基于八羧基酞菁铝近红外荧光检测铜(Ⅱ)离子

刘 峰,夏新泉,陈 灵,张海丽

(湖北师范学院 化学与工程学院, 湖北 黄石 435002)

铜是动植物体内一种必需的微量重金属元素，参与体内20多种重要酶的构成，如细胞色素氧化酶，过氧化物歧化酶，酪氨酸酶等，这些酶大多与人体的氧化还原反应有关[1]。研究表明，体内铜含量过低会导致贫血，但过量的铜也会导致机体功能紊乱产生许多疾病，如：老年痴呆症[2]，威尔森氏症[3]，门克氏综合症[4]及肌萎缩性侧索硬化症[5]等, 同时过量的铜对水生生物的毒性较强。所以，检测生物体和环境水样中的铜离子有着重要的意义。

目前检测铜离子的方法有原子吸收光谱法[6]，电感耦合等离子体原子发射光谱[7]，电感耦合等离子体质谱[8]， 循环伏安法[9]和荧光分析法等。与其他方法相比荧光分析法因为灵敏度较高，不需要复杂的样品处理，仪器操作简单等优点而得到广泛应用。

检测铜离子的荧光染料发射波长大多在紫外区，在测定样品尤其是生物样品时存在较大的背景干扰。酞菁是一类具有18电子的大π共轭体系配合物，在结构上类似与卟啉类化合物。酞菁和金属酞菁对光、热及各种有机溶剂的高度稳定性[10]，使得其在催化、有机半导体、光导体、彩色照相、激光、液晶、LB膜、光动力治疗[11]等方面有着广泛的应用。水溶性金属酞菁具有高的摩尔吸光系数，良好的量子产率[12]，并且荧光发射在近红外区，因而大大减小了背景荧光的干扰，已应用在金属离子的检测[13]和空气中酸类物质的检测[14]。本文目的是利用Cu2+能使八羧基酞菁铝(octa-carboxylic pthalocyanine aluminum, AlC8Pc)的荧光猝灭，且在一定浓度范围内其荧光强度的变化与Cu2+浓度成良好的线性关系,建立一种灵敏的检测Cu2+的新方法。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

F-4500荧光分光光度计(日本日立公司)，Model pHs-3C酸度计(中国 上海)。八羧基酞菁铝(AlC8Pc) 的合成参照文献[15]进行，其红外光谱，紫外光谱，荧光光谱与文献报道相符[16]。CuCl2·2H2O(分析纯)，其他试剂均为分析纯，实验用水为二次蒸馏水。AlC8Pc以0.2 mol·L-1NaOH溶液配成1.0×10-3mol·L-1储备液，使用时用二次水稀释至所需浓度。Cu2+配成5.0×10-3mol·L-1储备液。Britton-Robison缓冲溶液：(0.04 mol·L-1磷酸、硼酸、醋酸)用0.2 mol·L-1NaOH进行调节，配成不同pH的缓冲溶液。

1.2 实验方法

在10 mL 比色管中依次加入一定量的B-R 缓冲溶液、八羧基酞菁铝(1.0×10-3mol·L-1)、Cu2+(5.0×10-3mol·L-1)，用水稀释至刻度，混合均匀。荧光激发波长为620 nm，发射波长为698 nm，室温下测定空白和含有Cu2+溶液的荧光强度F0和F.

2 结果与讨论

2.1 AlC8Pc荧光光谱特性

图1 是AlC8Pc的荧光发射光谱，可以看到八羧基酞菁铝的发射光谱位于近红外区，当加入Cu2+时，八羧基酞菁铝荧光猝灭，但峰位置不发生变化,在一定浓度范围内，Cu2+的含量与八羧基酞菁铝荧光强度变化成线性关系。

2.2 AlC8Pc紫外可见-吸收光谱特性

图2 是AlC8Pc的紫外-可见吸收光谱，由图可以看到AlC8Pc有两个吸收峰，分别在356 nm(B带)，692 nm(Q带)并且在620 nm附近有酞菁二聚体的特征峰。加入Cu2+时，位于近红外区的Q带逐渐减降低，但峰的位置并没有移动，同时620 nm 处的特征峰消失，说明铜离子与八羧基酞菁铝发生了强烈的作用。综合铜离子与AlC8Pc作用的荧光光谱及紫外-可见吸收光谱性质，可以推断铜离子与AlC8Pc作用的荧光猝灭机理为静态猝灭[17]。

