一种基于镧系金属铕离子配合物探针的pH值检测方法

摘要

本发明公开了一种基于镧系金属铕离子配合物探针的pH值检测方法。所述检测方法主要包括以下步骤：先对包含镧系金属铕离子配合物和不同pH值溶液的待测样品A进行荧光强度的扫描，观察荧光强度的变化，实现对溶液pH值的定量检测，得到pH值与荧光强度之间的线性区间；然后再检测包含镧系金属铕离子配合物和待测水体样本的待测样品B的荧光强度，从而得到待测水体样本的pH值。本发明方法不仅可以达到传统方法的检测效果，而且具有良好的选择性；响应速度快、检测时间短、操作简便和价格低廉，时间分辨荧光信号强且稳定，保证了实验方法的重复性以及荧光信号在复杂环境中的可辨识度，使得检测方法的实际应用性得到了强有力的保证。

说明书

技术领域

本发明属于化学分析技术领域，具体涉及一种基于镧系金属铕离子配合物探针的pH值检测方法。

背景技术

pH值，即酸碱度，是水质的重要指标。天然水的pH值多在6～9之间；饮用水pH要求在6.5～8.5之间；某些工业用水的pH值应保证在7.0～8.5之间，否则将对金属设备和管道有腐蚀作用。pH值和酸度、碱度既有区别又有联系。pH值表示的是水的酸碱性的强弱，而酸度和碱度是水中所含酸或碱物质的含量。水质中的pH值的变化预示了水污染的程度。在养殖水体中，pH值十分直观地反映着水质的变化，比如藻类的活力和二氧化碳的存在状态等，都可以通过pH值的大小和日变化量来推断是否在正常范围内。

测定pH值的意义在于它标志着水的基本属性；当发生异常变化时，标志着污染；酸性水能促进金属溶解，对金属有腐蚀性，因而有可能引起金属急慢性中毒；碱性水能促进金属的析出，影响水的感官性状，并有腐蚀作用，在水质改善上，pH值影响混凝和氯消毒效果。我国及大多数国家生活饮用水水质标准规定pH值的范围为6.5～8.5。一般认为饮用水的pH值在较大范围内(6.5～9.5)不会影响人体健康和生活饮用。

除了传统的比色法和pH计法外，目前对pH值进行检测的研究中，基于荧光分析法的研究居多。在基于荧光分析技术的方法中主要有三种不同的类型，第一类为测定两种不同染料对pH值响应的荧光强度的比值，即通常所说的比率型pH传感器，第二类为测定染料的荧光寿命，第三类为直接测定染料的荧光强度。第一类方法，即比率型pH传感器，能够很好的解决传感器中常常遇到的染料泄漏和背景信号高等问题，但是怎样找到两种对pH值有不同响应效果的染料，并且能够应用到pH值传感器中，是一个很大的难题。第二类方法，通过测定染料的荧光寿命来对pH值进行研究，此种方法的优势在于荧光寿命不依附于荧光强度和波长等，具有相对独立性，因此其干扰较小。但是这种方法需要高精尖和复杂的仪器设备，因此限制了其在pH检测中的应用。所以，实际上，第三类方法，即直接测定染料的荧光强度，是目前应用得最多的方法。但是这种方法通常使用的是具有短寿命的染料，因而在检测应用中容易受到检测体系本身荧光以及生物体内源荧光的干扰，使得检测方法的背景信号偏高，影响检测方法的信噪比。因此，目前而言，发展一种快速、简便、稳定性和特异性的环境水体中pH值的检测方法是必要的。

发明内容

为了能够有效的降低在环境水体中pH值检测中存在的检测信号易受干扰、不稳定以及背景信号强等问题，并提高检测信号的可辨识度与稳定性，本发明的目的在于提供一种基于镧系金属铕离子配合物探针的pH值检测方法。通过本发明方法，实现了缓冲液以及实际环境水体样本pH值的简单、快速、稳定和特异性的检测。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于镧系金属铕离子配合物探针的pH值检测方法，依次包括以下步骤：

