现代化工

现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (8) : 244-249. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.08.040

分析测试

用于饲料中Cu²⁺检测的新型荧光探针的合成与性能研究

曾碧涛 ¹ ,
马文成 ¹ ,
田庆勤 ² ,
赵志刚 ² ,
石治川 ²^,^*

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Synthesis and performance study of a novel fluorescent probe for Cu²⁺ detection in feed

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Received		Published
2026-04-17		2026-08-20
Issue Date	Revised Date
2026-08-13	2026-04-17

PDF (2449K)

摘要

针对饲料中铜离子快速检测的需求,合成了一种新型席夫碱荧光探针P。该探针在乙醇/水溶液中发射强荧光,加入Cu²⁺后荧光迅速淬灭,紫外灯下颜色变化明显,可实现裸眼识别。探针P选择性高,抗干扰能力强,检出限低至58.3 nmol/L,与Cu²⁺形成1∶1配合物。试纸实验和饲料加标回收结果表明,该探针操作简便、响应快速,在饲料及环境样品中Cu²⁺检测方面具有良好的实用价值。

Abstract

To meet the demand for rapid detection of copper ions in feed,a novel Schiff-base fluorescent probe P was synthesized in this study.The probe exhibits strong fluorescence emission in ethanol/water solution.Upon addition of Cu²⁺,the fluorescence is rapidly quenched,with an obvious color change under a UV lamp,enabling naked-eye recognition.The probe shows high selectivity and strong anti-interference ability,with a detection limit as low as 58.3 nmol/L,and forms a 1∶1 complex with Cu²⁺.Results from test strip experiments and feed spike recovery tests indicate that the probe is easy to operate,responds quickly,and has good practical value for the detection of Cu²⁺ in feed and environmental samples.

关键词

铜离子 / 席夫碱 / 荧光探针 / 饲料

Key words

copper ion / Schiff base / fluorescent probe / feed

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曾碧涛,马文成,田庆勤,赵志刚,石治川. 用于饲料中Cu²⁺检测的新型荧光探针的合成与性能研究[J]. 现代化工, 2026, 46(8): 244-249 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.08.040

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铜是动物生长发育过程中不可或缺的必需微量元素之一,在畜禽养殖中发挥着重要的生理功能^[1]。在畜禽日粮中合理添加含铜饲料添加剂(如硫酸铜、柠檬酸铜等),可有效调控机体代谢,促进生长性能提升,并维持养殖动物的健康状态^[2-3]。然而,铜元素的过量添加会导致畜禽多系统生理功能紊乱:一方面可引起肝脏、肾脏等实质器官的病理性损伤,并通过干扰生殖内分泌轴功能降低繁殖性能^[4];另一方面,过量的铜无法被动物机体有效利用,既造成饲料资源浪费、增加养殖成本,又随畜禽粪便大量排放,在土壤和水体中累积,引发重金属污染风险,进而威胁生态系统稳定性和养殖业的可持续发展^[5-6]。因此,开发高效、简便的分析方法用于饲料样品中铜含量的检测具有重要意义。

迄今为止,多种分析技术已被应用于环境和生物样品中铜的定量检测,主要包括原子吸收光谱法(AAS)、电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)、伏安法及比色法等^[7-9]。然而,上述方法普遍依赖大型仪器设备,操作复杂、试剂消耗量大、检测周期长,且样品前处理烦琐,难以满足现场快速检测及活细胞或组织内铜离子动态监测的需求^[10]。相比之下,荧光探针技术凭借操作简便、成本低廉、响应迅速、选择性好以及可实现裸眼可视化检测等优势,近年来在铜离子传感领域受到广泛关注^[11-12]。

