羅丹明-乙二胺類熒光探針的合成及對Hg2+識別研究*

楊 楊，高超穎，鄭秋穎，張 麗，陳 靜，劉景林

（內(nèi)蒙古民族大學化學化工學院，內(nèi)蒙古通遼028000）

羅丹明-乙二胺類熒光探針的合成及對Hg2+識別研究*

楊 楊*，高超穎，鄭秋穎，張 麗，陳 靜，劉景林

（內(nèi)蒙古民族大學化學化工學院，內(nèi)蒙古通遼028000）

基于羅丹明螺內(nèi)酰胺在金屬離子誘導下發(fā)生開環(huán)的機理，以羅丹明B和乙二胺縮合反應得到一種羅丹明酰乙二胺類探針分子RbEA。通過紫外光譜法和熒光光譜法研究了探針RbEA在乙醇-Tris緩沖溶液中與金屬離子的識別特性。結果表明探針RbEA可選擇性比色和熒光識別汞離子，體系的吸收和熒光強度與汞離子濃度具有較好的線性關系，等物質(zhì)的量連續(xù)變化法實驗顯示探針與汞離子形成1：1的配合物。

熒光探針；汞離子識別；比色響應；熒光響應

隨著工業(yè)化尤其是電子業(yè)的發(fā)展，大量含Hg2+、Pb2+、Cd2+、Cr3+等重金屬離子的污染物被排放到環(huán)境中，已經(jīng)成為危害人類的一個世界問題。雖然現(xiàn)代儀器分析手段已經(jīng)很成熟的檢測上述離子，但是由于儀器運行成本較高、使用維護繁瑣，只被專業(yè)檢測機構所采用［1，2］。熒光探針技術具有靈敏度高、選擇性好、檢測方便、成本低廉等特點，在眾多檢測手段中脫穎而出，成為環(huán)境分析和生命科學領域研究的熱點［3］。羅丹明類熒光染料具有光穩(wěn)定性好、量子產(chǎn)率高、對酸堿不敏感等特點，成為熒光探針的設計的首選材料［4-8］。本文在前期離子型熒光傳感器研究工作的基礎上［9，10］，利用羅丹明螺內(nèi)酰胺母體在金屬離子誘導下發(fā)生開環(huán)的機理，將羅丹明B和乙二胺縮合得到了羅丹明探針分子RbEA。通過與汞離子配位前后的紫外-可見吸收光譜和熒光發(fā)射光譜的波長變化，實現(xiàn)了對環(huán)境中汞離子目視比色分析和熒光定性、定量分析檢測。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

儀器：TU-1901型雙光束紫外可見分光光度計，譜析通用儀器；JASCO FP-6500型熒光分光光度計，日本分光公司；Nicolete-5700型紅外光譜儀，美國熱電尼高力儀器；Bruker AVANCE-300M核磁共振光譜儀，德國布魯克分析儀器。

實驗材料：羅丹明B，乙二胺，無水乙醇均為市售分析純，金屬硝酸鹽為結晶水合物，蒸餾水為二次蒸餾制得。

1.2 探針的制備

1.2.1 熒光探針RbEA的合成

按照文獻報道的方法［11］合成了探針RbEA。準確稱量羅丹明B（2.22 g，5 mmol）于50 mL的圓底燒瓶中，加入30 mL無水乙醇將其溶解，加入2 mL乙二胺，磁力攪拌下將反應液回流過夜。當羅丹明顏色褪去后，停止反應。將反應液逐漸冷卻至室溫，傾倒入飽和食鹽水中，二氯甲烷萃取，無水硫酸鎂干燥濃縮后進行柱層析分離（展開劑為石油醚：乙酸乙酯=5∶1）得白色粉末，即為羅丹明酰乙二胺RbEA，產(chǎn)率約為65%。1H NMR（300 MHz，CDCl3）δ 7.89（d，J= 10.9 Hz，1H），7.52-7.38（m，2H），7.09（d，J=3.4 Hz，1H），6.42（d，J=8.8 Hz，2H），6.36（d，J=2.5 Hz，2H），6.27（dd，J=8.9，2.6 Hz，2H），3.33（q，J=7.1 Hz，8H），3.26（d，J=5.8 Hz，2H），2.71（t，2H），1.16（t，J=7.0 Hz，12H）.IR（KBr，cm-1）：ν=3426，2967，2925，1690，1634，1614，1515，1380，1218，1118，820，787。

1.2.2 羅丹明熒光探針溶液制備和檢測

將化合物RbEA用乙醇配成1.0×10-4mol/L儲備溶液，測試前用乙醇-Tris（體積比為8∶2，pH=7.4）混合液將上述儲備液稀釋為1.0×10-5mol/L；金屬鹽用去離子水配成1×10-2mol/L溶液。取3 mL樣品液于比色皿中，測定紫外-可見吸收光譜和熒光光譜。

