CN114113018B - 一种以四硝基酞菁为试剂测定锌离子的荧光检测法 - Google Patents

一种以四硝基酞菁为试剂测定锌离子的荧光检测法 Download PDF

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Abstract

一种以四硝基酞菁为试剂测定锌离子的荧光检测法，涉及锌离子测定。1)在反应容器中加入作为反应介质的有机溶剂；2)在各反应容器中加入相同体积四硝基酞菁有机溶液；3)依次加入浓度递增的锌离子有机溶液；4)定容，混匀，水浴保温一定时间后，转移至冰水中冷却；5)取出溶液，扫描反应体系的荧光光谱，测量荧光峰处的相对荧光强度。以四硝基酞菁为荧光探针高灵敏、高特异性测定锌离子，检测灵敏度高，特异性强，常见金属离子无干扰。操作简便，且可实现目视化观测。可有效避开测定时散射光的干扰；由于天然和人工合成的荧光物质的荧光发射在检测波长区域者极少，因而可以避开背景荧光的干扰。

Description

一种以四硝基酞菁为试剂测定锌离子的荧光检测法
技术领域
本发明涉及锌离子测定，属荧光分析技术领域，尤其是涉及一种以四硝基酞菁为试剂测定锌离子的荧光检测法。
背景技术
锌在生产、生活中有着广泛的应用。在医药工业，锌被制作成十一烯酸锌、枸橼酸锌、氧化锌、葡萄糖酸锌、磺胺嘧啶锌等药物，应用于治疗各种疾病[[Chan,S.etal.Translational Oncology,2019,12(5):788-799；Liu,J.L.et al.,2019,783:898-918；Cankovic,M.et al.,2018,26(2):125-132]。在工业方面，锌可以与其他的金属形成性能更加优越的合金，如锌-铜-钛合金就因其成本低、使用寿命长、维护频率低的优点，自20世纪70年代以来，这类合金被广泛的应用于机场、展览馆、教堂、俱乐部等建筑上[Ji,S.Y.etal.,Materials and Corrosion-Werkstoffe Und Korrosion,2017,68(4):458-467]。因为锌具有很强的抗腐蚀作用，常被作为防腐蚀的镀层材料保护其他金属结构，广泛地应用于船舶、汽车、建筑等行业[8,9,10]。此外，由于锌具有材料来源丰富、成本低、化学稳定性好和环境相容性好的特点，被用作负极材料，搭配二氧化锰、普鲁士蓝类似物、钒基化合物等正极材料，形成性能优越的电池(Chen,X.Y.,et al.,Journal of Energy Chemistry,2019,38:20-25)。在化学领域，锌还是一种很好的催化剂，催化相应的化学反应的进行[Alshakova,I.D.,et al.Synthesis-Stuttgart,2019,51(17):3305-3312]。
锌的常见分析方法有液相色谱法、红外光谱法、电感耦合等离子体发射光谱法、电位法、原子吸收光谱法、差示扫描量热法等。这些方法或须使用大型仪器，操作繁琐。因此，开发一种简便易行、选择性好、灵敏实用的锌离子分析方法有着重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于提供特异性强，灵敏度、准确度高，稳定性好，测定波长处于长波区域，可以有效消除实际样品中背景荧光和散射光干扰的一种以四硝基酞菁为试剂测定锌离子的荧光检测法。基于四硝基酞菁与锌离子的反应，反应体系发出红色荧光从而测定锌离子。
本发明的具体步骤为：
1)在反应容器中加入作为反应介质的有机溶剂；
2)在各反应容器中加入相同体积四硝基酞菁有机溶液；
3)依次加入浓度递增的锌离子有机溶液；
4)定容，混匀，水浴保温一定时间后，转移至冰水中冷却；
5)取出溶液，扫描反应体系的荧光光谱，测量荧光峰处的相对荧光强度。
