新型稀土荧光探针的设计、合成及在检测杀草强中的应用

　　摘要:以二乙基三胺五乙酸(dtpa),杀草强(amitrole)及钐稀土盐为原材料,设计了一种新型稀土荧光探针SmⅢ-dtpaa-bis(amitrole)来检测amitrole。合成的荧光探针采用红外光谱对其结构进行了表征,采用紫外可见光谱和荧光光谱对其光学性质进行了研究。探究了反应温度和反应时间对SmⅢ-dtpaa-bis(amitrole)溶液荧光光谱的影响。另外,还研究了溶液酸碱度以及杀草强浓度对SmⅢ-dtpaa-bis(amitrole)荧光光谱的影响。实验结果表明,新型稀土荧光探针SmⅢ-dtpaa-bis(amitrole)的最佳反应温度为393K,最佳反应时间为7h和最佳溶液pH为7.00。SmⅢ-dtpaa-bis(amitrole)具有较宽的线性范围0.1μmol/L~210μmol/L和较低的检测限0.975μmol/L。当把amitrole加入新型荧光探针SmⅢ-dtpa-bis(amitrole)溶液中后,SmⅢ-dtpa-bis(amitrole)溶液的荧光发生明显的猝灭现象。因此,SmⅢ-dtpaa-bis(amitrole)作为荧光探针可以实现对杀草强的检测。

　　关键词:二乙基三胺五乙酸(dtpa)配合物;稀土荧光探针;杀草强

　　随着农业的产业化发展,以及一些农民为了提高农产品产量,农药用量越来越大,使用次数越来越多,必然带来一系列残留和污染问题。更严重的是在果树、蔬菜等经济作物上使用禁用农药,既污染了农产品和环境,又破坏了生态环境,农药残留问题已经对人类的生活和健康造成了严重的影响。

　　据世界卫生组织初步统计,全世界每年至少11.5万人死于农药中毒事件,癌症患者85%以上与农药残留有关[1,2]。杀草强是一种高效的灭生性除草剂,被广泛运用于农业生产中,但同时杀草强的残留对自然界和人体的危害十分大。因此,设计、合成具有灵敏度高、选择识别性专一且操作简便的杀草强残留快速检测新技术迫在眉睫,此方法的建立将对由于杀草强残留造成的环境污染、改善生态环境和保护人类健康具有重大意义。

　　传统检测杀草强的方法主要有电催化法[3,4]、液相色谱串联质谱法[5~7]、气相色谱-质谱联用法[8]、毛细管电泳法[9]等,尽管这些方法能够对杀草强进行检测,但是检测过程中样品前处理繁琐、耗时长和需特殊的精密仪器等,难以实现对杀草强实时、简单和快速的检测。近年来,稀土荧光探针检测法具有处理过程简单、耗时短、灵敏度高和选择性好等优点,引起研究者广泛的兴趣和关注。

　　在关于稀土荧光探针的报道中,通常以β-二酮类[10,11],大环类[12,13],杂联芳基类[14,15],羧酸衍生物类[16,17]等作为稀土配体。在这其中,β-二酮类作为稀土配体不能直接作为稀土荧光探针检测分子[10];大环类作为稀土配体测定灵敏度较低[12]等。然而,大多数稀土金属离子可与氨基多羧酸配合物形成稳定的九齿配体[16,17]。本文以常见配合物二乙三胺五乙酸(dtpa)作为配体形成新型的稀土荧光探针来检测杀草强。一方面,dtpa作为八齿配体,只能提供八配位与稀土离子结合,一个水分子作为第九配体与dtpa结合形成稳定的九配位的稀土金属离子配合物。在dtpa两端分别连接共轭结构的杀草强分子,设计成的荧光探针SmⅢ-dtpaa-bis(amitrole)具有较强的荧光。

