纖維素基熒光傳感材料在Cu2+傳感中的應用*

馬洪偉，周 敦，陳 玉，李 斌

(東北林業大學化學化工與資源利用學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

眾所周知，金屬離子在生命過程中扮演著重要的角色，對金屬離子的定性定量分析，對疾病的準確診治具有重要價值[1]。Cu2+作為人體內含量較為豐富的過渡金屬離子，Cu2+過量會導致一些像阿爾茨海默癥等神經退行性疾病[2-3]。因此針對Cu2+的檢測設計一種熒光探針檢測器成為目前研究熱點之一[4]。熒光檢測法具有成本低、靈敏度高和移動性好等優勢，在Cu2+檢測領域具有廣闊的應用前景[5]。2020年，Wang等[6]設計了一種由2-萘酰氯和丹酰肼合成的熒光比率探針用于Cu2+檢測，其檢測限可以達到0.18 μM；2020年，Sun等[7]以硼二吡咯烯(BODIPY)為基礎，以2-羥基-N-(2-羥基苯基)苯甲酰胺為識別位點，設計、合成了一種用于靈敏檢測銅離子的新型熒光探針；2019年Pu等[8]設計并合成了一種基于香豆素-羅丹明B雜交的比色和比率熒光傳感器，通過FRET機制對Cu2+進行識別。

盡管熒光分子在檢測Cu2+領域已經取得較大的進展，但是用于Cu2+檢測的熒光材料仍然面臨著聚集淬滅的問題，導致其發光效率降低，導致其檢測Cu2+的靈敏度受限。纖維素是目前世界上儲存最為豐富的生物質資源，纖維素的結構由D-葡萄糖通過β-1-4糖苷鍵組成，對于纖維素有一個重要的結構特征：每個葡萄糖單元都有3個羥基，分別位于2、3和6位[9-13]，大量的羥基賦予其較強的親水性和大的吸附能力。利用化學接枝法將熒光基團共價接枝在纖維素分子上，可以使熒光分子均勻地分散在纖維素分子上，降低熒光分子間的π-π堆積作用，從而提高其光致發光性能[14]。同時，纖維素對金屬離子具有較強的吸附性，可以實現分析物的預富集，進一步提高熒光材料檢測的靈敏度。此外，與以前的小分子探針相比較，纖維素基化學傳感器具有良好的加工性能[15]。

基于此，本文設計并合成用于Cu2+檢測的纖維素基熒光材料。該工作以醋酸纖維素為基底，選擇異煙酸作為Cu2+檢測的活性單元[16]。通過酯化反應，將異煙酸接枝于纖維素。異煙酸本身不具有發光基團，然而我們發現異煙酸接枝于纖維素后展現出綠色的熒光發射，該纖維素熒光材料對Cu2+的檢測限可以達到1.08 nmol，具有較好的應用前景。

1 實 驗

1.1 儀器與試劑

1.1.1 實驗儀器

熒光光譜儀(SHIMADZU，RF=6000，日本)；核磁共振波譜儀(瑞士Bruker，500 MHz)；傅里葉紅外光譜儀(日本，KBr壓片)；穩態瞬態熒光光譜儀(中國，QM8000)。

1.1.2 實驗試劑

異煙酸(98%)，安耐吉化學；N,N-二甲基甲酰胺、四氫呋喃,均為分析純，天津市富宇精細化工有限公司；醋酸纖維素(DS=2.46，Mn=265.78)，阿拉丁化學；去離子水；N,N-羰基二咪唑(98%)，安耐吉化學；二水合氯化銅、硫酸鋅、硫酸錳、硝酸鎂、硫酸亞鐵、硝酸鉛、硝酸鎳(AR)，安耐吉化學。

1.2 實驗方法

1.2.1 材料的制備[17]