(1)合成镧系金属铕离子配合物；

(2)配制镧系金属铕离子配合物的储备液；

(3)配制不同pH值的溶液；

(4)配制包含镧系金属铕离子配合物和不同pH值溶液的待测样品A；

(5)对待测样品A用荧光光谱仪进行荧光强度的扫描，观察荧光强度的变化，实现对溶液pH值的定量检测，得到pH值与荧光强度之间的线性区间；

(6)准备待测水体样本；

(7)配制包含镧系金属铕离子配合物和待测水体样本的待测样品B；

(8)对待测样品B用荧光光谱仪进行荧光强度的扫描，将得到的荧光强度对比步骤(5)得到的线性区间，得到待测水体样本的pH值。

优选的，所述步骤(1)的具体步骤如下：将88mg Eu₂O₃加热溶解于2.0mL浓盐酸中，加热去除多余的浓盐酸后，加乙醇稀释得到透明溶液，即EuCl₃的乙醇溶液；另用20mL乙醇溶解337mg TTA(噻吩甲酰三氟丙酮)，将EuCl₃的乙醇溶液和TTA的乙醇溶液加入到三口瓶中，水浴加热，磁力搅拌，控制温度为60℃，用NaOH溶液调节pH值为6.0，控制温度和pH值，反应40min后，另以15mL乙醇溶解5-NH₂-phen，然后滴加至反应体系中，此时控制反应温度为58℃，继续反应5h，反应完毕后，冰箱中静置过夜，有黄色固体析出，抽滤；用乙醇和超纯水洗涤，于50℃下真空干燥，然后以乙醇重结晶2次，得到具有长寿命荧光性能的黄色固体即为所述镧系金属铕离子配合物Eu(TTA)₃(5-NH₂-phen)，用ETN表示。

更优选的，所述5-NH₂-phen由下述方法制得：以phen(1,10-邻菲啰啉)为原料通过硝化反应制得5-NO₂-phen，然后通过还原反应制得所述5-NH₂-phen。

更为优选的，所述的硝化反应是以浓硫酸和浓硝酸混合酸为硝化剂，反应时间为45min，反应温度为165℃；所述的还原反应是以含钯质量分数为5％的钯碳为催化剂，水合肼为还原剂，反应时间为5.0h，反应温度为90～92℃。

优选的，步骤(2)所述的镧系金属铕离子配合物的储备液配制：准确称取5.065mg步骤(1)制得的ETN固体粉末，用乙醇溶解到100mL容量瓶中，得到浓度为5×10^-5mol·L^-1的镧系金属铕离子配合物的储备液。

优选的，步骤(3)所述的不同pH值溶液的配制：pH值在1.98～11.98时由B–R缓冲液配制而成，其它pH值由HCl和NaOH溶液调节而成；

所述B–R缓冲液由浓度均为0.04mol·L^-1的磷酸、硼酸和醋酸混合酸，用0.2mol·L^-1NaOH调节到所需pH值而成；所述其它pH值溶液由2.0mol·L^-1HCl和2.0mol·L^-1NaOH调节而成。

更优选的，所述不同pH值溶液的pH值分别为0、0.5、1.0、1.5、1.98、2.5、2.87、3.5、4.1、4.5、5.02、5.5、6.09、6.5、7.0、7.5、7.96、8.5、8.95、9.5、9.91、10.5、10.88、11.5、11.98、12.5、13.0、13.5和14.0。

优选的，步骤(4)所述的待测样品A的配制的步骤为：准备一系列10mL比色管中，分别加入1.0mL步骤(2)制得的镧系金属铕离子配合物的储备液，放入60℃烘箱中去除乙醇溶剂，然后分别用步骤(3)配制的不同pH值的溶液定容到刻度。

优选的，步骤(5)所述对溶液pH值的检测具体为：用荧光光谱仪测定步骤(4)制得的待测样品溶液的时间分辨荧光强度的变化并记录下来，最大激发波长和最大发射波长分别为355nm和611nm，延迟时间为0.1ms，激发狭缝和发射狭缝为5.0nm，从而实现对待测样品溶液pH值的定量检测，得到pH值与荧光强度之间的线性区间。

更优选的，所述pH值与荧光强度的线性区间分别为：pH 1.5～7.5，10～14。

优选的，步骤(6)所述待测水体样本为：污水、河水、泉水、湖水或自来水样本。其中泉水和自来水样本不做预处理，污水、河水和湖水样本先过滤，然后在高速离心机(12000rpm/min，5min)上离心去除可见的悬浮物。