目前,研究者已成功开发出多种用于铜离子检测的荧光探针,并实现了在不同体系中的应用。根据识别机制的不同,已报道的铜离子化学传感器主要可分为若干类型:一类是基于氮(N)、氧(O)等强配位原子构筑的络合型传感器,其中席夫碱单元因亚胺基团(—C=N—)能与铜离子形成稳定的配合物而被广泛采用^[13-14];另一类是基于铜离子诱导特定化学键水解的“关-开”型荧光探针,典型代表为罗丹明内酰胺衍生物,内酰胺环在铜离子存在下水解开环,从而恢复强荧光发射^[15]。这些研究为开发新型铜离子荧光探针提供了重要的设计思路和理论依据。以4-溴三苯胺为起始原料,经3步反应,合成了一种新型席夫碱荧光探针P。该探针对Cu²⁺具有快速、高选择性和高灵敏度的识别性能,荧光淬灭响应明显且可裸眼观察。探针与Cu²⁺形成1∶1型配合物,配位位点为酚羟基氧原子和亚胺氮原子。试纸实验实现了Cu²⁺的可视化检测,饲料加标回收结果良好,表明该探针在饲料及环境样品中Cu²⁺检测方面具有实际的应用价值。

1 实验部分

1.1 实验仪器

400 MHz核磁共振仪(Me₄Si作内标),美国安捷伦公司生产;Thermo Scientific LTQ Orbitrap高分辨质谱仪,美国赛默飞公司生产;UV-6100型双光束紫外-可见光分光光度计,上海美普达公司生产;Dual-FL型荧光光谱仪,日本HORIBA公司生产;IR200型傅里叶变换红外光谱仪(KBr压片),美国赛默飞公司生产;WRS-1B型数字熔点仪,温度计未经校正,上海精密仪器仪表有限公司生产;WP-UPT-10型超纯水机,四川沃特尔水处理设备有限公司生产;PE28型pH计,梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司生产。

1.2 实验试剂

4-溴三苯胺、4-甲酰基苯硼酸、四(三苯基膦)钯、无水碳酸钾、水合肼、2-羟基-1-萘甲醛、浓盐酸、四氢呋喃、无水乙醇、石油醚、乙酸乙酯、醋酸银、醋酸钙、醋酸镉、醋酸钠、醋酸钴、醋酸铜、醋酸铬、醋酸铁、醋酸镁、醋酸锰、醋酸镍、醋酸铅、醋酸锌、醋酸铝、醋酸钡、硝酸汞标准溶液(0.1 mol/L),所有试剂均为市售分析纯级。实验用水为去离子水。

2 试验方法

2.1 探针P的合成

探针P的合成路线如图1所示。

4'-(二苯氨基)-[1'-联苯]-4-甲醛(中间体1)和(E)-4'-[(亚肼基)甲基]-N,N-二苯基-[1'-联苯]-4-胺(中间体2)根据已报道文献[16]制备所得。

向圆底烧瓶中依次加入(E)-4'-(亚肼基亚甲基)-N,N-二苯基-[1'-联苯]-4-胺(363 mg,1 mmol)、2-羟基-1-萘甲醛(172 mg,1 mmol)和无水乙醇(20 mL)。待完全溶解后,向混合液中加入1滴浓盐酸,然后在氩气氛围下加热回流3 h。反应完成后,将反应液冷却、过滤,得到黄色固体粗产物。粗产物用乙醇洗涤3次后,用乙酸乙酯进行重结晶,干燥后,得到黄色粉末状固体探针P(380 mg,产率74%)。m.p.287.2~287.5℃。IR(KBr),ν,cm^-1:3 454、1 603、1 494、1 403、1 081、819。¹HNMR(400 MHz,DMSO-d₆),δ:13.14(s,1H)、9.79(s,1H)、8.93(s,1H)、8.56(d,J=8.1 Hz,1H)、8.06~7.96(m,3H)、7.91(d,J=7.6 Hz,1H)、7.83(d,J=7.7 Hz,2H)、7.71(d,J=7.6 Hz,2H)、7.60(t,J=7.6 Hz,1H)、7.43(t,J=7.2 Hz,1H)、7.35(t,J=7.1 Hz,4H)、7.27(d,J=8.9 Hz,1H)、7.14~7.02(m,8H)。¹³CNMR(101 MHz,DMSO-d₆),δ:162.03、161.75、160.70、147.87、147.30、142.89、135.13、132.98、132.68、132.49、130.11、129.61、129.38、128.52、128.24、128.21、126.90、124.90、124.24、123.98、123.22、121.88、119.25、108.79。HRMS(ESI),C₃₆H₂₈N₃O⁺,理论值(实测值),518.222 7(518.223 3)[M+H]⁺。

