本研究旨在开发一种基于支化聚乙烯亚胺(bPEI)的高效传感策略,用于水体中铜离子(Cu
2+)的快速、灵敏检测。随着生活水平的提高,环境污染对健康的影响日益受到关注。重金属离子如铝、铁、锌、镉、砷、汞等在工农业中广泛使用,并通过“三废”进入自然环境。这类污染物具有持久性、难降解性、生物富集性和高毒性等特点,严重威胁生态系统和人体健康
[1]。
Cu
2+作为生命必需微量元素,在过量摄入时会引发神经退行性疾病等健康风险
[2]。Fe
3+是自然界和生物体中含量丰富的必需元素,但过量存在会导致水体富营养化和土壤酸化
[3]。Co
2+作为维生素B12的关键组分,在铁代谢和血红蛋白合成中具有重要作用,但过量暴露会引发心肌病、肺病等疾病
[4]。尽管钴盐在工业和催化领域应用广泛,目前适用于环境和生物样本的Co
2+检测方法仍较为有限
[5]。
传统重金属检测方法如原子吸收光谱法和电感耦合等离子体质谱法虽可靠性高,但依赖昂贵设备且操作复杂,限制了其现场应用
[6]。近年来,分光光度法因操作简便、响应快速、选择性好和灵敏度高等优势受到广泛关注
[7]。bPEI作为一种水溶性阳离子聚合物,分子结构中伯胺、仲胺和叔胺的比例约为1∶2∶1
[8-10],富含大量活性氨基,可通过配位作用选择性捕获特定金属离子,形成稳定配合物
[11]。该过程常伴随明显的颜色变化
[12]和紫外-可见吸收光谱位移,源于配体至金属的电荷转移跃迁,从而实现金属离子的灵敏检测,同时比色法可以快速地通过肉眼识别目标离子,具有高灵敏度、特异性、简单、成本低等优点,可实现对生物、毒理学和环境分析物的快速跟踪
[13-15]。
值得注意的是,S
2-与Cu
2+具有较强的络合能力,传统上被视为检测干扰因素,但该特性亦可转化为对S
2-的间接传感策略。本研究基于bPEI开发了一种双模式检测体系,通过比色法实现Cu
2+的快速识别,并借助紫外光谱进行定量分析;进一步利用S
2-的竞争性结合作用,构建可逆检测平台,实现Cu
2+与S
2-的动态监测
[16]。系统优化了bPEI探针与金属离子络合时间、温度及pH等关键参数,并在实际水样中验证了方法的可行性,为重金属污染防控提供了一种经济、高效的解决方案。
1 材料与试剂
1.1 试剂
支链聚乙烯亚胺(bPEI,Mw=800)购自默克生命科学;氢氧化钠、盐酸(化学纯)购自天津鑫铂特;CuCl2、LiCl、NaCl、CaCl2、CdCl2、CoCl2、CrCl2、CuCl2、FeCl3、MgCl2、MnCl2、AlCl3购自阿拉丁;正四丁基溴化铵、正四丁基硝酸铵、正四丁基高氯酸铵、正四丁基碘化铵、正四丁基醋酸铵、正四丁基磷酸二氢铵、正四丁基氟化铵、正四丁基氯化铵、正四丁基硫酸氢铵、正四丁基磷酸铵、正四丁基硫酸铵、正四丁基六氟磷酸铵购自美国赛默飞。
1.2 仪器
紫外分光光度计UV-6100s,配1 cm石英比色皿购自上海光谱仪器有限公司;电热鼓风干燥箱DHG-9245A购自上海一恒科学仪器有限公司;傅里叶红外光谱仪Nicolet iS20购自美国赛默飞世尔科技公司;pH计FE28购自梅特勒-托利多仪器上海有限公司;电子天平FA2004N购自上海海鼎科学仪器有限公司。
2 实验部分
2.1 标准溶液
溶液配制:bPEI储备液(64 mg/L),称取0.006 4 g bPEI(Mw=800),超纯水溶解并定容至100 mL;Cu2+标准液(0.01 mol/L),CuCl2溶解后稀释至0.01 mol/L;在水中配置金属离子标准溶液(0.01 mol/L),将NaOH与HCl的混合物按照比例配置,所有标准溶剂随配随用,避免出现降解的风险。
2.2 bPEI探针对金属离子灵敏度和选择性测试
在pH=7条件下,向bPEI溶液中分别加入Li+、Na+、Ca2+、Cd2+、Co2+、Cr3+、Cu2+、Fe3+、Mg2+、Mn2+和Al3+等金属离子,各离子浓度均为0.01 mol/L。观察溶液颜色变化并记录紫外-可见吸收光谱。为考察pH影响,用NaOH或HCl调节含0.01 mol/L Cu2+、Fe3+、Co2+的bPEI溶液pH至2~12,测定相应光谱变化。
2.3 [bPEI-Cu2+]络合S2-的可逆性测试