　　把杀草强(amitrole)加入SmⅢ-dtpaa-bis(amitrole)溶液中后,杀草强(amitrole)与SmⅢ-dtpaa-bis(amitrole)两端的amitrole会发生π-π堆积作用,从而使SmⅢ-dtpaa-bis(amitrole)的荧光发生改变,实现对杀草强(amitrole)的检测。另一方面,稀土金属离子因其独特的光学性质,如斯托克斯位移大,荧光寿命长,光学性质稳定等,得到了的广泛的应用[18,19]。本文设计并合成了一种新型的检测土壤、水体、食品中杀草强的靶向荧光探针SmⅢ-dtpaa-bis(amitrole)。

　　通过红外光谱对其结构进行表征,运用紫外可见吸收光谱和荧光光谱对其光学性质进行探讨。分别探讨了不同反应时间和反应温度对SmⅢ-dtpaa-bis(amitrole)荧光强度的影响。此外,还考察了溶液pH值以及杀草强(amitrole)浓度对SmⅢ-dtpaa-bis(amitrole)荧光强度的影响。最后,荧光探针SmⅢ-dtpaa-bis(amitrole)成功应用于真实样品中杀草强的检测。

　　确保在反应过程中保持干燥状态,用分析天平称取7.8024g的二乙三胺五乙酸(dtpa),将dtpa与吡啶和乙酸酐各10mL放置与圆底烧瓶中混合均匀,在65℃下用恒温加热磁力搅拌器将混合溶液加热搅拌回流24h,当反应结束之后,将圆底烧瓶冷却到室温后,减压蒸馏去除溶剂,再进行减压抽滤,抽滤过程中用乙酸酐和无水乙醚分别洗涤产物两次。最后,将产物放置在真空干燥箱中,在80℃的温度下干燥产物约3h,得到白色粉末二乙三胺五乙酸二酐(dtpaa)4.9215g,计算产率约为62.81%。

　　通过对文献报道的方法进行改进合成了dtpaa-bis(amitrole)配体[14,15],合成过程。保证反应过程在无水环境下,配体dtpaa-bis(amitrole)的合成是采用dtpaa与杀草强进行氨解反应进而合成配体,用分析天平称取dtpaa1.9611g放置于圆底烧瓶中,取50mL的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和10mL的三乙胺两者缓慢的加入圆底烧瓶中,用恒温加热磁力搅拌器加热至50℃使dtpaa溶解于溶剂中。

　　然后用分析天平称取2.0025g杀草强,加入混合溶液中,搅拌均匀,将恒温加热磁力搅拌器加热到100℃下,然后加热搅拌回流24h,当反应结束之后,将圆底烧瓶冷器到室温之后,通过减压蒸馏去除溶剂,再进行减压抽滤,用无水乙醚洗涤两次,最后,将产物置于真空干燥箱中,在80℃的温度下干燥产物约2h,得到淡黄色固体4.4654g,计算产率约为29.21%。

　　Sm3+存在下的dtpaa-bis(amitrole)将配好的Sm(NO3)3·6H2O的储备液分别取出5.00mL放入50mL容量瓶中,然后在含SmⅢ(NO3)3·6H2O的容量瓶中加入5.00mL的配体dtpaa-bis(amitrole)储备液,然后用Tris-HCl缓冲溶液定容50mL,静置12h。

　　SmⅢ-dtpaa-bis(amitrole)的合成用分析天平称取0.0584g的Sm(NO3)3·6H2O储备液置于圆底烧瓶里,然后加入0.0854gdtpaa-bis(amitrole),再向溶液中加入50mL的Tris-HCl缓冲溶液,置于集热式恒温加热磁力搅拌器中,加热到120℃,搅拌回流7h,然后将其转移到250mL的容量瓶,用Tris-HCl缓冲溶液定容至刻度即可。

　　dtpaa-bis(amitrole)的红外光谱为dtpa、dtpaa、杀草强(amitrole)和dtpa-bis(amitrole)的红外光谱图,所有红外光谱的测定范围在4000cm-1~500cm-1之间。dtpaa-bis(amitrole)配体中酰胺键的νCO特征吸收峰出现在1636cm-1,与dtpaa中羧基νCO=1793cm-1特征吸收峰相比蓝移了157cm-1。另外,在dtpaabis(amitrole)的红外谱图中,酰胺基团中的νN—H的特征吸收峰出现在3320cm-1。