2.2 溶液的配制及探针的光学响应测定

探针P用少量DMSO溶解,经乙醇/DMSO(体积比1∶1)混合溶液稀释后,定容得浓度为1×10^-3 mol/L的储备液。不同金属离子溶液分别采用相应的醋酸盐(Ag⁺、Ca²⁺、Cd²⁺、Na⁺、Co²⁺、Cu²⁺、Cr³⁺、Fe³⁺、Mg²⁺、Mn²⁺、Ni²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺、Al³⁺和Ba²⁺)或标准溶液(Hg²⁺),配制成浓度为1×10^-3 mol/L的去离子水溶液。

取20 μL上述探针P储备液(1 mmol/L)置于10 mL比色管中,以乙醇/水(体积比1∶1)混合溶液稀释至10 mL,随后加入适量的不同金属离子溶液,待充分摇匀后,取适量混合液于比色皿中,分别测定相应的紫外-可见吸收光谱与荧光发射光谱。荧光发射光谱测定条件:激发波长437 nm,狭缝宽2 nm,扫描范围250~800 nm。

2.3 结合常数的计算

探针P与Cu²⁺之间结合常数(K_a)根据Benesi-Hildebrand方程:1/(F-F_min)=1/[K[Cu²⁺](F_max-F_min)]+1/(F_max-F_min)计算,其中F为P-Cu²⁺配合物的荧光强度,F_min为P-Cu²⁺配合物的最小荧光强度,F_max为探针P的荧光强度。

3 结果与讨论

3.1 探针P对Cu²⁺识别的光学响应

为探究探针P对Cu²⁺识别的光学响应,在探针P(20 μmol/L)的乙醇/水(体积比1∶1)溶液中加入Cu²⁺溶液(40 μmol/L),反应2 min后分别测定其紫外-可见吸收光谱(图2)和荧光发射光谱(图3)。紫外-可见吸收光谱结果表明,探针P在419 nm处呈现最大吸收峰;加入Cu²⁺后,该吸收峰强度显著降低,提示探针P与Cu²⁺之间发生了相互作用,影响了分子的电子跃迁过程。荧光发射光谱结果显示,探针P在535 nm处具有强荧光(λ_ex=437 nm);加入Cu²⁺后,荧光几乎完全淬灭,同时在紫外灯照射下溶液的亮黄色荧光消失。上述光谱变化表明,探针P对Cu²⁺具有明显的光学响应,可通过裸眼实现初步识别。

3.2 探针P对Cu²⁺识别的响应时间

为考察探针P对Cu²⁺的响应速度,测定了荧光强度随时间的变化规律。在无Cu²⁺存在时,探针P(20 μmol/L)在535 nm处发射强荧光。向体系中加入Cu²⁺(40 μmol/L)后,荧光强度在30 s内急剧淬灭,并在约2 min后趋于稳定(图4)。该结果表明,探针P与Cu²⁺之间的配位反应动力学较快,能够在短时间内完成识别过程,满足快速检测的需求。

3.3 探针P对Cu²⁺识别的选择性与抗干扰能力

为评估探针P对Cu²⁺的特异性识别性能,考察了其对多种常见金属离子(Ag⁺、Al³⁺、Ba²⁺、Ca²⁺、Cd²⁺、Na⁺、Co²⁺、Cu²⁺、Cr³⁺、Fe³⁺、Hg²⁺、Mg²⁺、Mn²⁺、Ni²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺)的荧光响应。在探针P(20 μmol/L)的乙醇/水(体积比1∶1)溶液中分别加入Cu²⁺(40 μmol/L)或等浓度的其他金属离子,室温反应 2 min后记录荧光发射光谱(λ_ex=437 nm)。如图5所示,仅Cu²⁺的加入使探针P的荧光强度发生显著淬灭;Mn²⁺和Ni²⁺仅引起荧光强度微弱降低,其余金属离子对荧光强度无明显影响。以上结果充分证明,探针P对Cu²⁺具有优异的选择性识别能力。