优选的，步骤(7)所述的待测样品B的配制步骤与步骤(4)类似，只是将步骤(4)中不同pH值溶液换为待测水体水样，具体为：准备一系列10mL比色管，分别加入1.0mL步骤(2)制得的镧系金属铕离子配合物的储备液，放入60℃烘箱中去除乙醇溶剂，然后分别用步骤(6)准备的待测水体样本定容到刻度；步骤(8)所述对待测样品B的荧光强度的扫描步骤与步骤(5)类似、扫描条件相同，区别在于实际扫描前，先用广泛pH试纸作预检测以粗略估计样品的pH大小。

本发明的原理为：由于检测体系本身的背景荧光以及生物体内的内源荧光等都是短寿命的荧光信号，如果能够利用具有长寿命荧光特性的物质作为染料，使用时间分辨荧光模式，去除或者降低短寿命的背景荧光信号的干扰，那么对检测方法的特异性以及实际应用性将有巨大的提高。在研究中发现镧系金属铕离子配合物不仅具有荧光寿命长、荧光量子产率高和荧光信号稳定等优点，而且当pH值发生变化时，其时间分辨荧光强度具有快速灵敏的响应。因此，本发明利用长寿命发光镧系金属铕离子配合物提出了一种简便、快速、稳定和特异性的环境水体中pH值的检测方法。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

(1)检测方法简单，对pH值响应迅速；

(2)特异性强，溶液中存在的其它有机物和无机物等对检测结果没有影响；

(3)价格低廉，只需用简单方便的方法合成镧系金属铕离子配合物；

(4)操作便捷，无需复杂的样本前处理；

(5)可应用于实际环境水体中的pH值检测；

(6)时间分辨荧光信号强且稳定，保证了实验方法的重复性以及荧光信号在复杂环境中的可辨识度，使得检测方法的实际应用性得到了强有力的保证。

本发明方法与传统方法相比，不仅可以达到传统方法的检测效果，而且具有良好的选择性；同时，本发明方法响应速度快、检测时间短、操作简便和价格低廉，更重要的是本发明方法利用镧系金属铕离子配合物具有的长寿命发光性质，运用时间分辨荧光分析法，有效地降低或者消除了背景荧光信号的干扰，提高了检测信号的强度以及稳定性，使得检测方法在实际应用中的使用得到了有效地保证。

附图说明

图1为本发明中使用的镧系金属铕离子配合物Eu(TTA)₃(5-NH₂-phen)的结构式。

图2为本发明中使用的镧系金属铕离子配合物Eu(TTA)₃(5-NH₂-phen)的合成步骤。

图3为本发明中溶解氧和离子强度对检测方法的干扰图。

图4为本发明中不同pH值检测的时间分辨荧光发射光谱图。

图5为本发明中检测方法的曲线图以及线性范围图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

以下是部分本发明实施例中所用的仪器和设备，其它未注明的实验条件按照常规或以其制造厂商所建议的条件：Perkin-Elmer LS-55荧光磷光分光光度计(英国)；Centrifuge 5417R小型台式高速冷冻离心机(德国Eppendorf公司)；Merck Millipore超纯水机(德国)；pHS-3B型pH计(上海精密科学仪器有限公司)；电子天平TE124S(德国Sartorius公司)。

