5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉(TCPP)檢測水體痕量Hg2+的研究

呂向菲，呂東，Muhammad Asim Shahzad，王家宏，常江峰，李婷

(1.長安大學 環境科學與工程學院，陜西 西安 710054；2．陜西科技大學 環境科學與工程學院，陜西 西安 710021； 3.國家科技大學，巴基斯坦伊斯蘭堡 999010)

汞離子具有持久性、易遷移性、高毒性和強生物富集性，進入水體環境后借助微生物作用可形成劇毒的有機汞(例如：甲基汞)，嚴重危害人類健康[1]。美國國家環境保護局規定飲用水中無機汞的最高濃度為2 μg/L[2]； ROHS表明歐盟自2006年起投放歐盟市場的電子電器設備中不得含有汞[3]；我國對生活飲用水中總汞含量規定必須小于0.001 mg/L[4]。國務院《“十三五”生態環境保護規劃》中提出加強汞污染控制[5]。2017年9月23日至29日《關于汞的水俁公約》第一次締約方大會在瑞士日內瓦召開，會議提出要嚴格控制汞和汞化合物向水中釋放[6]。因此，水體汞離子的超靈敏和高選擇性檢測對于深入認識汞的分布特點及轉換過程，構筑汞污染的預警體系具有重要意義。

在各種檢測技術中，傳統的汞離子檢測方法普遍存在缺陷[7]。熒光探針檢測法具有便捷、靈敏度高、樣品無損、高效篩選及可進行實時、原位檢測等優點，成為水中汞離子檢測的熱點研究方法[8-9]。該技術的關鍵是設計、合成高選擇性和靈敏性的熒光探針分子。卟啉分子含18 π電子的共軛平面，在400～500 nm具有較大的吸光系數，除具有熒光探針的普遍優點外，卟啉環外圍有多個取代位點，通過不同功能側鏈取代基的引入，實現汞離子的熒光檢測[10]。目前，大部分的汞離子熒光探針在水溶性方面多數使用混合溶劑或緩沖溶液，其水溶性與熒光檢測性之間難以統一協調。

5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉作為一種常見的卟啉化合物，合成方法成熟，結構穩定且具有較強的極性，可保證其在水體的溶解性，且卟啉環及外圍羧基取代基都可為Hg2+提供多個結合位點，有效提高探針對Hg2+的檢測特性。因此，該探針用于檢測水體中的痕量Hg2+對降低檢測成本，提高檢測效率具有重要意義。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

4-甲酰基苯甲酸(98%)；吡咯(新蒸)，化學純；無水乙醇、甲醇、其它藥品均為分析純。

VECTOR-22紅外光譜儀；FU2600紫外光譜儀；愛丁堡FS5熒光光譜儀。

1.2 實驗方法

1.2.1 TCPP的合成與純化 使用Alder[11]法合成該物質，稱取4-甲酰基苯甲酸10.82 g(0.072 07 mol)，用50 mL丙酸溶解后轉移至三口燒瓶中。油浴加熱溶液至丙酸回流溫度(約130 ℃)，通N2保護30 min，然后加入與4-甲酰基苯甲酸等摩爾的吡咯，避光反應2 h。反應結束后蒸掉1/3的丙酸，加入適量等體積的乙醇與水，冷藏24 h后抽濾，得5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉粗品。用乙醇洗滌、多次重結晶后，再次用甲醇重結晶得到紫色晶體1.2 g，產率為8.4%。

1.2.2 TCPP熒光探針檢測水體Hg2+熒光探針具有靈敏度高的特點，即使是微小的環境變化也可能會對其熒光強度產生影響。因而，確定最適宜的測試條件對卟啉探針的應用顯得十分重要。為此，我們通過實驗對該探針的選擇性、靈敏度、pH穩定性、時間穩定性進行了研究，確定了該探針用于檢測水體Hg2+的最佳條件。

(1)儲備液的配制

以乙醇為溶劑，配制1×10-4mol/L的卟啉儲備液，避光冷藏；用純水配制25 mL濃度為1×10-2mol/L的Hg2+儲備液(加入500 μL濃度為1 mol/L鹽酸防止水解)；用乙醇與水體積比1∶1的混合溶劑配制pH=6的CH3COOH-CH3COONa緩沖液，室溫下保存。

(2)熒光光譜儀的測試條件

所有熒光測試的最大激發波長為427 nm，最大發射波長為580 nm，掃描速度為0.1 nm/s，狹縫寬度分別為1.5，1.8 nm。

(3)TCPP熒光探針的選擇性檢測

以CH3COOH-CH3COONa緩沖液為基礎，配制濃度為1×10-4mol/L的K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Ni2+、Co2+、Mn2+、Zn2+、Cu2+、Fe2+、Ag+、Hg2+離子溶液。用1 mol/L的鹽酸和1 mol/L氫氧化鈉溶液調節pH為7，在反應時間為15 min，卟啉濃度為1×10-5mol/L，金屬離子濃度為20 μmol/L的條件下，分別測定體系的熒光強度。

(4)TCPP熒光探針的靈敏度檢測

在相同熒光測試條件下，調節pH為7，卟啉濃度為 1×10-5mol/L，分別測定Hg2+濃度為0，0.5，0.7，1，3，5，7，10，20，30，40，50 μmol/L時體系的熒光強度。