研究配合物[bPEI+Cu2+]体系对S2-、AcO-、$\mathrm{SO}_{4}^{2-}$、$\mathrm{PO}_{4}^{3-}$、$\mathrm{NO}_{3}^{-}$、F-、I-、Br-、Cl-、$\mathrm{PF}_{6}^{-}$、$\mathrm{ClO}_{4}^{-}$、$\mathrm{HSO}_{4}^{-}$、H2$\mathrm{PO}_{4}^{-}$等阴离子的响应行为,探究bPEI对Cu2+和S2-的感应机理及可逆开关特性。
2.4 真实水样中Cu2+检测实验
为了进一步评估bPEI探针在真实样品中检测Cu
2+的可靠性,在测试的样品制备中,使用新疆大学博达校区湖水代替超纯水,将水样经0.45 μm滤膜过滤后,依次加入bPEI溶液至终浓度64 mg/L及不同浓度的Cu
2+溶液,最后用超纯水定容至10 mL,随即进行紫外光谱检测
[16]。
3 结果与讨论
3.1 支链化聚乙烯亚胺及其配合物红外光谱的分析
如
图1所示bPEI和bPEI-Cu
2+配合物的红外光谱。在bPEI的红外光谱曲线中,1 577、1 460 cm
-1处的特征带分别归因于伯胺(—氨基)的不对称和对称弯曲振动。以3 284 cm
-1为中心的宽带是伯胺的拉伸振动。在2 937、2 812 cm
-1处观察到的条带归因于甲烯的拉伸振动
[16]。在N—H伸缩振动峰(3 300~3 500 cm
-1)处,700~1 700 cm
-1区域内的振动模式主要是N—H弯曲和CH
2摇摆运动的混合。在bPEI中1 500~1 650 cm
-1区域出现了新的吸收带,这些吸收带归因于bPEI中伯胺的N—H弯曲吸收。
加入Cu
2+后,Cu
2+与胺基(—NH
2/—NH)的孤对电子配位,导致N—H键的电子云密度降低,键强度减弱,振动频率下降。N—H峰发生明显红移且峰形展宽
[17]。在低波数600 cm
-1区域观察到新峰,源于bPEI-Cu
2+键的伸缩振动,这是金属配体络合的直接证据。上述特征峰的变化表明,Cu
2+与bPEI中的胺基发生了配位作用,形成了稳定的bPEI-Cu
2+配合物。
3.2 bPEI探针液相体系中对金属离子的选择性研究
在pH为7的条件下,向含有bPEI(64 mg/L,
Mw=800)的液相体系中分别添加Li
+、Na
+、Ca
2+、Cd
2+、Co
2+、Cr
3+、Cu
2+、Fe
3+、Mg
2+、Mn
2+、Al
3+和Fe
2+的氯化物溶液,以评估bPEI探针对不同金属离子的选择性。
图2结果表明,bPEI对Cu
2+、Fe
3+和Co
2+表现出显著的特异性识别能力,而对其他阳离子的响应较弱或无响应。
3.3 bPEI探针液相体系中光学性能研究
3.3.1 bPEI与Cu2+的紫外-可见吸收光谱分析
bPEI探针溶液本身为无色,加入Cu
2+后溶液在5 s内变为蓝色,且蓝色深度随Cu
2+浓度增加而加深。紫外-可见吸收光谱如
图3所示,加入Cu
2+后出现2个宽吸收带,分别位于200~400、500~700 nm范围内,最强吸收峰位于274 nm,单独的bPEI或Cu
2+溶液在该区域均无吸收。200~400 nm处的吸收峰归因于胺基与Cu
2+之间的配体-金属电荷转移跃迁,而500~700 nm处的吸收则来源于配合物的配位场效应
[18]。
如
图4定量分析所示,在274 nm处吸光度与Cu
2+浓度在5~600 μmol/L范围内呈良好线性关系,拟合方程为
y=0.003 19
x+0.053 17。检出限为0.28 μmol/L(3
σ/S),相对标准偏差为0.431%(
n=6),表明该方法具有高灵敏度和良好的重现性。
3.3.2 bPEI与Fe3+的紫外-可见吸收光谱分析
如
图5所示,Fe
3+加入bPEI探针溶液后,在250~400 nm范围内出现一宽吸收带,最大吸收位于310 nm处。单独的bPEI与Fe
3+溶液在该区域均无明显吸收,且在500~700 nm可见光区未观察到显著吸收峰。bPEI探针本身为无色溶液,加入160 μmol/L Fe
3+后,溶液在数秒内由无色转变为黄棕色,表明其对Fe
3+具有快速响应能力。且Fe
3+浓度越高,黄棕色越深,对应的特征吸收峰强度也同步增强。上述光谱响应特性为Fe
3+的高选择性检测提供了理论依据,尤其适用于复杂体系中Fe
3+的快速识别与定量分析。
如
图6定量分析所示,在310 nm处,体系的吸光度与Fe