实施例1

以噻吩甲酰三氟丙酮(TTA)，1,10-邻菲啰啉(phen)为配体的镧系金属铕离子配合物：Eu(TTA)₃(5-NH₂-phen)的制备，具体步骤如下：

a.以1,10-邻菲啰啉(phen)为原料的5-NH₂-phen的合成

合成步骤：(1)phen的硝基化。向250mL三口烧瓶中加入13mL浓硫酸，在磁力搅拌条件下，分批加入2.0g phen，磁力搅拌溶解，缓慢升温，待温度升到150℃时，缓慢加入5.5mL浓硝酸，反应温度控制在165℃，继续反应45min。反应完毕后，将反应液小心倒入130g冰水混合物中，待碎冰完全融化后，用2.0mol·L^-1NaOH溶液调节pH值为7.0，此时有大量黄色沉淀生成，减压抽滤，水洗，空气中风干得到粗品NO₂-phen，用乙醇重结晶2次，得到黄色晶体，60℃真空烘干，即为NO₂-phen。(2)NO₂-phen还原为NH₂-phen。向250mL三口烧瓶中加入30mL乙醇，然后加入1.6g NO₂-phen，搅拌条件下加热溶解，然后加入0.5g Pd/C，并升温到回流状态，继续搅拌10min，然后在60min内将10mL以1：1配比的水合肼/乙醇溶液滴加完毕，保持回流状态5.0h。反应完毕后趁热减压抽滤，得到橙红色溶液；将此溶液蒸馏到有大量黄色沉淀生成，然后在冰箱中静置过夜，抽滤，干燥，乙醇重结晶2次，在60℃下真空烘干得到晶体。

b.镧系金属铕离子配合物Eu(TTA)₃(5-NH₂-phen)的合成

合成步骤：称取88mg Eu₂O₃加热溶解于2.0mL浓盐酸中，加热去除多余的浓盐酸后，加乙醇稀释得透明溶液，即EuCl₃的乙醇溶液。另以20mL乙醇溶解337mg TTA。将EuCl₃的乙醇溶液和TTA的乙醇溶液徐徐加入到三口瓶中，水浴加热，磁力搅拌，控制温度为60℃，用2.0mol·L^-1NaOH溶液调节pH值为6.0，控制温度和pH值，反应40min。40min后，另以15mL乙醇溶解5-NH₂-phen，然后滴加至反应体系中，此时控制反应温度为58℃继续反应5h，反应完毕后，冰箱中静置过夜，有黄色的固体析出，抽滤。用乙醇和超纯水洗涤，于50℃下真空干燥，然后以乙醇重结晶2次，得到具有长寿命荧光性能的黄色固体——Eu(TTA)₃(5-NH₂-phen)，用ETN表示，其结构式如附图1所示。上述合成步骤如附图2所示。

实施例2：ETN时间分辨荧光强度的稳定性研究

取10个不同的10mL比色管，分别加入1.0mL ETN的储备液，放入60℃烘箱中去除乙醇溶剂。随后用pH值为7.5的B–R缓冲液定容到刻度，充分溶解混合均匀，室温下静置10min，待ETN充分溶解并稳定后，先后取3.0mL溶液加入到1-cm比色皿中，用Perkin-Elmer LS-55荧光磷光分光光度计测定其时间分辨荧光强度的变化并记录下来，最大激发波长和最大发射波长分别为355nm和611nm，狭缝为5.0nm，延迟时间为0.1ms。从而得到10个不同的时间分辨荧光强度值，对其进行相对标准偏差计算，相对标准偏差为3.2％，小于5％，结果说明该方法具有良好的稳定性。

实施例3：溶解氧和离子强度影响研究

a.溶解氧对ETN时间分辨荧光强度的影响研究

本实施例配制了3种不同溶解氧的溶液，即氧饱和溶液、氮饱和溶液和空气饱和溶液。3种溶液的pH值控制在7.0。然后按照实施例2的步骤方法测定ETN在这3种溶液中的时间分辨荧光强度，从而对其影响进行研究。结果记录在附图3的A图中。结果显示3种溶液中的ETN的时间分辨荧光强度基本不变，从而充分说明溶液中的氧浓度对检测方法的干扰可以忽略不计，在实际检测中可以不考虑溶解氧对本发明的影响。

b.离子强度对ETN时间分辨荧光强度的影响研究

本实施例配制了19种不同浓度的NaCl溶液(分别为0.01、0.02、0.04、0.06、0.08、0.1、0.12、0.14、0.16、0.18、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9和1.0mol·L^-1)，然后研究其对ETN的时间分辨荧光强度的影响。控制这19种溶液的pH值在6.5。然后按照实施例2的步骤方法测定ETN在这19种溶液中的时间分辨荧光强度，从而对其影响进行研究。结果记录在附图3的B图中。结果显示19种溶液中的ETN的时间分辨荧光强度基本不变，从而充分说明溶液中低于1.0mol·L^-1的离子强度对检测方法的干扰可以忽略不计，在实际检测中可以不考虑离子强度对本发明的影响。