(5)TCPP熒光探針的pH穩定性檢測

以pH=6的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液為基礎，用1 mol/L的鹽酸和1 mol/L氫氧化鈉溶液調節pH在2～10內變化。在反應時間為15 min，Hg2+濃度為5×10-5mol/L，卟啉濃度為10-5mol/L的體系下檢測各pH條件下的TCPP-Hg2+體系熒光特性。

(6)TCPP熒光探針的時間穩定性檢測

在pH為7，卟啉濃度為1×10-5mol/L，Hg2+濃度為 5×10-5mol/L的條件下，分別測定熒光體系在10，15，20，5，30，35 min時的熒光強度，比較熒光強度與反應時間的關系。

2 結果與討論

2.1 TCPP的合成與性能測試

2.1.1 紅外光譜 采用KBr壓片法對5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉的結構進行測定，表征結果見圖1。

圖1 TCPP的紅外光譜Fig.1 IR spectra of TCPP

2.1.2 紫外光譜 以乙醇為溶劑，配制濃度為5×10-5mol/L的TCPP溶液進行紫外檢測。

卟啉類化合物均有兩個主要吸收帶，400～500 nm范圍內的B(Soret)帶，它主要表示卟啉環的特征吸收特性。500～700 nm的為Q帶，其主要是卟啉環共軛體系π-π*躍遷產生的吸收帶[12]。由圖2可知，5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉的Soret帶波長為416 nm，Q帶波長分別為512，546，590，645 nm。

圖2 TCPP的紫外光譜Fig.2 UV spectra of TCPP

2.1.3 熒光光譜 以乙醇為溶劑，配制濃度為5×10-5mol/L的TCPP溶液進行熒光檢測，結果見圖3。5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉的較強發射峰在652 nm處，較弱的發射峰在719 nm處。在溶液中加入Hg2+后，顏色明顯變黃，體系發生藍移現象，在607 nm處出現一個較弱特征峰。因此，該探針可用于鑒別水體中的Hg2+。

圖3 卟啉的熒光譜圖Fig.3 Fluorescence spectra of TCPP

2.2 TCPP熒光探針檢測水體Hg2+

2.2.1 選擇性測試 分析各金屬離子對卟啉體系熒光強度變化的影響可得，除Cu離子對5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉有較小影響(可忽略不計)，該探針不與水體中的K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe2+等常見離子反應。因此，該探針在水體中的Hg2+檢測中具有較大應用價值。

圖4 TCPP檢測離子選擇性熒光圖Fig.4 TCPP detection of ion-selective fluorescence histogram

2.2.2 靈敏度測試 在波長為652 nm處，卟啉濃度為 1×10-6～5×10-5mol/L時，體系熒光強度隨Hg2+的變化滿足函數y=p1×exp(-x/p2)+p3+p4×x(p1=6.22×105，p2=5.04×10-6，p3=1.37×105，p4=-1.68×109)，R2=0.999。且該探針的檢出限為2×10-8mol/L，滿足我國國家標準規定的檢測限制的要求。

圖5 652 nm波長下濃度-熒光強度的關系圖Fig.5 The relation diagram of concentration-fluorescence intensity at 652 nm wavelength

2.2.3 TCPP-Hg2+體系最佳pH的確定 通過對不同pH條件下5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉-Hg2+體系熒光特性比較得出，當pH為2時5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉-Hg2+體系的熒光譜圖異常，造成該現象的原因為在強酸性條件下，卟啉質子化導致其性質發生變化。當pH為9或10時，卟啉的 —COOH與 —OH反應，破壞了體系中卟啉的結構，導致其熒光強度減弱。對比各pH條件下的猝滅強度得出，在pH為7時，體系熒光猝滅效應最為明顯。因此，當pH在7附近時，5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉與Hg2+體系的反應條件最佳。

圖6 不同pH 條件下TCPP-Hg2+體系熒光效應Fig.6 Fluorescence effect diagram of TCPP-Hg2+ system under different pH conditions

2.2.4 TCPP-Hg2+體系時間穩定性檢測 分析實驗數據得出，5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉-Hg2+體系具有較好的時間穩定性，該體系可快速達到穩定狀態且在35 min內體系保持相對穩定，滿足檢測時間需要。實驗中偶然發現，將TCPP-Hg2+體系長時間放置(2～3 d)，溶液顏色會由加入Hg2+后的顏色(黃綠色)褪色為TCPP溶液的顏色(粉紅色)。具體原因我們將進一步分析研究。

圖7 TCPP-Hg2+體系時間穩定性圖Fig.7 TCPP-Hg2+ system time stability

3 結論

通過對5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉熒光特性的研究發現，該探針在用于水體Hg2+的檢測中具有熒光效應變化明顯(肉眼可見)，不易受水體中其他常見金屬離子干擾，對Hg2+具有良好的選擇性的優點。Hg2+檢測時檢出限為1×10-6mol/L，Hg2+變化對體系熒光強度的影響滿足指數函數關系。因此，5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉可作為一種快速、便捷、有效的方法用于檢測水體中的Hg2+。

由于實際水體環境狀況復雜，在實際應用中，未知影響因素可能會對5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉-Hg2+體系熒光變化產生干擾，導致檢測結果出現誤差。為此，在下一步的研究中，我們將通過類比法、控制變量法對該檢測方法的可靠性進行研究。以實際水體為檢測背景，分別使用該檢測法與現有Hg2+檢測方法(冷原子發射光譜法或電感耦合離子法等)對實際污染水體進行測定，得出該探針用于測試實際水體時的其它各項條件及參數，以使得5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉可作為一種更為可靠的探針用于水體中Hg2+的檢測。