在步骤1)中，所述反应容器不少于3个；所述作为反应介质的有机溶剂包括但不限于以下有机溶剂：甲醇、N，N-二甲基甲酰胺、无水乙醇、四氢呋喃、三乙胺、六氢吡啶、乙二醇甲醚、乙醇胺、乙二醇、正戊醇、正庚醇、异戊醇、正丁醇、正壬醇、正己醇、正辛醇、乙酸乙酯、石油醚、乙腈，正丙醇，二甲基亚砜、噻吩烷砜、丙酮、1,4-二氧六环、四甲基乙二胺、三乙烯四胺、四氯化碳、正庚烷、碘辛烷、二氯甲烷、三氯甲烷、环己烷、苯、硝基苯、乙酰丙酮、液体石蜡、甲基丙烯酸甲酯、油醇、二甲苯、苯骈噻唑、喹啉、异丙胺、丁胺、吡啶、吗啡啉。
在步骤2)中，所述四硝基酞菁的分子式为C32H14N12O8；
结构式为：
所述四硝基酞菁有机溶液中所用的有机溶剂选自二甲基甲酰胺、二甲亚砜、氯萘、喹啉、硝基苯等对四硝基酞菁具有较大溶解度的有机溶剂；所述四硝基酞菁溶液为终浓度介于1.0×10-6～2.0×10-5mol/L所相应量的四硝基酞菁溶液。
在步骤3)中，所述锌离子有机溶液中所用的溶剂选自甲醇、乙醇、丙醇、丙酮、乙腈、二甲基甲酰胺、二甲亚砜、环丁砜等对锌化合物具有较大溶解度的有机溶剂；所述锌离子有机溶液的系列浓度落在相应的工作曲线线性范围内，所述相应工作曲线线性范围是指对应于所用四硝基酞菁溶液浓度所决定的测定锌离子浓度的线性工作曲线范围。
在步骤4)中，所述水浴保温的时间不少于60min。
在步骤5)中，所述测量荧光峰处的相对荧光强度可在660～760nm的波长范围内测定相对荧光强度。
本发明所涉及的反应是在有机介质中进行。有机介质中，中心未配位原子的四硝基酞菁的荧光十分微弱，即反应体系的荧光背景极低。在锌离子的存在下，四硝基酞菁与锌离子发生配位反应，形成酞菁锌。反应体系在紫外光或600nm以上波长光线的激发下，发出红色荧光，其最大发射波长在711nm左右。据此，建立以四硝基酞菁为荧光探针高特异、高灵敏测定锌离子的荧光检测新方法。本发明与现有技术相比具有诸多优势，主要有：
1)以四硝基酞菁为荧光探针高灵敏、高特异性测定锌离子的荧光检测法未见报道，是原创发明。
2)检测灵敏度高。依托本发明所建立的锌离子检测法，其检测限低至3.0×10- 8mol/L，或5.5×10-9g/mL，即ppb级，显著优于多数已报道的锌离子检测方法。
3)特异性强，常见金属离子无干扰。
4)操作简便，且可实现目视化观测。5.0×10-7mol/L的锌离子溶液即可呈现可视的红色荧光，十分有利于现场分析。
5)测定波长大于700nm，位于位于可见光的红光(长波)区域。由于散射光与波长的四次方成正比，因而可有效避开测定时散射光的干扰；由于天然和人工合成的荧光物质的荧光发射在检测波长区域者极少，因而可以避开背景荧光的干扰。
附图说明
图1是锌离子存在于不存在下反应体系的激发光谱与荧光光谱。
图2是四硝基酞菁对锌离子与常见金属离子荧光响应比较。
图3是反应温度对荧光增强倍数的影响。
图4是测定锌离子的标准工作曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下实施例将结合附图对本发明进行作进一步的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，以下对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
申请人实验发现，外周苯环上各有一个硝基取代的空心酞菁—四硝基酞菁能与金属锌离子在有机介质中发生反应，反应体系发出明显的红色荧光，其荧光强度与锌离子的加入量呈现显著的正相关。本发明以四硝基酞菁为荧光探针，建立一种新型的锌离子荧光定量分析法。本发明特异性强，准确度和灵敏度高且操作简便，实用性强。
本发明实施例的步骤如下：
1)在反应容器中加入作为反应介质的有机溶剂；