为进一步验证探针P在复杂体系中的适用性,开展了竞争实验(图6)。将Cu²⁺(40 μmol/L)与其他金属离子(40 μmol/L)共同加入探针P溶液(20 μmol/L)中,测得的荧光淬灭程度与Cu²⁺单独存在时相近,表明共存金属离子几乎不干扰探针P对Cu²⁺的响应。该结果证实,探针P在复杂离子环境中仍能维持对Cu²⁺的特异性荧光响应,具备良好的抗干扰能力。

3.4 探针P对Cu²⁺识别的灵敏度与检出限

为评价探针P对Cu²⁺的检测灵敏度,进行了浓度滴定实验。向探针P(20 μmol/L)的乙醇/水(体积比1∶1)溶液中逐步加入不同浓度的Cu²⁺(0、2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、24 μmol/L),反应 2 min后测定荧光发射光谱(λ_ex=437 nm)。如图7所示,随着Cu²⁺浓度逐渐增加,探针P在535 nm处的荧光强度呈持续下降趋势;当Cu²⁺浓度达到 20 μmol/L时,荧光强度趋于平稳,这可能是由于探针P分子中的酚羟基氧原子和亚氨基氮原子与Cu²⁺发生特异性配位,形成了非荧光性配合物,导致荧光淬灭。图7内插图显示,在Cu²⁺浓度为0~12 μmol/L范围内,535 nm处荧光强度与Cu²⁺浓度呈良好线性关系,线性回归方程为y=15 818-1 028.766 92x(R²=0.990 32)。根据3σ方法(LOD=3σ/K,其中σ为空白溶液的标准偏差,K为标准曲线斜率),计算得到探针P对Cu²⁺的检出限为58.3 nmol/L。该结果表明,探针P能够实现对痕量Cu²⁺的高灵敏检测。

3.5 pH对探针P识别Cu²⁺的影响

为考察不同pH环境对探针P识别Cu²⁺能力的影响,在pH 4~11范围内进行了pH滴定实验(图8)。结果表明,探针P本身在较宽pH范围内均保持强荧光;当pH>9时,因酚羟基去质子化导致荧光强度略有下降。在pH 5~9范围内,加入Cu²⁺(40 μmol/L)后,探针P(20 μmol/L)在535 nm处的荧光强度显著降低,表明该pH区间有利于P-Cu²⁺配合物的形成。当pH<5时,荧光淬灭程度减弱,发射强度较pH 7时有所回升,原因在于酸性条件下探针分子中席夫碱结构发生质子化,降低了与Cu²⁺的配位能力。综上,探针P在弱酸至弱碱性条件下对Cu²⁺的检测效果最佳,适用于生理及相关环境样品分析。

3.6 络合比与结合常数

采用Job’s曲线法确定探针P与Cu²⁺的结合化学计量比。保持探针P与Cu²⁺的总浓度为 20 μmol/L,改变两者摩尔分数,测定535 nm处荧光强度随Cu²⁺摩尔分数的变化(图9)。结果表明,当Cu²⁺摩尔分数为0.5时,荧光强度达到拐点,表明探针P与Cu²⁺形成1∶1型配合物。

基于荧光滴定数据,通过双倒数法(Benesi-Hildebrand方程)绘制1/(F-F_min)对1/[Cu²⁺]的关系图(图10),所得曲线呈良好线性关系(R²=0.984 64)。计算得到结合常数K_a=6.39×10⁴(mol/L)^-1,说明探针P与Cu²⁺之间具有较强的结合亲和力,这为探针在低浓度下识别Cu²⁺提供了热力学基础。