　　相比于杀草强(amitrole)中—NH2中νN—H=3210cm-1红移了110cm-1。这两种特征峰的出现证明了dtpaa和amitrole之间通过酰化反应被合成。反应温度对SmⅢ-dtpaa-bis(amitrole)溶液的荧光光谱的影响不同反应温度对SmШ-dtpaa-bis(amitrole)溶液的荧光强度的影响。当反应温度不断升高时(313K~383K),SmШ-dtpaa-bis(amitrole)溶液的荧光强度基本不发生改变。

　　当反应的最佳温度达到393K时,SmШ-dtpaabis(amitrole)溶液的荧光强度明显地增强。这表明,SmШ-dtpaa-bis(amitrole)溶液的最佳反应温度是393K,为后面SmШ-dtpaa-bis(amitrole)能很好的识别杀草强(amitrole)奠定了基础。考察了不同溶液pH值(2.00~11.00)对SmШ-dtpaa-bis(amitrole)和SmШ-dtpaa-bis(amitrole)+amitrole溶液荧光强度的影响。

　　SmШ-dtpaa-bis(amitrole)溶液在酸性条件下(pH=2.00~5.00)的荧光比较弱。随着溶液pH值的增加,SmШ-dtpaa-bis(amitrole)溶液的荧光强度逐渐增强。当溶液pH值达到7.00,SmШ-dtpaa-bis(amitrole)溶液的荧光强度达到最大。即使溶液pH值继续增加,SmШ-dtpaa-bis(amitrole)溶液的荧光强度几乎保持不变。

　　向SmШ-dtpaa-bis(amitrole)溶液中加入amitrole,溶液pH值在2.00~5.00范围内,SmШ-dtpaa-bis(amitrole)+amitrole溶液的荧光很弱。但是随着溶液pH值从5.00增加到7.00,SmШ-dtpaa-bis(amitrole)+amitrole溶液的荧光强度只轻微的增加。即使溶液pH值继续增加,SmШ-dtpaa-bis(amitrole)+amitrole溶液的荧光强度几乎不在发生改变。这说明,在中性或碱性条件下,SmШ-dtpaa-bis(amitrole)和SmШ-dtpaa-bis(amitrole)+amitrole溶液的荧光强度差值是最大的。所以,为了降低其他农药对检测amitrole的干扰,所有实验在pH=7.00的条件下进行。

　　农业论文投稿刊物：《河南农业》(半月刊)创刊于1990年，由河南省农业科学技术展览馆主办。本刊立足河南农业生产与农村经济，面向省内外广大农民和农业工作者，推广农业领域前沿研究理论和技术。

　　结论

　　1.合成了一种新型稀土荧光探针SmШ-dtpaabis(amitrole)实现了对杀草强(amitrole)的检测。当反应最佳时间是7h,反应最佳温度是393K时,SmШ-dtpaa-bis(amitrole)配合物的荧光强度最强。SmШ-dtpaa-bis(amitrole)在286nm波长光的激发下,在438nm处出现明显的发射峰。

　　2.有杀草强(amitrole)存在的情况下,SmШ-dtpaa-bis(amitrole)的荧光强度发生了明显的猝灭。SmШ-dtpaa-bis(amitrole)可以在0.1μmol/L~210μmol/L范围内检测杀草强(amitrole),检测限为0.975μmol/L。此外,该荧光探针检测方法可成功地用于实际样品中杀草强(amitrole)的检测。因此,SmШ-dtpaa-bis(amitrole)作为荧光探针可以实现对杀草强(amitrole)的检测。

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　　作者：刘文芳,王娜,刘积

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