雙極四齒配體的合成及其超分子聚合物共振光散射法測定錳

酈志陽，蘇昌霖，廖力夫，肖錫林

(1.南華大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，湖南 衡陽 421001；2.南華大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

錳(Mn)是生物機體必需的微量元素之一，也是若干生物酶不可或缺的重要組成部分。但錳過量會導(dǎo)致中毒、塵肺、甚至死亡，因此建立一種快速有效檢測錳離子的新方法對生命活動具有重要意義。共振光散射(Resonance light scattering，RLS)是指發(fā)射光與分子吸收帶相近或相等時，散射頻率與電子吸收頻率相同，電子發(fā)生共振，進而再次散射的過程。通過吸收-再散射這一過程，體系RLS強度急劇增大，不同于瑞利(Rayleigh)散射和丁達爾(Tyndall)散射，且散射強度與發(fā)射波長的4次方不成反比關(guān)系。基于這些性質(zhì)，共振光散射技術(shù)是一種基于分子體積增大、散射強度與溶液的濃度呈線性關(guān)系、能進行定量分析的光譜檢測技術(shù)。該方法僅需在熒光光譜儀上設(shè)置通帶寬度、相等的激發(fā)波長和發(fā)射波長等參數(shù)，進行同步掃描即可[16-18]。相對于目前已經(jīng)發(fā)展的原子發(fā)射光譜法[19]、紫外可見光光譜法[20]、化學(xué)發(fā)光法[21]和熒光光譜法[22]等測定錳的分析方法，共振光散射法具有更寬的檢測范圍，而且具有操作簡便、低成本、高靈敏度等優(yōu)點[23-24]。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

3,3′-二氨基聯(lián)苯胺、水楊醛、四水合硝酸錳、二甲基亞砜(DMSO)、乙醇均為分析純；實驗用水為二次蒸餾水。

IR Prestige-21傅立葉變換紅外光譜儀(日本島津公司)；Bruker 400 MHz NMR核磁譜儀(瑞士布魯克公司)；UV-3900紫外-可見分光光度計、Hitachi F-7000熒光光譜儀(日本日立公司)；Flash EA 1112元素分析儀(美國熱電公司)；PHS-3C型精密酸度計(上海雷磁儀器廠)。

1.2 配體合成及超分子自組裝

配體合成：將1.220 g(10 mmol)水楊醛和0.535 g(2.5 mmol) 3,3′-二氨基聯(lián)苯胺分別溶解于25 mL無水甲醇中，再加入2～3滴冰乙酸作催化劑，在50 ℃下充分反應(yīng)6 h。隨后冷卻到室溫，過濾，得黃色固體，將黃色固體用無水乙醇重結(jié)晶，再真空干燥，即得到純產(chǎn)物Bis-salophen(1.358 g,收率86%)。

自組裝反應(yīng)：稱取0.630 g(1 mmol) Bis-salophen，溶解在含有10%(體積分數(shù))的DMSO水溶液中，配成濃度為50 nmol/mL的溶液；稱取0.214 g(1 mmol)3,3′-二氨基聯(lián)苯胺溶解在含有10%(體積分數(shù))的DMSO的水溶液中，配成濃度為50 nmol/mL的溶液；稱取0.251 g(1 mmol)四水合硝酸錳溶解在二次蒸餾水中，配成濃度為10 nmol/mL的溶液。在10 mL比色管中加入1 mL 50 nmol/mL Bis-salophen溶液和1 mL 50 nmol/mL 3,3′-二氨基聯(lián)苯胺溶液，再加入1 mL Tris-HCl緩沖溶液，以不同體積的10 nmol/mL錳離子溶液稀釋至10 mL，再孵化30 min，即得不同濃度的錳配位的超分子聚合物溶液。

1.3 Bis-salophen的結(jié)構(gòu)表征

1.3.1 元素分析利用元素分析儀對產(chǎn)物Bis-salophen中C、H、O、N 4種元素進行檢測，進而初步分析其組成，并推斷出化學(xué)組成最簡式。

1.3.2 紅外光譜分析通過壓片法和基線掃描，利用傅立葉紅外光譜儀在400～4 000 cm-1范圍內(nèi)掃描，確定其主要特征官能團，并結(jié)合數(shù)據(jù)進行分析。

1.3.3 核磁共振氫譜分析利用Bruker 400 MHz NMR核磁共振氫譜儀得到Bis-salophen的核磁共振氫譜圖，并結(jié)合元素分析和紅外光譜圖，推理出該化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)及構(gòu)成。

1.4 Bis-salophen自組裝的條件優(yōu)化

在10 mL比色管中加入1 mL 50 nmol/mL Bis-salophen溶液、1 mL 50 nmol/mL 3,3′-二氨基聯(lián)苯胺溶液和1 mL 50 nmol/mL硝酸錳溶液，利用熒光光譜儀進行共振光散射同步掃描，考察不同酸度、反應(yīng)時間和反應(yīng)溫度對體系RLS強度的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)原理及檢測機理

