摘要: 4-硝基苯酚(4-NP)作为一种重要的硝基芳烃化合物(NAC)，广泛应用于农药生产、炸药合成、木材防腐等领域。该化合物在环境中残留时间长，不易降解，对生态环境和人体健康危害极大，因此建立准确有效地检测目标物的方法尤为重要。本文以吡唑羧酸配体H
2L为原料，通过溶剂热反应得到了聚合物(HL
−)
n。(HL
−)
n可作为一个发光传感器用于水介质中4-NP的识别，并且具有高的选择性，最低检测限(LOD)为0.43 μM。此外，还对发光猝灭机理进行了研究。所以，配位聚合物(HL
−)
n可以作为水中4-NP的发光传感器。
Abstract: 4-Nitrophenol (4-NP), as an important nitro aromatic compound (NAC), is widely used in the production of pesticides, synthesis of explosives, wood preservation, and other fields. This compound has a long residual time in the environment, is not easily degraded, and poses a significant risk to the ecological environment and human health. Therefore, establishing an accurate and effective method for detecting the target substance is particularly important. In this paper, a polymer (HL
−)
n was obtained through a solvothermal reaction using the pyrazole carboxylic acid ligand H
2L as the raw material. (HL
−)
n can serve as a luminescent sensor for the identification of 4-NP in aqueous media, with high selectivity, and a minimum detection limit (LOD) of 0.43 μM. In addition, the luminescence quenching mechanism was also studied. Therefore, the coordination polymer (HL
−)
n can be used as a luminescent sensor for 4-NP in water.
1. 引言
随着工农业的快速发展，硝基芳香族化合物在化工、医药、农业等领域得到了广泛的应用。例如，4-硝基苯酚(4-NP)作为一种重要的NAC，可用于生产染料中间体、炸药、药品和农药[1] [2]。然而，4-NP的大规模利用也不可避免地会对土壤和水生系统造成环境污染[3] [4]。一种灵敏、便捷、高效的4-NP检测方法对于环境治理和人类健康是必不可少的，也是迫切需要建立的。一般认为，许多化合物应该涉及更高的能量，并在蓝色区域发射，而较长波长的发射需要较长波长的激发和较低的能量，这与化合物的发射不相符[5]。因此，实现更长的波长发射是化合物所迫切需要的。例如，重庆理工大学张兴红教授报道了线性非共轭聚酯呈现黄绿色发光[6]。目前，聚合诱导发射(PIE)已成为一种新兴的聚合物制备策略，即聚合物是发射的。所以基于聚合物发光的方法是一种简单的替代方法，发光传感器材料具有优异的灵敏度和选择性，由于其简单和低成本，可以广泛用于金属离子、阴离子、pH、气体、有机小分子等化学物质的检测[7]。
因此，本文使用了一个吡唑羧酸配体H2L (1-(4-羧基苯基)-1H-吡唑-4-羧酸)，并得到了该有机配体的单晶，意外地发现该有机配体在碱性水溶液中部分去质子后可通过氢键彼此连接形成聚合物(HL−)n，使该配体的发射从蓝色发光变为蓝绿色发光。该聚合物可用于水环境中检测4-NP，并通过实验和理论计算探讨了其检测机理。这进一步说明了，(HL−)n是水环境中检测4-硝基苯酚(4-NP)的发光传感器。
2. 实验
2.1. 实验方法
(HL−)n的合成：称取24 mg的H2LI (0.1 mmol)倒入10 mL西林瓶中加入7 mL的去离子水，接着加入5.6 mg的KOH (0.1 mmol)搅拌使其成为均匀的溶液。将西林瓶放入不锈钢反应釜中，升温2 h，120℃恒温加热72 h后，持续降温冷却至室温环境，过滤并用去离子水洗涤得到无色片状晶体(HL−)n (图1)。
传感实验方法：首先称取2.3 mg提前研磨、干燥好的(HL−)n样品置于50 mL去离子水中，进行超声分散1小时，以制备5 × 10−5 mol⋅L−1的(HL−)n水悬浮液。实验中分别将0.01 M (10 μL)的分析物滴入到提前制备好的(HL−)n水悬浮液(2 mL)中，在室温环境下，测量每种悬浮液在滴加分析物前后的荧光强度变化。
2.2. 测试与表征
使用单晶X射线衍射仪(Bruker Smart Apex II CCD衍射仪)获得了(HL−)n的单晶，在室温下的激发和发射光谱采用F-7000荧光分光光度计(日本日立公司)。
Figure 1. Schematic diagram of the synthesis process of polymer (HL−)n
图1. 聚合物(HL−)n的合成过程示意图
3. 结果与讨论
首先在室温下测定了H2L固体的发光光谱。如图2(a)所示，在325 nm激发下，自由配体H2LI发出的蓝光范围为335~450 nm，在366 nm处出现最大的相对荧光强度，这可能是π*→π跃迁的结果。同样，检测了(HL−)n固体的发光光谱。在316 nm下激发时，(HL−)n表现出在345~486 nm范围内的蓝色发光，在490~620 nm范围内出现两个发射峰，在513 nm处出现最大发光强度(图2(b))，如图2(b)插图所示表现为蓝绿色发光。
