1. 引言
当前国际安全形势呈现局部冲突常态化特征，非传统安全威胁持续升级，其中生化武器扩散风险尤为突出。根据联合国裁军研究所2023年度报告显示，全球约有17个非国家行为体具备获取生化战争试剂的潜在能力[1]。基于当前安全形势的严峻性，构建高效的有害物质监测体系已成为维护公共安全的迫切需求，这些有害物质包括病毒、细菌、有毒液体或气体、易燃易爆物质等，其中包括许多有机分子如2-硝基苯酚(2-NP)、3-硝基苯酚(3-NP)、4-硝基苯酚(4-NP)、2,4-二硝基苯酚(2,4-DNP)、2,4,6-三硝基苯酚/苦味酸(PA)、间二硝基甲苯(DNT)以及2,4,6-三硝基甲苯(TNT)等[2]。其中，4-NP常被用作合成染料、医药中间体和农药原料，但其具有较强的毒性和致癌性，长期接触或摄入可能会严重威胁到人体健康，引起肝脏损伤、神经系统受损和免疫系统紊乱等症状；其次，4-NP的过度排放会严重污染环境，破坏生态系统平衡[3]。而PA是一种高毒性、易爆的有机化合物，对人体健康和环境均构成严重威胁，若进入水体或土壤，可能对水生生物和微生物造成毒害，影响生态系统平衡[4]。此外，人体摄入或长期接触接触PA会引起严重后果，包括皮肤腐蚀性损伤和眼睛刺激、头痛、恶心、呕吐腹泻、急性肝炎、出血性肾炎等，世界卫生组织(WHO)允许地下水中PA的最低检出限(LOD)为0.001 mg·L−1，远低于PA对家兔的致死剂量为(口服)120 mg·Kg−1 [5]。尽管PA会造成潜在的环境和健康问题，但PA仍广泛应用于染料工业、火箭燃料、烟花生产、金属和矿物的分析化学、化学实验室和制药工业的防腐剂[6]。
维护生态安全与环境健康，构建可持续的清洁宜居环境，已成为我国可持续发展战略的核心议题。本文旨在通过利用具有优异发光性能的杂金属化合物开发特异性识别4-NP以及PA的荧光传感器。
2. 实验
2.1. 实验方法
1) 以水杨酸甲酯、3-氨基苄胺为反应原料合成中间体N-(3-氨基苄基)-2-羟基苯甲酰胺，再使中间体与水杨醛发生胺醛缩合反应得到配体H2L：2-羟基-N-(3-((2-羟基亚苄基)氨基)苄基)苯甲酰胺。
2) 取0.05 mmol配体H2L加入到50 mL的圆底烧瓶中，加入适量乙腈和甲醇，搅拌使其刚好溶解，在溶液中加入13.5 μL三乙胺去除化合物中的质子氢，搅拌0.5 h后。搅拌结束后，称取0.0149 g (0.05 mmol) Zn(NO3)2加入到上述溶液中，观察到立即出现黄绿色沉淀，搅拌2 h。称取0.0444 g (0.10 mmol)的Sm(NO3)3·6H2O加入到悬浊液中，继续搅拌2 h。过滤，收集沉淀，即得到了一种基于配体H2L的杂金属化合物ZnSm-Cycle。
3) ZnSm-Cycle@PMMA杂化膜的制备方法：准确称取PMMA 2.00 g，置于50 mL圆底烧瓶中，加入10 mL乙酸乙酯溶剂。在搅拌条件下采用油浴加热方式，以2℃/min的升温速率缓慢升至80℃，直至颗粒状PMMA彻底溶解。随后，分别称取X mg (X = 2、4、6、8 mg)配合物ZnSm-Cycle，均匀分散于10 mL乙酸乙酯中得到悬浊液。向悬浊液中滴加上述PMMA的乙酸乙酯溶液，继续搅拌4 h，在80℃将溶液蒸发至约原体积的10%。趁热将剩余溶液滴加在10 × 2.5 cm的玻璃板上使其分布均匀。自然风干后将杂化膜连同玻璃板浸泡在蒸馏水中4 h使两者自然分离。用脱脂棉擦干杂化膜即可得到不同质量分数ZnSm-Cycle@PMMA杂化膜。
2.2. 测试与表征
使用Hitachi F-7000荧光光谱仪对ZnSm-Cycle@PMMA杂化膜的荧光性能和传感性能进行测试。
3. 结果与讨论
以440 nm为激发波长，获得了ZnSm-Cycle的特征发射光谱，如图1所示。图1(a)表明该光谱在475~540 nm出现了一个强而宽的带，半峰宽约为33 nm，发射峰位于490 nm处，这可能是由于螯合荧光增强效应所导致的[7]。以490 nm为激发波长，得到了ZnSm-Cycle的最佳激发光谱，在425到460 nm出现了一个强而较窄的带，最佳激发波长为440 nm，ZnSm-Cycle在425~460 nm的强而较窄的激发带表明过渡与稀土金属离子的配位使得配体半刚性化减弱，抑制了非辐射跃迁，减少了有机配体分子振动。当在440 nm处激发时，可以看到化合物ZnSm-Cycle表现为蓝绿色发光。图1(b)为化合物ZnSm-Cycle发射光谱对应的CIE色度坐标图，呈现蓝绿色发光。发射峰所对应的CIE色度坐标图，计算得到其色坐标为(0.1348, 0.3962)，处于蓝色和绿色交界区域。