2)在各反应容器中加入相同体积四硝基酞菁有机溶液；
3)依次加入浓度递增的锌离子有机溶液；
4)定容，混匀，水浴保温后，转移至冰水中冷却；
5)取出溶液，扫描反应体系的荧光光谱，测量荧光峰处的相对荧光强度。
在一系列反应容器中依次加入浓度递增的锌离子有机溶液，所用反应容器不少于3个，锌离子溶液的系列浓度落在相应的工作曲线线性范围内；所谓的相应工作曲线线性范围是指对应于所用酞菁溶液浓度所决定的测定锌离子浓度的工作曲线范围。
所加入酞菁溶液为终浓度介于1.0×10-6～2.0×10-5mol/L。反应体系定容后，放置反应的时间不少于60min，而后在660～760nm的波长范围内测定相对荧光强度。
所述四硝基酞菁的分子式为：C32H14N12O8。
结构式为：
以下是优化条件下实验操作示例。
在一系列5.0mL塑料离心管中依次加入45.0μl浓度为1.5×10-5mol/L的四硝基酞菁二甲基甲酰胺溶液，0.0、3.0、9.0、15.0、24.0、30.0、36.0、45.0、54.0、60.0μL浓度为1.0×10-4mol/L的锌离子的DMF溶液，以及反应介质二甲基甲酰胺，使总体积为3.0mL。混匀，60℃水浴保温1.5h后，转移至冰水中冷却30min，取出恢复至室温后在荧光分光光度计上扫描发射光谱、测量711nm处的荧光强度。
各组分用量见表1。
表1反应体系各组分用量
以下结合图、表对本发明作详细说明。
1)反应体系的激发光谱与荧光光谱
图1为锌离子存在于不存在下反应体系的激发光谱与荧光光谱。
研究发现，极弱荧光的四硝基酞菁溶液中加入锌离子后，体系发出明显的红色荧光，荧光强度随锌离子浓度的增加而增加，荧光峰出现在711nm。图1中，四硝基酞菁的浓度为1.5×10-5mol/L。锌离子的浓度分别为：0(a,a′),1×10-7(b,b′),3×10-7(c,c′),5×10-7(d,d′),8×10-7(e,e′),1×10-6(f,f′),1.3×10-6(g,g′),1.5×10-6(h,h′),1.8×10-6(i,i′)mol/L,2.0×10-6mol/L(j,j′)。
2)图2为四硝基酞菁对锌离子与常见金属离子荧光响应之比较。
考察了四硝基酞菁对常见金属离子即Na+，K+，Mg2+，Al3+，Ba2+，Mn2+，Fe2+，Fe3+，Ni2+，Co2+，Cd2+，Cu2+，Hg+，Hg2+，Pb2+，Zn2+的荧光响应行为。结果显示，四硝基酞菁对上述金属离子几乎没有荧光响应，而在锌离子的存在下，反应体系的荧光急剧增加，表明四硝基酞菁对锌离子具有高特异性响应。图2中所有金属离子的浓度均为1.0×10-6mol/L。
3)图3为反应温度对荧光增强倍数的影响
考察了40、50、60、70、80、100、120、140℃温度下反应体系荧光增强倍数的变化情况，发现反应体系在60℃条件下的荧光增强倍数最高，故选择以水浴加热的方式在60℃的条件下进行反应。
4)图4为测定锌离子的标准工作曲线。
在最佳条件下，以四硝基酞菁为荧光分子探针，建立测定锌离子的标准工作曲线，该曲线的线性回归方程为y＝9.15x+5.40，r＝0.9993，该方法的线性范围为1.0×10-7～2.0×10-6mol/L。方法的检测限为3.0×10-8mol/L。
5)表2是反应在不同溶剂中进行时的各项参数表。
考察了锌离子与四硝基酞菁在47种不同有机溶剂中的反应，并对反应体系荧光增强的倍数进行比较，发现在正戊醇、DMF、乙醇胺、正庚醇、异戊醇介质中的荧光增强倍数较大。但是反应在乙醇胺中进行时，体系的荧光强度较小，因此具体考察了反应在正戊醇、DMF、正庚醇和异戊醇介质中进行时的相关参数。综合分析的结果指出，以DMF为反应溶剂，获得的标准工作曲线的线性范围较宽，线性更佳。
表2
6)表3是实际样品的测定结果。