实施例4：不同pH值溶液的检测研究

为了分析验证本发明提出的方法对不同pH值溶液的响应，本实施例配制了pH值从1.98到11.98的B–R缓冲液以及用HCl和NaOH调节pH的其它pH值(pH值分别为0,0.5,1.0,1.5,12.5,13.0,13.5和14.0)的溶液。然后，分别取1.0mL ETN的储备液，加入到28个不同的10mL比色管中，放入60℃烘箱中去除乙醇溶剂。随后分别用不同pH值的溶液定容到刻度，充分溶解混合均匀，室温下静置10min，待ETN充分溶解并稳定后，依pH值从低到高先后分别取3.0mL溶液加入到1-cm比色皿中，用Perkin-Elmer LS-55荧光磷光分光光度计测定其时间分辨荧光强度并记录下来，最大激发波长和最大发射波长分别为355nm和611nm，激发狭缝和发射狭缝为5.0nm，延迟时间为0.1ms，从而得到28个不同的时间分辨荧光强度值，结果记录在附图4中。由附图4的A图可以看出，pH值和时间分辨荧光强度有明显的对应关系，时间分辨荧光强度值随着pH的升高而升高，当pH在7.5到9.5之间时，时间分辨荧光强度达到最大值。由附图4的B图可以看出，当pH值超过9.5之后，随着pH值的持续升高，时间分辨荧光强度显著降低。从图中可以看出，该方法对于pH值的响应迅速，信号稳定，信噪比高。

实施例5：检测方法的线性分析

pH值与时间分辨荧光强度的关系如附图5的A图所示。从附图5的A图中可以看出，该曲线分为四部分，第一部分为pH 0～1.5，此时时间分辨荧光强度几乎接近于0，表明在此条件下，ETN的时间分辨荧光强度几乎被完全淬灭；第二部分为pH 1.5～7.5，此阶段随着pH值的升高，ETN的时间分辨荧光强度也显著升高，并且在此范围内，时间分辨荧光强度与pH值呈现良好的线性关系，线性方程和相关系数如附图5的B图所示；第三部分为pH 7.5～9.5，此时ETN的时间分辨荧光强度达到最大值；第四部分为pH 9.5～14，当pH大于9.5时，ETN的时间分辨荧光强度随着pH值的升高而降低，在pH值为10到14之间时，时间分辨荧光强度与pH值呈现良好的线性关系，线性方程和相关系数如附图5的B图所示。

实施例6：特异性评价

为了探索本发明的特异性，本实施例选择了一系列有机物和无机物干扰物对本发明中的方法进行特异性研究。在此实验中，pH控制在7.0。结果记录在表1中。从表1可以看出，所列的一系列有机物和无机物的存在对pH值的检测研究的影响基本可以忽略，相对标准偏差的绝对值在0.07％～2.77％之间，小于5％。所以，本发明提出的检测方法具有良好的抗干扰能力，保证了其在实际环境水样中的应用研究。

表1特异性评价实验结果

实施例7：实际环境水体样本pH值的检测研究

为了验证本发明提出的方法的实际应用性，本发明中使用了5种不同的实际环境水样样本，分别为污水、河水、泉水、湖水和自来水样本。其中泉水和自来水样本不做预处理，污水、河水和湖水样本先过滤，然后在高速离心机(12000rpm/min，5min)上离心去除可见的悬浮物。在实际检测前，先用广泛pH试纸作预检测，检测结果显示污水的pH大于9，其他水样pH均小于8。然后用实施例2和4中的步骤方法对此5种环境水体样本进行了pH值检测，并将用本发明的方法的检测结果与pH计所测得的结果进行了对比研究。结果记录在表2中。从表2可以看出，本发明提出的方法的检测结果与pH计所测得的结果具有良好的一致性。结果充分说明，本发明提出的检测方法具有很好的实际应用性。

表2实际环境水体检测结果对比

样品pH^a_pH^b偏差污水10.8710.790.08河水6.816.790.02泉水6.996.920.07湖水7.056.980.07自来水6.806.770.03

表2中，pH^a表示利用本发明测得的结果；pH^b表示pH计测得的结果

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。