甲醛功能化聚乙烯亚胺-罗丹明B酰肼比率及可视化荧光测定Cr(Ⅵ)

杨传孝, 余梦雯, 宋朵朵, 孙向英

(华侨大学材料科学与工程学院, 厦门 361021)



甲醛功能化聚乙烯亚胺-罗丹明B酰肼比率及可视化荧光测定Cr(Ⅵ)

杨传孝, 余梦雯, 宋朵朵, 孙向英

(华侨大学材料科学与工程学院, 厦门 361021)

摘要在微波辅助条件下, 合成了具有蓝色荧光特性的甲醛功能化的聚乙烯亚胺(FPEI). 在硫酸介质中, FPEI表面质子化的氨基通过静电作用吸附Cr(Ⅵ), 致使FPEI 480 nm处的荧光强度逐渐降低. 同时, 罗丹明B酰肼(RBH)被Cr(Ⅵ)氧化生成强荧光发射的罗丹明B, 体系的吸光度在250～600 nm范围显著增强, 覆盖了FPEI的激发和发射光谱, 由此产生的内滤效应导致FPEI的荧光进一步降低. 罗丹明B 580 nm处荧光强度和FPEI 480 nm处荧光强度的比值(F580/F480) 与Cr(VI) 的浓度呈良好的线性关系, 在紫外灯照射下体系的荧光由蓝色逐渐变为橙黄色, 由此建立了一种新型的比率及可视化荧光测定六价铬的新方法. 在最优条件下, 比率荧光测定的线性范围为0.1～3.6 μmol/L, 检出限(3σ)为12 nmol/L, 可视化荧光检测的线性范围为0.4～2.8 μmol/L. 该方法简单、 快速, 灵敏度及选择性好, 用于实际样品测定的回收率为90%～109%.

关键词甲醛功能化聚乙烯亚胺; 罗丹明B酰肼; 比率荧光; 可视化荧光; Cr(Ⅵ)

Scheme 1　Reaction between FPEI-RBH and Cr(Ⅵ)

Fig.1　Fluorescence spectra and fluorescence change(inset) of FPEI-RBH in the absence(A) and presence(B) of Cr(Ⅵ)

1实验部分

1.1试剂与仪器

聚乙烯亚胺(PEI, 分子量为10000, 阿拉丁试剂有限公司); 甲醛(HCHO, 质量分数37%～40%, 西陇化工股份有限公司); 罗丹明B(RB, 天泰精细化学品有限公司); 水合肼(西陇化工股份有限公司); 重铬酸钾(广州化学试剂厂), 操作溶液浓度为1.0×10-5mol/L. 所用试剂均为分析纯; 实验用水为超纯水(电阻率为18.2MΩ·cm).

CaryEdipse型荧光分光光度计[安捷伦科技(中国)有限公司];NicoletMagnaIR560型傅里叶变换红外光谱仪(美国Nicolet公司);H-7650型透射电子显微镜(TEM, 日本Hitachi公司);UV-2800H型紫外-可见分光光度计(日本Shimadzu公司);Milli-Q超纯水仪(美国Millipore公司);WX-4000型微波消解仪(上海屹尧仪器科技发展有限公司);WFH手提式紫外分析仪(杭州齐威仪器有限公司).

1.2实验过程

1.2.1RBH的合成参照文献[17]方法合成RBH. 取1.2000g罗丹明B置于三颈圆底烧瓶中, 加入30mL乙醇溶解, 室温下搅拌30min后, 逐滴加入4mL水合肼, 加热至沸腾并搅拌4h, 得到黄色澄清溶液. 冷却至室温, 加超纯水至不再产生沉淀, 减压抽滤. 将所得沉淀用1.0mol/LHCl洗涤至橙黄色清亮, 加入NaOH调节pH至8～9, 减压抽滤, 真空干燥, 所得淡粉色沉淀即RBH. 用乙醇配制浓度为1.0×10-3mol/L的RBH储备液.

1.2.2FPEI的合成将10mLPEI(8.539×10-3g/mL)溶液加入微波消解罐中, 加入1.0mL甲醛和400μL乙酸, 在120 ℃, 1.013MPa和600W的条件下, 微波加热30s制得FPEI, 备用.

1.2.3FPEI-RBH测定Cr(Ⅵ)取浓度为1.0mL1.0×10-3mol/L的RBH乙醇溶液置于比色管中, 依次加入75μLFPEI原液和1.0mL0.2mol/L的硫酸溶液, 用超纯水定容至10mL, 即得FPEI-RBH探针溶液.