图1 八羧酞菁铝在不同浓度Cu2+下荧光发射光谱图 图2 八羧酞菁铝在不同浓度Cu2+下吸收光谱

2.3 pH值的影响

图3是在Cu2+存在下，AlC8Pc荧光强度变化随pH变化曲线。可以看出，当溶液pH=4.5时，八羧基酞菁铝荧光猝灭程度最大，实验表明以B-R缓冲溶液调节溶液pH效果最好，故实验选择在pH为4.5的B-R缓冲溶液中测定。

2.4 AlC8Pc浓度的影响

图4是八羧基酞菁铝浓度对荧光强度变化的影响，固定Cu2+浓度为1.0×10-5mol·L-1，溶液的pH为4.5，研究了八羧基酞菁铝浓度在3.0×10-6mol·L-1～1.0×10-5mol·L-1范围内对荧光强度变化的影响,发现当八羧基酞菁铝浓度在5.0×10-6mol·L-1时，Cu2+与八羧基酞菁铝的荧光强度猝灭程度最大，所以实验选择AlC8Pc的浓度为5.0×10-6mol·L-1.

图3 酸度的影响 图4 八羧酞菁铝浓度的影响

2.5 反应时间和温度的影响

考察了反应时间对体系的影响，图5是反应时间的影响，可以看出当加入Cu2+后，AlC8Pc的荧光强度立即减小到480后基本不变，并随着时间增加保持稳定，由此可知Cu2+与AlC8Pc很快发生反应，本实验选择反应5min后进行测定。

图5 时间的影响

在17℃～37℃温度范围内研究了温度对体系的影响，发现温度对AlC8Pc与Cu2+作用的荧光强度变化影响很小，因此本实验选择在室温下进行。

2.6 选择性实验

图 6是分别加入浓度与Cu2+浓度相同的其它常见金属离子、几种氨基酸和牛血清白蛋白(BSA)后八羧基酞菁铝荧光强度的变化关系图。可以看出Ni2+、BSA与八羧基酞菁铝有作用，但荧光强度变化没有铜离子与八羧基酞菁铝作用显著。加入其它常见金属离子，八羧基酞菁铝荧光变化很小。所以本实验选择八羧基酞菁铝与Cu2+作用体系作为研究对象。

图7是常见金属离子、几种氨基酸和牛血清白蛋白(BSA)和相同浓度的Cu2+同时加入时，八羧基酞菁铝荧光强度的变化关系图。当Cu2+与其它物质同时存在时，Cr3+、BSA对Cu2+与八羧基酞菁铝的相互作用有影响，其它物质影响很小，说明该方法的选择性较好。

2.7 标准曲线

在上述优化实验条件下绘制标准曲线。在Cu2+浓度2.5×10-6mol·L-1～3.0×10-5mol·L-1范围内，八羧基酞菁铝荧光强度变化与Cu2+浓度呈良好的线性关系。线性方程为：△F=-0.46+1.05×107c(mol·L-1) (n=11)，相关系数R为0.9974，检出限为8.3×10-7mol·L-1.

2.8 样品的测定

取50 mL体积的黄石青山湖水样，滤去漂浮物，加5mL浓硝酸,加热，消解到10mL 左右，稍冷却，再加入5mL浓硝酸和2 mL H2O2，继续加热消解，蒸至近干，冷却后，加水40mL，加热煮沸3min，冷却后，将溶液转入50 mL容量瓶中，用水稀释至标线，按实验方法进行分析。表1是实际水样的检测结果，结果表明：该湖泊水样中未检出Cu2+,且加标回收率较好，说明该方法准确度较好。

图6 加入不同金属离子八羧基酞菁铝的荧光强度 图7 同时加入铜离子和其他金属离子，氨基酸，BSA，八羧基酞菁铝荧光强度的分析

表1 青山湖水样中Cu2+含量的检测

3 结 论

建立了一种近红外荧光猝灭法检测Cu2+的新方法，可以大大减小背景荧光和散射光的干扰，提高了测定的灵敏度和准确度。实验结果表明，该方法选择性好，反应时间快，操作简单，灵敏度较高。

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