变化。

2.2 DESs对萘荧光性能的影响

选用236 nm 作为激发波长,在相同测试条件下,二氯甲烷和不同DESs作溶剂时萘标准溶液的荧光发射光谱图如图2(a)所示,图中虚线对应的溶剂为二氯甲烷,实线对应不同的DESs;实线放大图如图2(b)所示。

图2 萘在二氯甲烷和不同DESs中的荧光发射光谱图Fig.2 Fluorescence emission spectra of naphthalene in dichloromethane and different DESs

由图2(a)可知:322 nm 处,萘在DESs中发生了明显的荧光猝灭,其荧光强度比在二氯甲烷中的降低了约25倍;410 nm 处,蒽在DESs中的荧光强度比在二氯甲烷中的降低了约4倍。结合图2(b)可知:当DESs作溶剂时,萘的发射峰峰形有明显变化,244,410,481 nm 处产生较强的荧光,724 nm 处也有新的发射峰出现。

综上分析:与二氯甲烷相比,萘在DESs中的荧光强度明显下降,同时会产生新的发射峰;以四丁基氯化铵-正癸酸(物质的量比1∶2)、甲基三辛基氯化铵-十二醇等弱极性DESs为溶剂时萘的荧光强度较大,以氯化胆碱-酒石酸等极性DESs为溶剂时萘的荧光强度较弱,因此推断萘在DESs中的荧光强度总体上随着DESs极性的增强而减弱。

2.3 DESs对8-羟基喹啉荧光性能的影响

选用286 nm 作为激发波长,在相同测试条件下,丙酮和不同DESs作溶剂时8-羟基喹啉标准溶液的荧光发射光谱图如图3(a)所示,图中虚线对应的溶剂为丙酮,实线对应不同的DESs;实线放大图如图3(b)所示。

图3 8-羟基喹啉在丙酮和不同DESs中的荧光发射光谱图Fig.3 Fluorescence emission spectra of 8-hydroxyquinoline in acetone and different DESs

由图3(a)可知:在350～450 nm 内,8-羟基喹啉在DESs中发生了荧光猝灭,其荧光强度比丙酮作溶剂时降低了约8 倍;8-羟基喹啉在丙酮中于406 nm 处产生较强荧光,但附近有两个肩峰,峰形较差。结合图3(b)可知,8-羟基喹啉在DESs中于378 nm 产生明显荧光,且是单峰,峰形良好,但荧光强度比在丙酮中的明显降低。

综上分析:与丙酮相比,8-羟基喹啉在DESs中的荧光强度明显减弱,但其发射峰峰形发生明显改变,呈现单峰;同时,以脂溶性的甲基三辛基氯化铵-十二醇为溶剂时,8-羟基喹啉的荧光强度较强,而以水溶性的氯化胆碱-尿素为溶剂时,8-羟基喹啉的荧光强度较弱,整体上呈现出8-羟基喹啉在DESs中的荧光强度随DESs极性增强而逐渐减弱的趋势。

2.4 DESs在土壤中蒽含量测定的应用

2.4.1 标准曲线、检出限和测定下限

鉴于蒽在甲基三辛基氯化铵-正癸酸中的荧光强度较高,以甲基三辛基氯化铵-正癸酸配制蒽质量浓度为0.1,0.5,1.0,3.0,6.0,10.0μg·L—1的标准溶液系列,同时用二氯甲烷配制相同浓度水平的标准溶液系列进行对比。以蒽质量浓度为横坐标,对应的荧光强度为纵坐标绘制标准曲线,线性参数见表2。

表2 线性参数、检出限和测定下限Tab.2 Linearity parameters,detection limits and lower limits of determination

按照试验方法对空白样品进行11次测定,计算测定值的标准偏差(s),以3s/k(k为线性回归方程的斜率)计算检出限,10s/k计算测定下限,结果见表2。

结果表明,当以甲基三辛基氯化铵-正癸酸为溶剂时,基于DESs对蒽分子荧光性能的显著影响,可大大降低检出限,实现对土壤中蒽含量的定性、定量分析。

2.4.2 精密度和回收试验

按照试验方法对空白土壤样品(称样量为1.000 0 g,定容体积为10 mL)进行3个浓度水平的加标回收试验,计算回收率和测定值的相对标准偏差(RSD),结果见表3。

表3 精密度和回收试验结果(n＝6)Tab.3 Results of tests for precision and recovery(n＝6)

结果表明:以甲基三辛基氯化铵-正癸酸作为溶剂时,土壤中蒽的回收率与以二氯甲烷作为溶剂时的相近,且测定值的RSD 均不大于4.0%,表明该方法具有良好的准确度和精密度。

本工作通过制备不同DESs,探讨了其对蒽、萘、8-羟基喹啉荧光性能的影响。结果表明,合适的DESs可增强蒽的荧光强度,改善峰形;萘和8-羟基喹啉在DESs中会发生荧光猝灭,同时产生发射峰位移。基于DESs对蒽荧光性能的改善,提出了荧光分光光度法测定土壤中蒽含量的方法,该方法灵敏度较高,结果准确可靠,具有较好的应用前景。