Figure 1. (a) Excitation and emission spectra of ZnSm-Cycle; (b) CIE chromaticity coordinates corresponding to the emission peaks of ZnSm-Cycle (Inset: Photograph of ZnSm-Cycle complex powder under 365 nm excitation from a handheld UV lamp)
图1. (a) ZnSm-Cycle的激发和发射光谱；(b) ZnSm-Cycle发射峰对应的的CIE色度坐标图。(插图：ZnSm-Cycle配合物粉末在手持荧光灯365 nm激发下的实物图片)
随后探讨了ZnSm-Cycle@PMMA杂化膜的最佳掺杂比，在相同条件下测定得到了纯净PMMA膜以及ZnSm-Cycle-X%@PMMA杂化膜(X = 1、2、3、4，代表配合物的质量分数)的激发和发射和光谱，如图2所示。图2(a)可以观察到当激发波长为220 nm时，纯净PMMA薄膜的发射光谱在300~450 nm的波长范围内，与ZnSm-Cycle的激发峰有一定的重叠。而图2(b)则可以观察到在杂化膜的激发光谱中出现了PMMA部分的发射峰，说明两者成功掺杂。而不同配合物含量的杂化膜也表现出不同的荧光强度，当配合物质量分数由1%增加至3%时，发射强度随着质量分数的升高而增加，当质量分数超过4%时，发射峰荧光强度有所下降，这可能是由于较高的质量分数使得发光物种过于集中反而使得荧光强度下降。因此选择ZnSm-Cycle-3%@PMMA杂化膜作为最合适的荧光探针用于后续传感识别研究。
Figure 2. (a) Excitation and emission spectra of pure PMMA film; (b) Excitation and emission spectra of ZnSm-Cycle@PMMA hybrid films with different mass fractions
图2. (a) 纯净PMMA膜的激发和发射光谱；(b) 不同质量分数的ZnSm-Cycle@PMMA杂化膜的激发和发射光谱
将ZnSm-Cycle-3%@PMMA杂化膜裁剪为1.2 × 2.5 cm大小的薄片，将其沿石英比色皿对角线放置于石英比色皿中使其位置基本固定，再加入2 mL去离子水作为介质。配制浓度为1 × 10−2 mol·L−1，十种硝基芳香化合物，即硝基苯(NB)、2-硝基甲苯(2-NT)、3-硝基甲苯(3-NT)、4-硝基甲苯(4-NT)、2,4,6-三硝基甲苯(TNT)、2,4-二硝基苯酚(2,4-DNP)、2-硝基苯酚(2-NP)、3-硝基苯酚(3-NP)、4-NP以及PA的水溶液，然后依次向比色皿中加入10 μL分析物水溶液进行测试。实验结果表明，不同NACs的水溶液对ZnSm-Cycle-3%@PMMA杂化膜的荧光的影响存在显著差异。如图3(a)、图3(b)所示，在加入其他NACs后杂化膜的荧光强度基本没有变化或者稍有下降，但是4-NP以及PA对于其荧光具有较为明显的猝灭效应，淬灭效率分别达到了76.9和95.9%。这表明ZnSm-Cycle-3%@PMMA杂化膜可以从众多硝基芳香化合物中特异性地识别4-NP和PA。以上结果说明，ZnSm-Cycle-3%@PMMA杂化膜可以作为水相体系中4-NP和PA的荧光传感器。
此外，考察了ZnSm-Cycle-3%@PMMA杂化膜在其他NACs存在时的竞争行为，以评估杂化膜识别4-NP和PA的抗干扰能力。竞争实验是通过在含有10 μL其他NACs水溶液的2 mL去离子水中加入10 μL 4-NP或者PA的水溶液来进行的。用于测试溶液的总浓度为1 × 10−4 mol·L−1。另外，选取了与4-NP和PA共存的干扰物以进一步探究杂化膜的抗干扰能力，包括这几类化合物：如4-氯硝基苯(4-CNB)、多氯联苯(PCB)、氯酚(CB)、多环芳烃(PAH)、含氧多环芳烃(OPAH)、Pb2+、Cd2+以及Hg2+。从图3(c)~(f)中可以看出，即使在其他NACs以及各种干扰物存在的情况下，ZnSm-Cycle-3%@PMMA杂化膜依然能选择性地识别水介质中的4-NP和PA。