将本发明应用于实际样品氧化锌软膏的测定。氧化锌软膏中除了主药氧化锌外，还含有凡士林等辅料，且氧化锌并不能直接溶解于本发明所使用的溶剂DMF中，所以需要对样品进行前处理。
表3
具体处理方法为：准确称取氧化锌软膏0.1000g于10mL离心管中，加入3mL三氯甲烷于60℃水浴中充分溶解，待没有悬浮物后，以5000r/min离心5min。弃上清，沉淀物用1mol/L的盐酸充分溶解。将溶液转移至烧杯中，于200℃下加热使盐酸挥发干净并得到固体。用DMF溶解固体定容至10.0mL，吸取100μL稀释至10.0mL，即制得待测溶液。
准确吸取经过前处理的待测溶液30.0μL，按建立的方法步骤进行检测，据所测荧光强度计算锌离子的浓度，进一步计算氧化锌的含量，并与样品标识的含量进行比较，结果的准确度与再现性均令人满意。
本发明的原理在于有机介质中，四硝基酞菁可与锌离子反应生成红色荧光化合物，荧光强度与锌离子浓度成正比，检测的灵敏度高、特异性强。步骤为在反应容器中加入有机溶剂、四硝基酞菁和锌离子有机溶液，定容，混匀，水浴保温一定时间后，转移至冰水中冷却，取出，扫描发射光谱或测量荧光峰处的荧光强度。本发明所建立的测定方法的特异性强，线性响应优良，灵敏度与准确度高；测定的波长处于红光区域，充分发挥了长波荧光探针的优势，测定体系光漂白作用小，可以有效消除样品背景荧光和散射光的干扰。
上述实施例仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (7)

1.一种以四硝基酞菁为试剂测定锌离子的荧光检测法，其特征在于其具体步骤为：
1）在反应容器中加入作为反应介质的有机溶剂，加入的有机溶剂为N，N-二甲基甲酰胺、正戊醇、异戊醇、正庚醇、正辛醇、乙醇胺中的一种；
2）在各反应容器中加入相同体积四硝基酞菁有机溶液；
3）依次加入浓度递增的锌离子有机溶液；
4）定容，混匀，水浴保温一定时间后，转移至冰水中冷却；所述保温的温度为40～140℃，水浴保温的时间不少于60min；
5）取出溶液，扫描反应体系的荧光光谱，测量荧光峰处的相对荧光强度。
2.如权利要求1所述一种以四硝基酞菁为试剂测定锌离子的荧光检测法，其特征在于在步骤1）中，所述反应容器不少于3个。
3.如权利要求1所述一种以四硝基酞菁为试剂测定锌离子的荧光检测法，其特征在于在步骤2）中，所述四硝基酞菁的分子式为C32H14N12O8；
结构式为：
，
所述四硝基酞菁有机溶液中所用的有机溶剂为对四硝基酞菁具有较大溶解度的有机溶剂，选自N，N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、氯萘、喹啉、硝基苯。
4.如权利要求1所述一种以四硝基酞菁为试剂测定锌离子的荧光检测法，其特征在于在步骤2）中，所述四硝基酞菁溶液为终浓度介于1.0 × 10-6 ~2.0 × 10-5 mol/L所相应量的四硝基酞菁溶液。
5.如权利要求1所述一种以四硝基酞菁为试剂测定锌离子的荧光检测法，其特征在于在步骤3）中，所述锌离子有机溶液中所用的溶剂为对锌化合物具有较大溶解度的有机溶剂，选自甲醇、乙醇、丙醇、丙酮、乙腈、二甲基甲酰胺、二甲亚砜、环丁砜。
6.如权利要求1所述一种以四硝基酞菁为试剂测定锌离子的荧光检测法，其特征在于在步骤3）中，所述锌离子有机溶液的系列浓度落在相应的工作曲线线性范围内，所述相应的工作曲线线性范围是指对应于所用四硝基酞菁溶液浓度所决定的测定锌离子浓度的线性工作曲线范围。
7.如权利要求1所述一种以四硝基酞菁为试剂测定锌离子的荧光检测法，其特征在于在步骤5）中，所述测量荧光峰处的相对荧光强度是在660～760nm的波长范围内测定相对荧光强度。
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