取0.5mLFPEI-RBH探针溶液置于10mL比色管中, 加入重铬酸钾标准溶液或样品溶液, 定容至5mL. 以360nm波长光激发, 在荧光分光光度计上扫描其荧光发射光谱. 直接把样品置于365nm紫外灯下, 用数码相机进行荧光成像.

2结果与讨论

2.1FPEI-RBH与Cr(Ⅵ)作用的光谱特征

由FPEI的TEM照片[图2(A)]可见, 甲醛功能化的PEI具有环状结构; 其紫外吸收和荧光光谱[图2(B)]表明, 最大吸收峰位于350nm处, 荧光发射峰位于480nm处. 对照FPEI和RB的激发光谱发现, 激发波长为360nm时FPEI的荧光发射最强, 同时RB也有较强的荧光发射. 由PEI和FPEI的红外光谱[图2(C)]可见,FPEI保留了PEI的红外特性, 即保留了3349和3278cm-1处N—H的伸缩振动、 2933和2813cm-1处—CH2—的伸缩振动、 1580cm-1处N—H的面内弯曲振动以及1042和1105cm-1处C—N的伸缩振动; 但在1662cm-1处产生了新的峰, 表明甲醛的羰基与—NH2之间发生了Schiff碱反应.

Fig.2　TEM image of FPEI(A), UV-Vis absorption and fluorescence spectra of FPEI(B) and infrared spectra of PEI(a) and FPEI(b)(C)

在硫酸介质中, 将FPEI和RBH直接混合即得比率荧光探针FPEI-RBH. 由FPEI-RBH的比率荧光光谱[图3(A)]可知, 激发光波长为360nm时, 其荧光发射光谱仅在480nm处出现1个发射峰, 在紫外灯照射下发蓝色荧光. 当有Cr(Ⅵ)存在时,FPEI-RBH体系在 480nm处的荧光强度降低, 同时580nm处出现新的荧光发射峰, 这是Cr(Ⅵ)与RBH反应生成的罗丹明B的荧光发射峰[17], 可从250～600nm波长范围内吸光度逐渐增加得到验证[图3(B)]. 随着六价铬加入量的增大, 位于480nm处的荧光峰强度逐渐降低, 而位于580nm处的荧光峰强度逐渐升高, 其比率荧光强度F580/F480与Cr(Ⅵ)浓度间呈良好的线性关系; 在紫外灯照射下, 溶液的荧光由蓝色逐渐变到橙黄色[图3(A)插图].

Fig.3　Ratiometric fluorescence emission(A) and UV-Vis absorption spectra(B) of the reaction between FPEI-RBH and Cr(Ⅵ)Inset of (A): fluorescent change under 365 nm light excitation.

2.2FPEI-RBH与Cr(Ⅵ)的作用机理

Fig.4　Fluorescence emission spectra of the reaction between FPEI, RBH and Cr(Ⅵ), respectively a. FPEI; cRBH/(μmol5L-1): b. 0, c. 2.5, d. 5.0, e. 7.5, f. 10. Cr(Ⅵ): 2.0 μmol/L; H2SO4: 2.0 mmol/L; λex=360 nm.

Fig.5　Fluorescence excitation(a) and emission(b) spectra of FPEI and UV-Vis absorption spectrum(c) of RB(A) and effect of the inner filter on the fluorescence intensity of FPEI(B)

2.3实验条件的优化

Fig.6　Effect of H2SO4 concentration on the reaction between FPEI-RBH(A) and Cr(Ⅵ)(B)Table 1　Effect of H2SO4 concentration on analytical parameters for the determination of Cr(Ⅵ)

cH2SO4/(mmol·L-1)Linearrange/(μmol·L-1)R2Linearregressionequation0.50.0—2.00.9826F580/F480=0.46c+0.271.00.0—3.20.9984F580/F480=0.84c+0.192.00.0—3.60.9948F580/F480=1.10c+0.014.00.0—2.00.9814F580/F480=0.95c+0.104.02.0—3.60.9906F580/F480=1.89c-1.858.00.0—2.00.9923F580/F480=0.84c+0.168.02.0—3.60.9912F580/F480=2.13c-2.4812.00.0—2.00.9795F580/F480=0.95c+0.0912.02.0—3.60.9875F580/F480=2.34c-3.0916.00.0—1.60.9829F580/F480=0.98c+0.1216.01.6—3.60.9767F580/F480=1.92c-1.32