通过发光猝灭滴定实验来评估ZnSm-Cycle-3%@PMMA杂化膜的检测4-NP和PA的灵敏程度，如图4(a)，随着4-NP浓度从0增加至500 μM，杂化膜490.0 nm处的荧光强度从5514逐渐降至1273。之后再滴加4-NP，杂化膜的荧光强度也几乎不再发生变化。随后通过线性Stern-Volmer(SV)方程计算KSV [8]，计算结果如图4(b)所示，当4-NP浓度低于120 M时，曲线拟合呈现出良好的线性相关性(R2 = 0.9821)，相应的Ksv值为11.75 × 103 M−1，根据公式LOD = 3δ/KSV计算得出杂化膜对于4-NP的最低检测限(LOD)为0.85 μM (3δ是通过对同一组数据进行平行测量10次计算标准差得到，计算取值3δ = 0.01)。类似地，如图4(c)、图4(d)，当PA浓度低于60 μM时，曲线拟合同样呈现出良好的线性相关性(R2 = 0.97772)，曲线拟合得到的Ksv值为17.67 × 103 M−1，相应地，杂化膜对于PA的最低检测限(LOD)为0.57 μM。
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Figure 3. (a) Emission spectra of ZnSm-Cycle-3%@PMMA hybrid film after addition of different NACs aqueous solutions; (b) Relative fluorescence intensity of hybrid film after NACs addition presented in bar chart; (c) Competitive experimental results of the hybrid membrane for detecting 4-NP in the presence of other NACs; (d) Competitive experimental results of the hybrid membrane for detecting 4-NP in the presence of other interfering substances; (e) Competitive experimental results of the hybrid membrane for detecting PA in the presence of other NACs; (f) Competitive experimental results of the hybrid membrane for detecting PA in the presence of other interfering substances.
图3. (a) 加入不同NACs水溶液后ZnSm-Cycle-3%@PMMA杂化膜的发射光谱；(b) 以柱状图表示的加入不同NACs水溶液后杂化膜相对荧光强度；(c) 杂化膜在其他NACs存在下检测4-NP的竞争实验结果；(d) 杂化膜在其他干扰物存在的存在下检测4-NP的竞争实验结果；(e) 杂化膜在其他NACs存在下检测PA的竞争实验结果；(f) 杂化膜在其他干扰物存在的存在下检测PA的竞争实验结果
随后，测定相同浓度下这几种硝基芳香化合物水溶液的紫外吸收光谱并记录其吸收特征，如图5所示，观察到PA的紫外吸收光谱与ZnSm-Cycle的吸收光谱的仅在300~450 nm波长范围内存在部分重叠(重叠面积约60%)，而4-NP的吸收光谱与ZnSm-Cycle的吸收光谱则在250~400 nm的宽范围内与ZnSm-Cycle表现出显著的光谱重叠(重叠面积达90%)。这种差异性的吸收光谱重叠特征为解释二者的不同猝灭机制提供了重要依据：4-NP因其更宽范围的光谱重叠而主要通过竞争吸收机制猝灭荧光，而PA则因有限的光谱重叠而主要依赖电子转移途径。
采用密度泛函理论(DFT)方法，在B3LYP/6-311G+(d,p)基组的水平上通过理论计算得到配体和常见NACs的前线分子轨道LUMO和HOMO能级。大多数NACs属于典型的LUMO能量低的电子受体，它们很容易通过给体–受体(D-A)相互作用接受富电子荧光团的激发电子，从而导致荧光物质的荧光猝灭。如图6所示，与其他NACs相比，PA的LUMO轨道能级最低(−3.89 eV)，与H2L的LUMO轨道能级(−1.96 eV)差值最大，所以H2L的激发电子更容易被PA的LUMO轨道能级所接受，而4-NP的LUMO轨道能级(−2.49 eV)只是略低于H2L，接受H2L激发电子的能力弱于PA。