稱取0.52 g異煙酸(Py-COOH)，溶解于裝有20 mL N,N-二甲基甲酰胺的兩頸燒瓶中，在80 ℃下，攪拌至其完全溶解。稱取0.68 g N,N-羰基二咪唑加入上述體系中，劇烈攪拌直至體系無氣泡釋放。稱取1.5 g 醋酸纖維素(CA)溶解于20 mL N,N-二甲基甲酰胺，將其倒入上述體系中，保持體系反應溫度為80 ℃，繼續反應12 h，反應結束后冷卻至室溫，將反應液倒入200 mL去離子水中，靜置1 h，常溫常壓過濾，用去離子水沖洗濾餅23次，將濾餅冷凍干燥，得到白色粉末固體(CA-Py)，密封保存，備用，如圖1所示。

圖1 CA-Py 合成路線

1.2.2 Cu2+離子溶液配制

配制濃度為0.01 mmol Cu2+溶液。稱取54 mg 二水合氯化銅，溶解于20 mL 去離子水中，保存備用。

2 結果與討論

2.1 CA-Py結構表征

2.1.1 IR分析

由圖2可以看出，樣品中醋酸纖維素(CA)紅外光譜顯示在位于3330～3340 cm-1處的寬帶，歸因于-OH基團振動，2920 cm-1附近的寬帶與C-H振動有關，1100附近寬帶歸因于C-O-C基團振動[18]；樣品CA-Py在1751 cm-1和758 cm-1處分別是C=O和芳香環C-H官能團特征峰，結果表明異煙酸成功接枝于醋酸纖維素。

圖2 CA-Py與CA紅外光譜

2.1.2 核磁分析

由圖3所示，在CA-Py核磁共振氫譜中，7.9～8.85 ppm處出現的特征峰歸屬于吡啶(Py)上H的特征峰；在核磁共振碳譜中(圖4)，在169.82 ppm和170.79 ppm出現羰基碳特征峰。由此表明Py成功接枝到CA上。

圖3 CA-Py 核磁共振氫譜

圖4 CA-Py 核磁共振碳譜

2.1.3 熒光分析

分別配置1 mg/mL的CA和CA-Py的THF溶液，由圖5可以看出，在308 nm的激發波長下，相較于CA來說，CA-Py在400 nm處出現明顯的發射峰，這是由于醋酸纖維素的大分子鏈降低了吡啶基團的π-π堆積作用，從而提高了吡啶基團的熒光強度。

圖5 CA-Py與CA熒光光譜

2.2 Cu2+離子溶液檢測

配制1 mg/mL CA-Py的THF溶液。取2 mL CA-Py溶液置于比色皿中，分別加入0.1～1.3 μM Cu2+溶液。從圖6中可以看出，當加入Cu2+溶液時，CA-Py溶液熒光強度逐漸減弱；從圖7中可以看出淬滅速率與加入Cu2+物質的量呈一定線性關系，當加入Cu2+物質的量大于0.6 μM后，隨著加入Cu2+物質的量增加，體系逐漸達到飽和。根據檢測限公式LOD=3σ/m，CA-Py對Cu2+的檢測限可以達到1.08 nmol。

圖6 加入Cu2+后體系熒光光譜

圖7 淬滅速率線性關系

2.3 機制分析壽命測試

由圖8可知，當Cu2+加入到CA-Py的溶液中后，CA-Py的熒光壽命從2.59 ns衰減到2.43 ns，結果表明熒光材料CA-Py與Cu2+發生碰撞后導致材料能量損失，進而熒光發生淬滅，該過程屬于動態淬滅。

圖8 熒光壽命

3 結 論

本文采用醋酸纖維素為基底材料，異煙酸作為檢測活性單元，通過酯化反應接枝于纖維素，制備了熒光纖維素材料CA-Py。纖維素中大量的羥基提高了活性單元對Cu2+檢測的靈敏度，CA-Py對Cu2+的檢測限可以達到1.08 nmol。同時醋酸纖維素的大分子鏈降低了吡啶基團的π-π堆積作用，提高了吡啶基團的熒光強度。進一步，通過穩態瞬態熒光測試驗證CA-Py的檢測機制，結果表明CA-Py對Cu2+的檢測機制為動態淬滅。