2.3.2RBH及FPEI加入量的选择取不同浓度的RBH与一定量的FPEI组成比率荧光探针, 然后与不同浓度的Cr(Ⅵ)作用. 实验结果[图7(A)]表明, 体系的比率荧光强度F580/F480与Cr(Ⅵ)浓度间呈现良好的线性关系, 但是线性范围和灵敏度却随着RBH浓度的增大而逐渐增大, 当RBH浓度>7.5μmol/L时, 线性拟合曲线的斜率趋于稳定. 固定RBH的浓度为10μmol/L, 其它条件不变, 考察了FPEI加入量的影响, 结果如图7(B)所示.Cr(Ⅵ)对FPEI荧光的猝灭效率均随着Cr(Ⅵ)浓度的增加而增加, 但是比率荧光探针中FPEI含量越少, 相同浓度的Cr(Ⅵ)对FPEI荧光猝灭效率越高. 当比率荧光探针中FPEI的加入量<50μL时, 一方面FPEI本身的荧光强度较低, 另一方面致使FPEI荧光的猝灭的Cr(Ⅵ)的浓度范围变窄, 这两者都不利于体系荧光颜色的渐变即可视化荧光传感. 实验选取75μLFPEI溶液制备FPEI-RBH比率荧光探针.

Fig.7　Effects of RBH concentration(A) and FPEI amount(B) on the reaction between FPEI-RBH and Cr(Ⅵ)

2.3.3甲醛用量的选择甲醛加入量对FPEI荧光强度及对FPEI-RBH与Cr(Ⅵ)作用的影响见图8. 图8插图表明, 甲醛(质量分数37.0%～40.0%)的加入量<1.0mL时,FPEI的荧光强度较低, 继续增大甲醛的加入量,FPEI的荧光强度趋于稳定. 如图8所示, 甲醛加入量对FPEI-RBH双荧光体系中FPEI的荧光强度有较大的影响, 随着Cr(Ⅵ)浓度的增大FPEI荧光强度的猝灭效率均有增加的趋势. 当Cr(Ⅵ)含量一定时, 随着甲醛加入量的增大,Cr(Ⅵ)对FPEI荧光强度的猝灭效率基本上也随之增加, 即甲醛加入量越少,Cr(Ⅵ)对FPEI荧光强度的猝灭效率越低, 这可能是由于FPEI本身的荧光强度较低, 激发态电子较少所致. 甲醛加入量达到5.0mL时,FPEI荧光强度的猝灭效率开始随着Cr(Ⅵ)浓度的增大呈迅速增加的趋势, 但是Cr(Ⅵ)浓度>2.0μmol/L时,FPEI荧光强度的猝灭效率增加缓慢, 不利于可视化荧光比色. 实验选用甲醛加入量为1.0mL合成FPEI.

Fig.8　Effect of HCHO concentration on the reaction between FPEI-RBH and Cr(Ⅵ) Inset: effect of HCHO amount on the fluorescent intensity of FPEI.

Fig.9　Infrared spectra of FPEI with different microwave powers Inset: effect of microwave power on A1580/A1662.

Fig.10　Tolerance of substance on the determination of Cr(Ⅵ) (A) a. Blank; b. Cr(Ⅵ); c. Ca2+; d. K+; e. Na+; f. Mg2+; g. Cu2+; h. Fe2+; i. Fe3+; j. Pb2+; k. Zn2+; l. Ag+; m. Mn2+; n. Hg2+; o. Cd2+; p. Al3+; q. Cr3+; r. Ni2+; s. Co2+. (B) a. CTAB; b. SLS; c. SDS; d. STPP; e. F-; f. Br-; g. I-; h. PO3-4; i. CO2-3; j. H2O2; k. NO-3; l. NO-2; m. MnO-4; n. ClO-3; o. IO-4; p. ClO-; q. S2O2-3; r. S2-; s. SO2-3.

2.3.5FPEI放置时间的选择FPEI-RBH很快即可与Cr(Ⅵ)作用完全, 且相当稳定, 在210min内, 其荧光强度无明显变化. 但FPEI的放置时间有微小的影响, 随着放置时间的增加FPEI的颜色稍微变浅, 荧光强度也有所增强,Cr(Ⅵ)对FPEI的猝灭效率也有微小增加, 放置20d后基本稳定.

2.4共存物质的干扰

2.5标准曲线及样品测定

Fig.11　Plots of fluorescence intensity at 580 nm and F580/F480 via the concentrations of Cr(Ⅵ) Inset: Visual detection of Cr(Ⅵ) with different concentrations.