综上所述，4-NP以及PA对ZnSm-Cycle的荧光猝灭可以归因于光诱导的电子转移和能量竞争吸收的共同作用，其中能量竞争吸收是4-NP导致ZnSm-Cycle荧光猝灭的主要原因，而光诱导电子转移在PA猝灭ZnSm-Cycle的荧光中起到主要作用。
Figure 4. (a) Fluorescence titration curves of ZnSm-Cycle-3%@PMMA hybrid film with 4-NP (0~500 μM); (b) Linear relationship between I0/I at 490 nm and 4-NP concentration (0~120 μM) for the hybrid film; (c) Fluorescence titration curves of the hybrid film with PA (0~500 μM); (d) Linear relationship between I0/I at 490 nm and PA concentration (0~60 μM) for the hybrid film
图4. (a) 4-NP (0~500 μM)对ZnSm-Cycle-3%@PMMA杂化膜的荧光滴定图；(b) 杂化膜490 nm处I0/I与4-NP浓度(0~120 μM)的线性关系；(c) PA (0~500 μM)对杂化膜的荧光滴定图；(d) 杂化膜490 nm处I0/I与4-NP浓度(0~60 μM)的线性关系
Figure 5. UV-vis absorption and excitation spectra of the compound ZnSm-Cycle, along with UV-vis absorption spectra of nitroaromatic compounds (NACs) aqueous solutions (50 μM)
图5. 化合物ZnSm-Cycle的紫外吸收和激发光谱以及硝基芳香烃水溶液(50 μM)的紫外吸收光谱
Figure 6. HOMO and LUMO energy levels with electron cloud distributions of ligand H₂L and nitroaromatic compounds
图6. 配体H2L和硝基芳香烃的HOMO和LUMO能级及电子云分布
传感器的可重复使用性能直接影响其实际应用价值。优异的循环稳定性不仅能显著降低传感器的使用成本，还可有效减少检测过程中的试剂消耗。因此，为了评估ZnSm-Cycle-3%@PMMA杂化膜的可回收性能，进行了循环实验。如图7所示，将杂化薄膜从比色皿中取出后用去离子水洗涤，4-NP与PA淬灭薄膜荧光的现象消失。回收处理后杂化膜的荧光强度能恢复到与检测前原始薄膜基本相当的水平，经过回收处理的ZnSm-Cycle-3%@PMMA杂化膜仍能保持对4-NP与PA的高效检测能力。循环稳定性测试显示，该传感材料至少可重复使用5个检测周期而不明显降低性能。这充分说明，该杂化膜作为DCN荧光传感器具有出色的可循环使用特性，为其在实际环境监测中的应用提供了重要保障。综合上述研究结果，ZnSm-Cycle-3%@PMMA杂化膜是水相介质中一种性能优异的用于检测4-NP与PA的荧光传感材料。
Figure 7. Recycling experiments of ZnSm-Cycle-3%@PMMA hybrid film for repeated detection of 4-NP and (b) PA five times
图7. ZnSm-Cycle-3%@PMMA杂化膜重复检测4-NP以及(b) PA五次的回收实验
4. 结论
本文以水杨酰胺–亚胺配体H2L得到了杂金属化合物ZnSm-Cycle。研究固态荧光测试得到，化合物ZnSm-Cycle表现出基于螯合荧光增强效应的蓝绿色发光。将ZnSm-Cycle掺杂入有机基质PMMA得到的ZnSm-Cycle@PMMA杂化膜能够选择性地识别水介质中的硝基芳香烃4-NP与PA，最低检测限(LOD)分别为0.85 μM和0.57 μM。4-NP主要通过能量竞争吸收导致ZnSm-Cycle的荧光猝灭，而PA则主要经由光诱导电子转移过程实现对ZnSm-Cycle荧光猝灭。总而言之，ZnSm-Cycle@PMMA杂化膜是一种应用前景良好的多功能荧光传感器，为该类杂金属配合物在传感器领域的应用提供了一条可行的思路。
基金项目
感谢国家自然科学基金资助项目(项目编号：50902110)。