Figure 2. (a) Solid state excitation and emission spectra of H2L; (b) Solid state excitation and emission spectra of (HL−)n
图2. (a) H2L的固态激发和发射光谱图；(b) (HL−)n的固态激发和发射光谱图
鉴于(HL−)n优良的发光特性，对(HL−)n溶液用于检测这些常见硝基芳烃(2--硝基甲苯(2-NT)、3-硝基甲苯(3-NT)、4-硝基甲苯(4-NT)、硝基苯(NB)、苦味酸(PA)、2,4-二硝基苯酚(2,4-DNP)、2,4,6-三硝基甲苯(TNT)和4-硝基苯酚(4-NP))。如图3(a)所示，首先在2 mL (HL−)n溶液(50 µM)中加入10 µL的10 mM常见的硝基芳香烃溶液，淬灭能力的强弱顺序为：4-NP > PA ≈ 3-NP ≈ 2-NT ≈ 3-NT ≈ 4-NT ≈ 4-NB ≈ TNT，而4-NP表现出明显的猝灭作用。通过公式(1 − I/I0) × 100%计算了淬灭效率，得到4-NP对(HL−)n的猝灭效率达到了95.7%。
除了高选择性要求外，抗干扰能力也至关重要，特别是在复杂的真实样品中，因为大多数情况下硝基芳烃总是共存的。因此，进行了其他硝基芳烃共存的竞争实验。从图3(b)可以看出，当仅加入其他单个硝基芳烃(TNT、2-NT、3-NT、4-NT、NB、PA、2,4-DNP)时，(HL−)n的发光强度呈现轻微淬灭。然而，加入4-NP后，(HL−)n几乎完全被淬灭，其猝灭效率平均达到了97.7%。这说明了即便存在其他干扰硝基芳香烃的情况下，(HL−)n也能够选择性地检测水中的4-NP。所以，聚合物(HL−)n对4-NP的识别具有良好的抗干扰能力。
Figure 3. (a) Recognition of nitroaromatic compounds by (HL−)n; (b) Interference resistance experiment of (HL−)n towards 4-NP
图3. (a) (HL−)n对硝基芳烃的识别；(b) (HL−)n对4-NP的抗干扰实验
最后，通过滴定试验进一步评估了(HL−)n传感器对4-NP检测的灵敏度。根据图4(a)中的实验结果显示，随着4-NP浓度从0增加至100 μM，(HL−)n的发光强度逐渐降低，其中513 nm处的发光强度从6513降至457。当4-NP浓度达到100 μM后，即使再滴加4-NP，(HL−)n的发光强度也几乎不再发生变化。随后通过线性Stern-Volmer (SV)方程I0/I = 1 + Ksv[A] (其中[A]是4-NP的摩尔浓度，I0和I是(HL−)n在添加4-NP前后513 nm处的发光强度，Ksv代表Stern-Volmer常数)计算Ksv。计算结果如图4(b)所示，当4-NP浓度低于25 μM时，曲线拟合呈现出良好的线性相关性(R2 = 0.99527)，相应的Ksv值为2.3 × 104 M−1，根据公式LOD = 3δ/Ksv (σ是10个空白荧光强度的标准差为0.01)计算得出(HL−)n对于4-NP的最低检测限(LOD)为0.43 μM。上述实验结果表明(HL−)n可以作为一种高效而灵敏的传感材料，用于检测水介质中的4-NP。
Figure 4. (a) Titration diagram of (HL−)n against 4-NP (0 to 100 μM); (b) Relationship between the Stern-Volmer of I0/I of (HL−)n and the concentration change of 4-NP
图4. (a) (HL−)n对4-NP的滴定图(0~100 μM)；(b) (HL−)n的I0/I的Stern-Volmer与4-NP浓度变化的关系
在实验现象的基础上对4-NP检测的机理进行研究，检测了本实验中用到的八种硝基芳烃的紫外吸收和(HL−)n的激发与发射光谱。如图5所示，如图所示，(HL−)n激发发生在267~400 nm，其中316 nm为最大吸收峰。4-NP的吸收范围为250~430nm，最大吸收发生在317 nm处。很明显，4-NP的紫外-可见吸收光谱与(HL−)n的激发光谱几乎完全重合，产生内过滤效应(IFE)，导致发射淬灭。(HL−)n的发射光谱与4-NP的紫外-可见吸收光谱也有少部分重叠，这也说明了荧光共振能量转移(FRET)也是检测机理之一。
Figure 5. The excitation and emission spectra of (HL−)n, as well as the ultraviolet absorption spectra diagram of eight nitroaromatic compounds
图5. (HL−)n的激发与发射光谱以及八种硝基芳烃的紫外吸收光谱图
最后，为了深入了解4-NP的传感机理，我们使用高斯理论计算的方法计算了4-NP和其他七种硝基芳香族化合物的最高已占据轨道(HOMO)和最低未占据分子轨道(LUMO)，并与HL−进行了比较。如图6所示，PA和4-NP的LUMO是所研究的8种硝基芳香族化合物中最低的，且低于HL−。然而，PA低于4-NP的LUMO，进一步表明光诱导的电子转移(PET)不是导致发光猝灭的主要原因。
Figure 6. HL− and the HOMO and LUMO energy level diagrams of the nitro aromatic hydrocarbons used
图6. HL−和所用到的硝基芳香烃的HOMO和LUMO能级图
因此，(HL−)n对4-NP的发光猝灭机理归因于IFE效应为主，FRET和PET效应为辅的淬灭机理。
4. 结论
本文以吡唑羧酸配体H2L通过溶剂热反应得到了聚合物(HL−)n。研究固态荧光测试得到，聚合物(HL−)n不仅具有配体H2L的蓝光发射，而且出现了绿色范围内的发射，在紫外灯下显示出蓝绿色的发光。(HL−)n对水介质中的4-NP有识别，并且具有高的选择性，最低检测限(LOD)为0.43 μM。(HL−)n识别4-NP是由于内过滤效应为主，荧光共振能量转移和光诱导的电子转移为辅的淬灭机理。总而言之，聚合物(HL−)n是一种有前途的发光传感器，可用于水中4-NP的传感。这为聚合物检测实际生活中对人体有毒有害的分析物拓展了思路。