3.7 探针P识别Cu²⁺的机理

基于上述实验结果,推测探针P通过与Cu²⁺配位形成稳定的配合物P-Cu²⁺,从而引起荧光淬灭。为进一步阐明配位位点,测定了探针P与Cu²⁺反应前后的¹HNMR谱图(图11)。由于Cu²⁺具有顺磁性,可显著影响邻近配位位点质子的NMR信号。结果显示,游离探针P中酚羟基(—OH)质子信号出现在δ=13.14×10^-6,2个亚胺基(—N=CH—)质子信号分别出现在δ=9.79×10^-6和8.93×10^-6。加入Cu²⁺后,δ=13.14×10^-6处的—OH质子信号几乎完全消失,而2个亚胺质子信号显著降低且峰形变宽。该现象表明,酚羟基氧原子和2个亚胺氮原子共同参与了与Cu²⁺的配位,形成了1∶1模式的配合物(图12)。

3.8 试纸实验

为验证探针P在实际快速检测中的可行性,制备了基于滤纸的简易检测试纸。将定性滤纸浸泡于含探针P的乙腈溶液中,室温通风干燥后裁剪成特定字母形状(“XY”),随后浸入醋酸铜溶液中,再次室温通风干燥并压平,观察荧光变化(图13)。结果显示,原始探针P试纸在紫外灯下呈现强黄色荧光;与Cu²⁺接触后,荧光显著减弱。该试纸实验直观地表明,探针P可用于Cu²⁺的裸眼可视化检测,操作简便、成本低廉,具备良好的商业化开发前景。

3.9 饲料中Cu²⁺的检测

为评估探针P在实际样品中的应用潜力,选取3种市售未添加饲料微矿复合包的饲料样品(样品A、B、C)进行Cu²⁺加标回收实验。分别称取样品(5 g),充分研磨粉碎后加入超纯水(500 mL),浸泡 24 h。取上清液经过滤、有机溶剂萃取去除潜在铜离子和杂质后,配制成乙醇/上清液(体积比1∶1)混合溶液。向其中加入探针P(20 μmol/L)及不同浓度的Cu²⁺标准溶液(4、8、12 μmol/L),测定荧光强度,计算Cu²⁺检出量、加标回收率及相对标准偏差(RSD),结果见表1。实验结果表明,探针P的加标回收率在94.0%~106.5%之间,RSD值较低,说明该方法具有良好的准确性和精密度,能够满足饲料样品中Cu²⁺的定量分析要求。因此,探针P在食品安全与饲料质量监控领域具有实际应用价值。

4 结论

以4-溴三苯胺为原料合成了一种新型席夫碱类Cu²⁺荧光探针P,其在乙醇/水(体积比1∶1)溶液中于535 nm处发射强荧光,加入Cu²⁺后荧光迅速(30 s内急剧淬灭,约2 min稳定)且几乎完全淬灭,紫外灯下亮黄色荧光消失,可实现裸眼识别。选择性实验表明,常见金属离子中仅Cu²⁺能显著淬灭探针荧光,共存离子无明显干扰,抗干扰能力强。荧光滴定结果显示,在0~12 μmol/L Cu²⁺浓度范围内线性良好(R²=0.990 32),检出限为58.3 nmol/L,灵敏度高;pH 5~9范围内响应最佳。Job’s曲线和 Benesi-Hildebrand方程分析表明,探针与Cu²⁺形成1∶1型配合物,结合常数K_a=6.39×10⁴(mol/L)^-1。¹HNMR证实配位位点为酚羟基氧原子和2个亚胺氮原子。基于滤纸的试纸实验实现了Cu²⁺的可视化检测,饲料加标回收率在94.0%~106.5%之间,准确性和精密度良好。综上,该探针合成简便、响应快、选择性好、灵敏度高,在饲料及环境样品中Cu²⁺检测方面具有实际应用价值。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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