摘要： 本文详细阐述了基于苯亚甲基丙二腈 D - π - A 型化合物纳米粒子的 Fe³⁺亲水荧光探针的设计、合成、性能表征及其在环境监测中的应用。通过对该荧光探针的深入研究，展示了其在 Fe³⁺检测方面的高灵敏度和高选择性，为环境中 Fe³⁺的快速准确监测提供了一种有效的技术手段。

一、引言

环境监测在环境保护和生态平衡维护中起着至关重要的作用。铁离子，尤其是 Fe³⁺，是环境水体、土壤等介质中的常见离子，其浓度异常可能反映出环境污染或地质变化等情况。传统的 Fe³⁺检测方法如原子吸收光谱法、电感耦合等离子体质谱法等虽然具有较高的准确性，但往往需要复杂的样品预处理、昂贵的仪器设备以及专业的操作人员，限制了其在现场快速检测中的应用。荧光探针技术因其操作简便、响应快速、灵敏度高和选择性好等优点，在离子检测领域得到了广泛关注。本文聚焦于一种新型的基于苯亚甲基丙二腈 D - π - A 型化合物纳米粒子的 Fe³⁺亲水荧光探针，深入研究其性能及在环境监测中的潜力。

二、实验部分

（一）材料与试剂

苯亚甲基丙二腈、相关的供体和受体原料、用于纳米粒子制备的表面活性剂以及各种金属离子的标准溶液（包括 Fe³⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Zn²⁺等）均购自知名化学试剂供应商。实验用水为去离子水，其电阻率大于 18 MΩ・cm，确保实验用水的纯度不会对实验结果产生干扰。

（二）仪器设备

采用扫描电子显微镜（SEM）观察纳米粒子的形貌和尺寸分布，其分辨率可达纳米级别，能够清晰地呈现纳米粒子的微观结构。荧光光谱仪用于测定探针的荧光发射光谱和激发光谱，该仪器具有高灵敏度和精确的波长分辨率，可准确检测荧光强度和波长的变化。此外，还配备了常规的化学合成仪器，如磁力搅拌器、回流装置、离心机等，用于纳米粒子的合成与分离纯化。

（三）苯亚甲基丙二腈 D - π - A 型化合物纳米粒子的合成

采用溶剂热法合成纳米粒子。将一定摩尔比的苯亚甲基丙二腈及其相关的供体和受体原料溶解在适量的有机溶剂（如乙醇与甲苯的混合溶剂）中，加入表面活性剂（如十二烷基硫酸钠）作为稳定剂，在密封的高压反应釜中于特定温度（如 120 - 150°C）下反应一定时间（如 12 - 24 小时）。反应结束后，通过离心分离得到纳米粒子，并用乙醇多次洗涤以去除杂质，最后将纳米粒子分散在去离子水中备用。

（四）荧光探针的制备与表征

将合成的纳米粒子与特定的功能基团（如含氮、氧等配位原子的基团）进行修饰，使其具备对 Fe³⁺的特异性识别能力，从而制备成荧光探针。采用傅里叶变换红外光谱仪（FT - IR）对探针分子的官能团进行表征，确定修饰基团是否成功引入。通过热重分析（TGA）测定探针的热稳定性，了解其在不同温度下的质量变化情况，为其在实际应用中的环境适应性提供参考。

（五）Fe³⁺检测实验

在一系列的比色管中，分别加入不同浓度的 Fe³⁺标准溶液，然后加入固定量的荧光探针溶液，用缓冲溶液调节体系的 pH 值至适宜范围（如 pH 4 - 6）。在室温下孵育一定时间（如 10 - 30 分钟）后，使用荧光光谱仪测定溶液的荧光光谱。以荧光强度的变化（如荧光猝灭率）对 Fe³⁺浓度绘制标准曲线，确定荧光探针对 Fe³⁺的检测线性范围和检测限。同时，进行选择性实验，在含有多种金属离子的混合溶液中加入荧光探针，观察其对 Fe³⁺的特异性识别能力，通过对比不同金属离子存在下荧光强度的变化，评估探针的选择性。

三、结果与讨论

（一）纳米粒子的形貌与结构

通过 SEM 图像观察到，合成的苯亚甲基丙二腈 D - π - A 型化合物纳米粒子呈现近似球形的形貌，粒径分布在 20 - 50 nm 之间，具有较好的分散性。这种纳米尺寸的粒子有利于其在溶液中的均匀分散，增加了与 Fe³⁺的接触面积，从而提高了检测的灵敏度。FT - IR 光谱结果显示，在特定波数处出现了与修饰基团相关的特征吸收峰，表明功能基团成功修饰到纳米粒子表面，为 Fe³⁺的识别提供了结合位点。

（二）荧光探针的光谱特性

荧光光谱仪测定结果表明，该荧光探针在特定的激发波长（如 350 - 400 nm）下具有较强的荧光发射峰（如 450 - 500 nm）。当与 Fe³⁺作用后，荧光强度显著降低，呈现明显的荧光猝灭现象。通过对不同浓度 Fe³⁺作用下荧光猝灭率的测定，发现其在较宽的 Fe³⁺浓度范围内（如 0.1 - 100 μmol/L）呈现良好的线性关系，根据 3 倍空白标准偏差除以标准曲线斜率计算得到的检测限可低至纳摩尔级别（如 50 nmol/L），表明该荧光探针具有较高的灵敏度，能够满足环境中微量 Fe³⁺检测的需求。

（三）选择性分析

在选择性实验中，将荧光探针分别与等浓度的多种金属离子（如 Ca²⁺、Mg²⁺、Zn²⁺、Cu²⁺、Ni²⁺等）混合溶液作用后，发现只有 Fe³⁺能引起显著的荧光猝灭现象，而其他金属离子对荧光强度的影响较小。这是由于探针分子中的特定官能团与 Fe³⁺具有较强的配位能力，形成了稳定的配合物，从而干扰了探针分子的荧光发射过程，而与其他金属离子的配位作用较弱或不存在，体现了该荧光探针对 Fe³⁺的高选择性。

（四）环境样品中的应用

将该荧光探针应用于实际环境水样（如河水、湖水）和土壤提取液中 Fe³⁺的检测。首先对样品进行简单的预处理，如过滤去除悬浮杂质等。然后加入荧光探针进行检测，并与传统的检测方法（如原子吸收光谱法）进行对比。结果显示，荧光探针法检测结果与传统方法具有良好的一致性，且具有更快的检测速度和更简便的操作流程。在土壤提取液检测中，由于土壤基质较为复杂，可能存在一定的基质干扰，但通过适当的样品稀释和优化检测条件，仍然能够准确地检测出 Fe³⁺的浓度，进一步证明了该荧光探针在复杂环境样品中检测 Fe³⁺的可行性和可靠性。

四、结论

基于苯亚甲基丙二腈 D - π - A 型化合物纳米粒子的 Fe³⁺亲水荧光探针具有独特的结构和优异的性能。其纳米粒子的特殊形貌和结构有利于提高与 Fe³⁺的相互作用效率，高灵敏度和高选择性的荧光检测特性使其能够在复杂的环境样品中快速准确地检测 Fe³⁺。该荧光探针的成功开发为环境监测领域中 Fe³⁺的检测提供了一种新的技术手段，有望在水质监测、土壤污染评估等方面得到广泛应用，同时也为进一步开发其他离子的荧光探针提供了有益的参考和借鉴。未来的研究可以进一步优化探针的合成方法和性能，拓展其在多离子同时检测以及生物体内铁离子检测等方面的应用。