Highly Selective Detection of Fe3+ by Mononuclear Cd（II） Complex Sensor Containing Naphthalene Disulfonic Acid Ligands

doi:10.7503/cjcu20260062

Abstract

Abstract:

A new type of stable fluorescent cadmium complex， Cd（C₃H₄N₂）₄（C₁₀H₆O₆S₂）₂［abbreviated as Cd（Im）₄（1，5-NDA）₂］， was synthesized by solvothermal method using cadmium nitrate tetrahydrate as the metal source， 1，5-naphthalenedisulfonate（1，5-NDA^2-） and iImidazole（Im） as the main and auxiliary ligands. The compound was characterized by X-ray single crystal diffraction and thermogravimetric analysis. The X-ray single crystal diffraction results indicated that the compound belonged to the Monoclinic crystal system with the C1c1 space group， and the central ion Cd（II） was located in the distorted octahedral structure. The thermogravimetric analysis results proved that the compound had good thermal stability. The fluorescence properties of Cd（Im）₄（1，5-NDA）₂ were investigated. The solid-state fluorescence spectra showed that the compound had good fluorescence properties， and its fluorescence emission mainly came from the π-π^* transition of the ligands. The orbital contributions of the excited state of the complex were calculated using the time-dependent density functional theory（TD-DFT）. The fluorescence quenching experiments results indicated that Fe³⁺ had a significant quenching effect on the fluorescence intensity of the complex， and the detection limit of Fe³⁺ recognition by the complex was 0.46 μmol/L. By using the multi-technology combined approach， the possible fluorescence quenching mechanism of Fe³⁺ on Cd（Im）₄（1，5-NDA）₂ was speculated. The results of ultraviolet-visible absorption tests indicated that energy resonance transfer（FRET） occurred between Fe³⁺ and Cd（Im）₄（1，5-NDA）₂. The characterization results of powder X-ray diffraction， infrared spectroscopy， inductively coupled plasma mass spectrometry， energy dispersive spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy showed that there were interactions between Fe³⁺ and N atoms on Cd（Im）₄（1，5-NDA）₂. In summary， the fluorescence quenching mechanism of Fe³⁺ on Cd（Im）₄（1，5-NDA）₂ is a dual-path cooperative quenching： FRET between Fe³⁺ and the complex and the interactions between Fe³⁺ and the N atoms on the complex.

Key words: Cadmium（II） complex, Fluorescence sensing, Fe³⁺, Quenching mechanism

CLC Number:

O614.121

TrendMD:

SONG Zhiguo, WANG Xin, ZHU Zhihui, XU Yiminmg, WANG Min. Highly Selective Detection of Fe³⁺ by Mononuclear Cd（II） Complex Sensor Containing Naphthalene Disulfonic Acid Ligands[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2026, 47(8): 20260062.

Figures/Tables 19

Table 1 Crystallographic data for Cd(Im)4(1,5-NDA)2

Formula	C₂₂H₂₀CdN₈O₆S₂	μ/mm^-1	1.050
Formula weight	668.98	F（000）	1344
Temperature/K	296.15	Crystal size	0.24 mm×0.22 mm×0.20 mm
λ/nm	0.071073	Theta range/（°）	2.383—25.096
Crystal system	Monoclinic	Index ranges	-11 ≤ h ≤ 11
Space group	C1c1		-20 ≤ k ≤ 20
a/nm	0.98439（9）		-18 ≤ l ≤ 18
b/nm	1.70932（15）	D_c/（Mg·m^-3）	1.701
c/nm	1.57981（13）	Total reflections	27807
α/（°）	90	Unique reflections	4633
β/（°）	100.627（2）	Goodness⁃of⁃fit F²	1.089
γ/（°）	90	R₁， ωR₂^*	0.0212， 0.0521
V/nm³	2.6127（4）	R₁， ωR₂（all data）^*	0.0216， 0.0522
Z	4	CCDC No.	2348654

Table 2 Partial bond length(nm) and bond angle(°) of Cd(Im)4(1,5-NDA)2a

Bond	Experimental	Simulated ^b	Bond	Experimental	Simulated ^b
Cd1—O7	0.2456（3）	0.2462	O9—Cd1—O7	81.10（11）	82.46
Cd1—O9	0.2333（3）	0.2339	O9—Cd1—N4	162.45（12）	161.22
Cd1—N1	0.2265（3）	0.2312	N1—Cd1—N3	168.76（13）	167.07
Cd1—N3	0.2295（3）	0.2358	N1—Cd1—O9	85.14（12）	84.80
Cd1—N4	0.2345（4）	0.2398	N2—Cd1—O7	177.09（12）	176.53
Cd1—N2	0.2324（3）	0.2381	N2—Cd1—O9	100.23（13）	99.23

Table 3 Comparison of LOD for Fe3+ detection using different fluorescent sensing materials

Fluorescent sensing material	LOD/（μmol·L^-1）	Ref.	Fluorescent sensing material	LOD/（μmol·L^-1）	Ref.
［CdL（H₂O）（NO₃）·H₂O］ _n	253	［44］	［Cd（LBIX）（HEA）］ _n	1.14	［10］
［Cd（HDCPN）（1，4⁃bib）0.5（H₂O）₂］ _n	132	［45］	［Cd₄（L）₄（1，4⁃bib）₄］·2DMA	0.65	［48］
［Zn₃Eu₂（TTHA）₂（H₂O）₆］·6HO	16.8	［46］	［Mn（na）₂（Dmbpy）（H₂O）］·Hna	0.52	［49］
［Zn₂（cptpy）（btc）（H₂O）］ _n	9.73	［47］	Cd（Im）₄（1，5⁃NDA）₂	0.46	This work

Table 4 Determination of Fe3+ in water samples

Water sample	$c F e 3 +$ added/（μmol·L^-1）	$c F e 3 +$ found/（μmol·L^-1）	Recovery（%）
Sea Water	2.00	2.07	103.50
	4.00	4.12	103.00
	8.00	8.15	101.88
Lake Water	2.00	2.04	102.00
	4.00	4.06	101.50
	8.00	8.11	101.38

Table 4 Determination of Fe3+ in water samples

Water sample	$c F e 3 +$ added/（μmol·L^-1）	$c F e 3 +$ found/（μmol·L^-1）	Recovery（%）
Sea Water	2.00	2.07	103.50
	4.00	4.12	103.00
	8.00	8.15	101.88
Lake Water	2.00	2.04	102.00
	4.00	4.06	101.50
	8.00	8.11	101.38

Table 5 Concentrations of Cd2+ and Fe3+ in Sample I and Sample II

Sample	Entry	ICP test value of c（Cd²⁺）/（mg·L^-1）	Fe³⁺ added amount/（g·L^-1）	ICP test value of c（Fe³⁺）/（g·L^-1）
I	1	3.92	—	0
	2	3.94	—	0
	3	3.93	—	0
II	1	3.96	0.201	0.128
	2	4.05	0.201	0.137
	3	4.01	0.201	0.132

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Highly Selective Detection of Fe³⁺ by Mononuclear Cd（II） Complex Sensor Containing Naphthalene Disulfonic Acid Ligands

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