3+浓度在5~3.2 mmol/L范围内呈现良好的线性关系,拟合方程为
y=0.001 93
x-0.079 29。经计算,该方法对Fe
3+的检测限为0.54 μmol/L,相对标准偏差为1.44%(
n=6),表明该方法具有良好的灵敏度与重现性。
3.3.3 bPEI与Co2+的紫外-可见吸收光谱分析
bPEI探针为无色溶液,当加入一定浓度Co
2+后,溶液在短时间内发生明显的颜色变化。由
图7可知,单独的bPEI在200~800 nm范围内未出现显著吸收峰,Co
2+溶液本身在紫外区仅显示弱吸收。而当二者结合后,混合溶液在200~400 nm范围内出现强度较高的宽幅吸收峰,最大吸收波长约 316 nm,这是由于bPEI分子中—NH
2与Co
2+之间发生的配体-金属电荷转移过程
[19]。
如
图8定量分析所示,在316 nm处,体系的吸光度与Co
2+浓度在5~600 μmol/L范围内呈现良好的线性关系,拟合方程为
y=0.004 87
x+0.129 54。经计算,该方法对Co
2+的检测限为0.18 μmol/L,相对标准偏差为0.431%(
n=6),表明该方法具有高灵敏度和优异的重复性。
3.4 bPEI探针与Cu2+、Fe3+和Co2+的Job Plot曲线
为探究支化聚乙烯亚胺大分子中氨基氮原子(记为NR)与金属离子Cu
2+、Co
2+和Fe
3+的配位化学计量比,本研究采用Job曲线法进行分析。如
图9所示,Cu
2+、Fe
3+、Co
2+的摩尔分数分别为0.337、0.353和0.287时,体系吸光度达到最大值。由此推得,bPEI中NR与Cu
2+、Fe
3+和Co
2+的配位化学计量比分别约为2∶1、1.8∶1和2.5∶1。Job曲线表明该体系存在以2∶1为主的配位关系;结合文献,可推测Cu
2+可能通过相邻氨基氮原子形成较稳定配位结构
[20],bPEI分子链的柔性使氮原子可调整空间位置,形成热力学稳定的五元螯合环。Fe
3+的1.8∶1计量比则受水解效应影响,其与多胺配体的配合物常因pH变化呈现复杂的配位行为。Co
2+的2.5∶1非整数计量比可能与配体场强度和空间位阻效应相关。根据Cu
2+的特征配位数,bPEI-Cu
2+配合物可能的识别机理如
图10所示,其配位计量关系[
n(NR)∶
n(Cu
2+)=2∶1]的示意图见
图11。
3.5 bPEI液相材料体系pH对Cu2+、Fe3+和Co2+检测的影响
研究进一步探讨了pH对bPEI液相体系中Cu
2+、Fe
3+和Co
2+检测性能的影响,如
图12所示。
在pH在2.05~13.22范围内,加入Cu2+后,bPEI-Cu2+配合物的吸光度随pH变化显著。在弱碱性介质pH为6.0~8.52时,吸光度显著增强,适于高灵敏度检测;在强酸pH<3.0条件下,由于胺基高度质子化,无法有效配位,吸光度变化不明显;当pH>12.0时,Cu2+水解生成Cu(OH)2,抑制络合反应,吸光度下降。总体表明,bPEI-Cu2+配合物体系在较宽pH范围内检测信号稳定。
针对Fe3+易在pH>4时水解生成Fe(OH)3沉淀的特性,重点考察了pH在2~5范围内bPEI对Fe3+的响应。在320 nm处,吸光度随pH升高而增强,于pH为5时达到最大。pH在2~3范围内,胺基质子化严重抑制配位,吸光度较低。pH在4~7范围内,胺基去质子化程度适宜,Fe3+与bPEI形成稳定的六配位配合物,吸光度显著提升。因此,Fe3+检测宜控制在pH 4~7范围内,以避免沉淀干扰。
为避免Co2+在高pH下生成Co(OH)2水解产物,研究了pH 3~7范围内bPEI对Co2+的响应。在pH 3~5范围内,胺基质子化虽削弱配位能力,Co2+仍可部分络合;在pH 6~7范围内,去质子化增强配位作用,但需注意避免Co2+水解。因此,bPEI适用于近中性环境中Co2+的检测。
3.6 温度对bPEI探针(a)与Cu2+、Fe3+和Co2+络合能力的影响
本研究探究了不同温度(25~50℃)下bPEI与Cu
2+、Fe
3+和Co
2+的络合行为及其温度依赖性。结果如
图13所示,bPEI-Cu
2+体系在25~50℃吸光度基本不变,归因于其高结合常数和刚性配位结构,无需严格控温。bPEI-Fe
3+体系吸光度随温度略有波动,可能与水解抑制或局部配位增强有关;bPEI-Co