Bis-salophen的合成及超分子自組裝示意圖見圖1。由圖可知，配體Bis-salophen是一種雙極四齒席夫堿，它具有兩個N2O2型四齒空腔，一分子Bis-salophen可與兩分子錳離子反應(yīng)生成雙核配合物。錳離子與Bis-salophen螯合后，剩余的配位點可進一步與3,3′-二氨基聯(lián)苯胺發(fā)生自組裝反應(yīng)，形成錳配位的超分子聚合物。由于體系中聚合物的生成，分子體積增大，導(dǎo)致強烈的共振光散射。研究表明，當體系中不存在錳離子時，體系的RLS強度很小；隨著錳離子濃度不斷增加，體系的RLS強度也隨之增大。由此可見，分子體積和濃度是影響RLS強度的兩個重要因素。表明該方法可用于錳離子的分析檢測。

圖1 Bis-salophen的合成及超分子自組裝示意圖Fig.1 Synthesis and supramolecular self-assembly of bis-salophen

2.2 Bis-salophen的結(jié)構(gòu)表征

2.2.1 Bis-salophen的元素分析配體Bis-salophen的元素分析結(jié)果見表1。由表中數(shù)據(jù)可知，C、H、O、N的質(zhì)量分數(shù)實驗值和理論值基本一致，可初步證明產(chǎn)物為目標產(chǎn)物，分子式推斷其為C40H30O4N4。

表1 Bis-salophen的元素分析(%)Table 1 Elemental analysis of bis-salophen(%)

圖2 Bis-salophen的紅外光譜圖Fig.2 IR spectrum of bis-salophen

圖3 Bis-salophen的核磁共振氫譜圖Fig.3 1H NMR spectrum of bis-salophen

圖4 錳形態(tài)隨pH值的分布Fig.4 Distribution of manganese speciation with pH value

圖5 體系RLS光譜圖Fig.5 RLS spectra of the systema:Mn2+(5 nmol/mL);b:3,3′-diaminobenzidine(5 nmol/mL);c:bis-salophen solution 5 nmol/mL;d-j:b+c+Mn2+(Mn2+=0.4,1.0,2.0,3.0,4.0,5.0,6.0 nmol/mL);insert:calibration curve

2.3 自組裝條件優(yōu)化

在其他變量相同的條件下，考察不同酸度對體系RLS強度的影響。結(jié)果顯示，RLS強度隨pH值增大呈先增大后減小的趨勢，在pH 7.0～8.0范圍內(nèi)達到最大，表明該自組裝反應(yīng)需在中性條件下進行。由于不同的緩沖溶液有不同的緩沖范圍，因此本實驗采用pH 7.5的Tris-HCl緩沖溶液來調(diào)節(jié)溶液的酸度，用量為1 mL。

2.3.2 反應(yīng)時間的影響體系共振光散射強度隨著反應(yīng)時間的增大而增大，在15 min后達到最大，此后基本保持不變。表明Bis-salophen、3,3′-二氨基聯(lián)苯胺與錳離子的自組裝反應(yīng)可在15 min后達到飽和狀態(tài)，因此，實驗選擇在自組裝15 min后進行測定。

2.3.3 反應(yīng)溫度的影響實驗通過在不同溫度下檢測共振光散射強度，考察反應(yīng)溫度的影響。結(jié)果顯示，體系RLS強度隨溫度的增大呈先增大后減小的趨勢，當反應(yīng)溫度為15～25 ℃時，RLS強度最大。這是由于該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，隨著溫度升高，平衡向正向進行，低溫下自組裝能力下降；而高溫下客體配體3,3′-二氨基聯(lián)苯胺易發(fā)生氧化反應(yīng)，導(dǎo)致配位能力下降，因此實驗選擇反應(yīng)溫度為20 ℃。

2.4 抗干擾實驗

2.5 光譜特征、標準曲線與檢出限

RLS光譜圖見圖5，由圖可知，隨著錳離子濃度逐漸增大，體系的RLS強度也隨之增大，且錳離子濃度在0.4～6.0 nmol/mL范圍內(nèi)，共振光散射強度(IRLS)與Mn2+濃度(c)呈良好的線性關(guān)系，線性方程為IRLS=270.64c(nmol/mL)+1 530.21，相關(guān)系數(shù)(r)為0.999 4。根據(jù)公式LOD=3Sb/m(其中Sb為空白標準偏差，m為工作曲線的斜率)計算得該方法的檢出限(LOD)為0.13 nmol/mL。比電感耦合等離子原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)[25]具有更低的檢出限，靈敏度更高。

2.6 實際樣品測定及回收率

采集湘江水樣(稀釋10倍)、生活用水和蒸餾水在優(yōu)化條件下測定。首先通過預(yù)處理，將樣品的pH值調(diào)至近中性，再加入二巰基丙醇和F-溶液，利用共振光散射法進行測定，并進行錳離子不同梯度的加標回收實驗[26]。實驗結(jié)果如表2所示，樣品的回收率為98.5%～103%，相對標準偏差(RSD)低于5%。表明該方法能很好地檢測實際樣品中的錳離子，且具有良好的回收率。

表2 實際樣品分析(n=6)Table 2 Analysis of real samples(n=6)

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3 結(jié) 論

本研究采用水楊醛和3,3′-二氨基聯(lián)苯胺合成雙極四齒主體配體Bis-salophen，再利用3,3′-二氨基聯(lián)苯胺作為客體配體，通過共振光散射技術(shù)實現(xiàn)了對錳離子的檢測。該方法具有操作簡便、靈敏度高、檢測費用低等優(yōu)點，并成功應(yīng)用于湘江水樣和生活用水中錳離子的檢測，為其他金屬離子的痕量檢測提供了新的思路和方法。