測試條件：室溫，樣品池為1 cm×1 cm×4 cm石英比色皿，熒光光譜以λex=550 nm為激發(fā)波長，掃描560 nm～680 nm波長范圍內(nèi)的熒光發(fā)射光譜，狹縫為1 nm。

1.3 樣品測定

1.3.1 探針對汞離子的比色檢測

為測試探針RbEA對金屬離子的選擇性，首先進行裸眼比色檢測實驗。探針RbEA本體溶液無色，無熒光發(fā)射。當加入Hg2+后，溶液顏色迅速變?yōu)榉奂t色，在365 nm紫外燈照射下，出現(xiàn)較強的紅色熒光。在相同條件下，其它金屬離子如：Mg2+、Ca2+、Fe2+、Fe3+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+，Cd2+、Pb2+、Ag+均無明顯響應。

1.3.2 探針檢測條件

通過對探針在580 nm處熒光強度的時間掃描光譜測試，發(fā)現(xiàn)加入Hg2+后探針溶液熒光強度與反應時間成正比關系，在20 min后熒光強度達到最大值。這表明探針RbEA對Hg2+的選擇性檢測最佳時間為20 min。因此，在吸收和發(fā)射光譜的選擇性和干擾、滴定測試中，一般加入金屬離子20 min后記錄光譜數(shù)據(jù)。

2 結果與討論

2.1 測定結果

2.1.1 紫外-可見光譜法研究結果

為了定量分析探針對相關離子的選擇性，選取可見光區(qū)（450 nm～650 nm）進行了吸收光譜選擇性的測定。實驗結果如圖1所示，空白探針溶液和在加入Mg2+、Ca2+、Fe2+、Fe3+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+、Pb2+、Ag+等離子時，557 nm處的吸收強度均低于0.05，此時探針溶液無明顯顏色變化。當加入Hg2+后，探針RbEA在557 nm處的吸收強度迅速增加到0.4，溶液的顏色由無色變?yōu)榉奂t色，這是由于Hg2+誘導探針螺環(huán)結構打開所致。

圖1 探針RbEA的吸收選擇性和干擾實驗

探針的吸收光譜干擾試驗如圖1插圖所示：當Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+、Pb2+、Ag+離子存在時（黑色柱狀圖），再向混合體系中加入Hg2+（紅色柱狀圖），557 nm處的吸收強度均接近0.4，溶液顏色迅速變?yōu)榉奂t色。該結果表明在其他離子共存條件下，探針RbEA對Hg2+的識別幾乎不產(chǎn)生干擾，探針RbEA可高選擇性的識別Hg2+并具有較強的抗干擾能力。

圖2 探針RbEA的吸收滴定光譜

為了更好研究探針RbEA對不同濃度的Hg2+的響應能力，進行了紫外-可見吸收光譜的汞離子滴定實驗（圖2）。當Hg2+體積為0時，探針螺環(huán)結構未開啟，此時溶液無色、無吸收。隨著加入Hg2+體積的逐漸增大（1 μL～120 μL），在556 nm處的吸收光譜強度逐漸增強，并隨汞離子濃度的改變呈現(xiàn)較好的線性關系，通過擬合得到線性回歸方程y=0.003 56x-0.003 8（線性相關系數(shù)：R=0.997 5）。這表明探針RbEA可用來定量檢測Hg2+的濃度。

2.1.2 熒光光譜法研究結果

探針RbEA的熒光選擇性實驗在550 nm的光源激發(fā)下測定探針溶液熒光光譜的變化。結果如圖3所示，空白探針溶液的波長大于500 nm處無明顯熒光發(fā)射，而當溶液中存在Hg2+時，探針在578 nm處熒光強度迅速增強至370。在相同條件下，除了Fe3+加入后出現(xiàn)了微弱的熒光變化（強度約為30），其它金屬離子均無響應。這些數(shù)據(jù)表明探針RbEA在排除Fe3+產(chǎn)生的熒光干擾后，對Hg2+具有較高的識別能力。

圖3 探針RbEA的熒光選擇性

圖4為熒光探針RbEA隨Hg2+體積逐漸增大熒光發(fā)射光譜的變化。光譜數(shù)據(jù)顯示，隨著Hg2+濃度的逐漸增大，熒光強度在578 nm處不斷增強，溶液顏色也從無色逐漸變?yōu)榉奂t色，裸眼即可方便地定性分辨出溶液中是否含有Hg2+。當過量的Hg2+存在時，RbEA溶液的熒光發(fā)射強度仍有所增加，但其增加趨勢逐漸減弱，表明探針與Hg2+存在著良好的絡合作用。利用578 nm處的光譜滴定數(shù)據(jù)進行Poly?nomial擬合，其線性相關系數(shù)R=0.996，如圖4插圖所示，當Hg2+體積為0～200 μL范圍內(nèi)，與熒光強度具有良好的線性關系。