2+体系吸光度轻微下降,受热运动影响,但整体稳定。综上,bPEI探针在25~50℃条件下可稳定检测3种金属离子,其稳定性主要源于金属-胺基的强配位作用及配合物的结构刚性,为环境水体及生物样品的快速检测提供了可靠条件。
3.7 bPEI探针对金属离子络合体系的反应时间
为评估bPEI对金属离子检测信号的稳定性,本研究分别考察了bPEI与Cu
2+、Fe
3+和Co
2+络合体系的时间依赖性。如
图14所示,对于bPEI-Cu
2+体系,吸光度在100 s内迅速达到最大值,并在随后 1 h内保持稳定,表明该络合反应快速且稳定,可在室温下实现无需严格时间控制的Cu
2+快速检测。对于bPEI-Fe
3+体系,吸光度在0~500 s内快速上升至1.96,表现出初始络合迅速的特点。然而其稳定性受Fe
3+水解与溶液氧化还原环境影响,整体稳定性低于Cu
2+体系。bPEI-Co
2+体系吸光度于0~200 s内快速升高,但在3 000 s后逐渐下降,50 min内呈现明显衰减趋势,表明bPEI-Co
2+配合物稳定性较弱,检测过程需严格时间控制。
3.8 [bPEI-Cu2+]对S2-的响应性分析
3.8.1 bPEI感应机理Cu2+和S2-
S2-与Cu2+的络合能力显著强于Cu2+与bPEI的络合能力,络合常数分别为Kf(Cu-S2-)=6.3×1036,Kf(bPEI-Cu2+)=1.1×1013,Kf(bPEI-Cu2+)=1.7×1013。当S2-加入bPEI-Cu2+配合物体系时,S2-通过竞争性配位反应取代bPEI中的Cu2+,生成更稳定的CuS沉淀,反应方程式如下:
$\mathrm{bPEI}-\mathrm{Cu}^{2+}+\mathrm{S}^{2-} \longrightarrow \mathrm{bPEI}+\mathrm{CuS}(\mathrm{s})$
该过程导致配合物解离,溶液由蓝色褪为无色。如
图15紫外光谱显示,274 nm处吸光度显著降低,证实Cu
2+从bPEI中释放。
3.8.2 [bPEI-Cu2+]对S2-的选择性及抗干扰性分析
为评估[bPEI-Cu
2+]配合物对S
2-的选择性识别能力,将含160 μmol/L Cu
2+的溶液分别加入等浓度的S
2-、Cl
-、
${\mathrm{NO}}_{3}^{-}$、
${\mathrm{ClO}}_{4}^{-}$、
${\mathrm{SO}}_{4}^{2-}$、
${\mathrm{HCO}}_{3}^{-}$、
${\mathrm{HSO}}_{4}^{-}$、H
2${\mathrm{PO}}_{4}^{-}$、F
-和
${\mathrm{PF}}_{6}^{-}$干扰离子,并记录274 nm吸光度变化。结果如
图16所示,仅S
2-引起吸光度降低,其余离子无显著影响。
此外,本研究验证了bPEI探针在Cu
2+与S
2-交替存在下的可逆性能,如
图16所示。加入Cu
2+后,274 nm处出现吸收峰,随后加入S
2-,吸收峰明显下降,实现“ON-OFF”型信号切换。5次循环实验未见明显性能衰减,表明探针可稳定用于Cu
2+/S
2-的连续检测。
3.9 实际水样中Cu2+检测的研究
为评估该bPEI传感体系在实际水样中的检测性能,采用标准加入法对新疆大学博达校区湖水样品进行分析。结果如
表1所示,Cu
2+的回收率为96.04%~106.02%,相对标准偏差(
RSD)为0.92%~2.35%,表明该方法在实际应用中是准确可靠的。这一结果验证了bPEI液相材料体系检测实际水样中Cu
2+具有可行性。
4 结论
本研究证实,bPEI可作为Cu2+的高效比色传感探针。bPEI与Cu2+在5 s内发生配位反应,导致溶液变为蓝色并在274 nm处产生特征吸收峰,且对Cu2+的选择性显著高于Fe3+、Co2+等其他离子。在优化条件下,bPEI与Cu2+形成n(NR)∶n(Cu2+)=2∶1配合物,吸光度与Cu2+浓度具有良好线性相关,检测限为0.28 μmol/L。该体系还可通过S2-的竞争配位实现可逆检测。实际水样分析中96.04%~106.02%的加标回收率,验证了方法的可靠性。
新疆维吾尔自治区自然科学基金项目(2021D01C039)
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