在最优实验条件下, 考察了580nm荧光强度及F580/F480与Cr(Ⅵ)浓度之间的关系, 结果见图11和表2. 用580nm单荧光测定Cr(Ⅵ)的线性范围为0.2～2.0μmol/L, 检出限(3σ)为25nmol/L, 而用F580/F480测定Cr(Ⅵ)的线性范围为0.1～3.6μmol/L, 检出限(3σ)为12nmol/L. 显然, 比率荧光法的线性范围更宽, 灵敏度更高, 线性相关系数也明显变好. 图11插图表明,Cr(Ⅵ) 浓度在0.4～2.8μmol/L范围内时, 在紫外灯照射下溶液的荧光由蓝色逐渐变为橙黄. 采用比率荧光法测定了3个实际水样, 结果如表3所示, 回收率在90.0%～109.1%之间. 在3个实际水样中加入不同量的Cr(Ⅵ)标准溶液后, 可视化荧光比色结果如图11插图所示, 与比率荧光法基本一致, 说明可视化荧光法半定量Cr(Ⅵ)的含量可行.

Table 2　Analytical parameters for the determination of Cr(Ⅵ)

Table 3　Results for the determination of Cr(Ⅵ) in water samples

3结论

采用微波辅助技术, 利用甲醛和PEI的聚合反应合成了具有蓝色荧光特性的FPEI, 进一步构建了FPEI-RBH双荧光体系. 基于硫酸介质中Cr(Ⅵ)能使RBH开环, 在580nm处产生新的荧光峰, 同时利用Cr(Ⅵ)能一定程度地猝灭FPEI的荧光以及RB的内滤效应减弱FPEI的荧光, 建立了一种新型的比率及可视化荧光测定Cr(Ⅵ)的新方法. 该方法灵敏度高、 反应快速且操作简便, 可用于实际水样中Cr(Ⅵ)的分析检测.

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(Ed.:D,K)

doi:10.7503/cjcu20150962

收稿日期:2015-12-17. 网络出版日期: 2016-04-20.

基金项目：国家自然科学基金(批准号: 21575044)、 福建省自然科学基金(批准号: 2013J01047, 2014J01048)和华侨大学科研启动费项目(批准号: 14BS116)资助.

中图分类号O657.3

文献标志码A

DeterminationofCr(Ⅵ)byRatiometricandVisualFluorescenceMethodBasedonFormaldehydeFunctionalizedPolyethyleneimine-rhodamineBHydrazideSystem†

YANGChuanxiao*,YUMengwen,SONGDuoduo,SUNXiangying

(College of Materials Sciences and Engineering, Huaqiao University, Xiamen 361021, China)

AbstractFormaldehyde functionalized fluorescent polyethyleneimine(FPEI) were prepared via microwave-assisted synthesis. In H2SO4 media, the amine groups on the FPEI surface would be protonated and adsorb Cr(Ⅵ) via electrostatic attraction, and the fluorescence intensity of the FPEI at 480 nm decreased accordingly. At the same time, potassium dichromate can oxidize rhodamine B hydrazide(RBH) to rhodamine B in acidic aqueous conditions, resulting in recovery of rhodamine B fluorescence and absorbance, the absorption bands of which ranged from 250 nm to 600 nm, fully covering the emission and excitation bands of FPEI. Thus, the inner filter effect occurring in FPEI/RBH system led to further decrease of the fluorescence intensity of the FPEI. The fluorescence change ratio(F580/F480) between the fluorescence intensity of rhodamine B at 580 nm and that of FPEI at 480 nm has a good linear correlation with the concentration of Cr(Ⅵ), and a noticeable blue to orange color change was detected under an ultraviolet lamp if Cr(Ⅵ) solution was mixed with the FPEI/RBH. Based on the phenomena, a novel rapid ratiometric and visual fluorescence method for determination of Cr(Ⅵ) was developed. Under optimal conditions, the ratio fluorescence intensity F580/F480increased linearly with the concentration of Cr(Ⅵ) ranging from 0.1 μmol/L to 3.6 μmol/L with a detection limit of 12 nmol/L. In addition, the change of fluorescence color was related to the concentration of Cr(Ⅵ) in the range of 0.4—2.8 μmol/L. The proposed method, being highly selective, simple and rapid, could be applied to determine the concentration of Cr(Ⅵ) samples with recovery of 90%—109%.

†SupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.21575044),theNaturalScienceFoundationofFujianProvinceofChina(Nos.2013J01047, 2014J01048)andtheResearchFundsofHuaqiaoUniversityofChina(No.14BS116).

KeywordsFormaldehyde functionalized polyethyleneimine; Rhodamine B hydrazide; Ratiometric fluorescence; Visual fluorescence; Cr(Ⅵ)

联系人简介: 杨传孝, 男, 博士, 副教授, 主要从事纳米材料及生化分析研究.E-mail:cxyang@hqu.edu.cn