圖4 探針RbEA的熒光滴定光譜

2.2 熒光探針檢測機理

為了進一步確定Hg2+與探針RbEA之間的配位比，采用等物質(zhì)的量連續(xù)變化法［12］（Job’s plot）進行分析。試驗中將探針RbEA與Hg2+的總濃度保持10-4mol/L不變。從圖5可以看出，隨著Hg2+摩爾分數(shù)的不斷變化，探針RbEA在最大發(fā)射波長處的熒光強度隨之變化。當Hg2+的摩爾分數(shù)為0.5時，探針溶液熒光響應強度最大，表明探針RbEA與Hg2+的絡合比是1∶1。

圖5 探針RbEA和Hg2+的工作曲線測試

根據(jù)探針與汞離子作用的現(xiàn)象，我們推測其識別過程為：在加入Hg2+之前，探針分子為螺內(nèi)酰胺結構，整個分子的平面性較高，此時溶液無色、無熒光。當探針檢測到汞離子后，酰胺的N和O結合位點與Hg2+進行配位，分子的螺內(nèi)酰胺環(huán)打開，光誘導電子轉(zhuǎn)移過程受阻，溶液顏色由無色變?yōu)榉奂t，同時產(chǎn)生明顯的熒光變化。

圖6 探針RbEA與Hg2+可能的配位機理

3 結論

本文基于金屬離子誘導羅丹明螺內(nèi)酰胺開環(huán)反應特性，合成了羅丹明酰乙二胺類熒光探針分子RbEA，并利用核磁共振氫譜和紅外光譜對其結構進行表征。在乙醇-Tris（V∶V=8∶2，pH=7.4）溶液中，探針RbEA與汞離子配位后紫外-可見吸收光譜和熒光發(fā)射光譜發(fā)生明顯變化，溶液顏色由無色變?yōu)榉奂t并伴隨著紅色熒光發(fā)射。通過等物質(zhì)的量連續(xù)變化法實驗測試，當Hg2+摩爾分數(shù)為0.5時熒光出現(xiàn)最大值，說明RbEA-Hg2+的絡合比為1∶1。該探針能快速、高效地比色和熒光識別Hg2+，在土壤和水體中的汞離子檢測具有一定的價值。

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楊 楊（1981-），男，內(nèi)蒙古民族大學化學化工學院講師。2013年在中國科學院長春光學精密機械與物理研究所發(fā)光學及應用國家重點實驗室獲博士學位，主要從事有機熒光染料和熒光探針的設計合成，yangyang-000@163.com；

劉景林（1969-），男，內(nèi)蒙古民族大學化學化工學院教授，2006年畢業(yè)于吉林大學獲博士學位，研究方向為天然產(chǎn)物化學及有機合成方法學，jlliu2000@126.com。

Synthesis of Rhodamine-Ethylenediamine Fluorescent Probe for Hg2+Ions*

YANG Yang*，GAO Chaoying，ZHENG Qiuying，ZHANG Li，CHEN Jing，LIU Jinglin
（College of chemistry and chemical Engineering，Inner Mongolia University for the Nationalities，Tongliao Neimenggu 028000，China）

Based on the metal ion induced rhodamnine spirolactam ring opening mechanism，the rhodamine fluores?cent probe RbEA have been synthesized by the condensation reaction of rhodamine B and Ethylenediamine.The recognition properties of RbEA with metal ions had been investigated in EtOH-Tris solution by fluorescence and UV-vis spectrophotometry.The results showed that the probe RbEA exhibits highly selectivity to Hg2+with colori?metric and fluorogenic responses.There was a good linear relationship between the absorbance and fluorescence in?tensity of RbEA and the concentration of Hg2+.The job’s analysis indicated a 1∶1 ligand-Hg2+complex was formed.

fluorescent probes；Hg2+recognition；colorimetric response；fluorescent response

O657.3

A

1004-1699(2015)10-1438-04

??7230L

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.10.003

項目來源：國家自然科學基金項目（21362020）；內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學基金項目（2014BS0205）；內(nèi)蒙古民族大學科學研究基金項目（NMD1311，NMDGP1403）；內(nèi)蒙古民族大學博士科研啟動基金（BS311）

2015-04-03 修改日期：2015-08-07