熒光探針檢測(cè)水中F-研究

劉倩，白星星

（商洛學(xué)院化學(xué)工程與現(xiàn)代材料學(xué)院/陜西省尾礦資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西商洛 726000）

氟化物可以用于牙齒保健、治愈骨質(zhì)疏松癥以及制備化學(xué)試劑，因此它在生物、醫(yī)學(xué)和化學(xué)進(jìn)程中發(fā)揮著重要作用。但是人體氟過(guò)量會(huì)導(dǎo)致氟中毒，輕者造成氟斑牙，重者引起氟骨癥，甚至完全喪失勞動(dòng)和生活自理能力。且氟中毒一旦患上即永遠(yuǎn)成疾[1-3]。因此，近年來(lái)，氟離子的檢測(cè)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。熒光分析法因其具有操作簡(jiǎn)便、選擇性好、靈敏度高、取樣量少、線性范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，在藥物分析、DNA排序、食品的微量和痕量分析以及生物科學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[4-6]。近年來(lái)，人們嘗試將熒光探針應(yīng)用于藥物分析、臨床診斷、遺傳分析、細(xì)胞檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面，并取得了顯著成果。目前，用于檢測(cè)氟離子的熒光探針已有大量文獻(xiàn)進(jìn)行報(bào)道，主要基于以下幾種反應(yīng)機(jī)理：斷裂Si-O鍵；斷裂Si-C鍵；基于氟離子誘導(dǎo)Si-O鍵斷裂合環(huán)反應(yīng)；與有機(jī)硼化合物相互作用等[7-9]。基于氟離子對(duì)硅具有很強(qiáng)的親和力，誘導(dǎo)硅醚鍵斷裂的原理。本文設(shè)計(jì)、合成一種新型F-熒光探針1-(2-叔丁基二甲基氯化硅烷基-4-吡咯基)-苯乙烯基丙二腈（PB-1），利用叔丁基二甲基氯化硅化合物對(duì)化合物的羥基進(jìn)行保護(hù)，從而抑制激發(fā)態(tài)分子內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移（ESIPT）過(guò)程。而加入氟離子后，氟離子選擇性地切割探針中的叔丁基二甲基硅基，釋放出羥基，ESIPT過(guò)程恢復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氟離子的檢測(cè)。本文還考查了該熒光探針對(duì)F-的識(shí)別能力，包括反應(yīng)時(shí)間、靈敏度、選擇性及pH的影響。并討論它對(duì)水中F-檢測(cè)的可能性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑和儀器

間氯苯酚、三氯氧磷、二甲基甲酰胺、氯仿、吡咯烷、二甲基亞砜、碳酸鉀、三乙胺、叔丁基二甲基氯硅烷、丙二腈、哌啶、二氯甲烷、無(wú)水乙醇、氫氧化鉀、硝酸。

紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)、F4600熒光分光光度計(jì)、磁力攪拌器、電子分析天平、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀、電子分析天平。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

熒光探針1-(2-叔丁基二甲基氯化硅烷基-4-吡咯基)-苯乙烯基丙二腈，簡(jiǎn)稱(chēng)PB-1，結(jié)構(gòu)如圖1所示。探針PB-1中的羥基被叔丁基二甲基氯硅烷保護(hù)后，激發(fā)態(tài)分子內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移（ESIPT）過(guò)程被抑制，熒光很弱，而加入F-后可以選擇性的斷裂硅醚鍵，生成的氧負(fù)離子與鄰位的α，β-不飽和腈分子發(fā)生分子內(nèi)的1，2-親核加成反應(yīng)，生成異香豆素類(lèi)化合物，使ESIPT過(guò)程恢復(fù)，熒光增強(qiáng)，如圖2所示。

圖1 PB-1的分子結(jié)構(gòu)式

1.3 PB-1合成路線

PB-1的合成路線如圖3所示。

圖2 PB-1與F-反應(yīng)的原理圖

圖3 熒光探針PB-1的合成路線

1.4 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)條件

稱(chēng)取適量的探針PB-1進(jìn)行真空干燥后溶于乙腈溶液中，定容至100 mL，配制成測(cè)試所需要的合適濃度。各種常見(jiàn)物質(zhì)（Br-，I-，NO2-，NO3-，CO32-，ClO4-，Cl-，SO42-，H2PO4-，SCN-，Cys，AcO-，GSH，Hcy，F(xiàn)-）配制成測(cè)試所需濃度的水溶液。測(cè)試體系：乙腈-HEPES 緩沖液，20 mol·mL-1，pH=7.4，v/v=4：1。熒光分光光度計(jì)參數(shù)如下：λex=445 nm，Em的狹縫寬度為5.0 nm，激發(fā)電壓為700 v。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫外、熒光光譜分析

2.1.1 紫外可見(jiàn)吸收光譜

實(shí)驗(yàn)分別測(cè)試了熒光探針PB-1（10 μmol·L-1）及PB-1與F-（v/v=1：1，10 μmol·L-1）反應(yīng)40min后的紫外-可見(jiàn)吸收光譜圖，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，PB-1在435 nm處有一個(gè)寬的收峰處，當(dāng)它與同體積同濃度的F-反應(yīng)40 min后，最大吸收峰紅移至445 nm處，且吸光度減弱。表明F-誘導(dǎo)探針PB-1中的硅醚鍵斷裂，發(fā)生了羥基脫保護(hù)反應(yīng)，生成的氧負(fù)離子與鄰位的α，β-不飽和腈分子發(fā)生分子內(nèi)的1，2-親核加成反應(yīng)，生成了亞胺陰離子中間產(chǎn)物，該中間產(chǎn)物又迅速?gòu)娜芤褐械玫劫|(zhì)子而形成了新的物質(zhì)，此現(xiàn)象與原理所述一致。

圖4 紫外-可見(jiàn)吸收光譜圖

2.1.2 熒光發(fā)射光譜

1）熒光光譜與時(shí)間的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)考察了時(shí)間與熒光強(qiáng)度的關(guān)系，將熒光探針PB-1與F-（v/v=1：1，10 μmol·L-1）混合，每隔10 min測(cè)試熒光強(qiáng)度，一直測(cè)到反應(yīng)后1 h，熒光強(qiáng)度隨時(shí)間變化的曲線如圖5、圖6所示。

圖5 熒光發(fā)射光譜隨時(shí)間的變化

圖6 熒光強(qiáng)度在最大發(fā)射波長(zhǎng)處（488 nm）隨時(shí)間的變化

由圖5和圖6可以看出，熒光探針PB-1與F-反應(yīng)后生成的化合物在488 nm處吸收強(qiáng)度達(dá)到最大，PB-1與F-反應(yīng)時(shí)間在20 min內(nèi)，熒光強(qiáng)度增加較迅速，20～40 min增加較緩慢，40 min后熒光強(qiáng)度不再增加，趨于穩(wěn)定。即反應(yīng)達(dá)到飽和的時(shí)間為40 min。

2）熒光光譜與濃度的關(guān)系

將熒光探針 PB-1（10 μmol·L-1）與不同濃度（0、3、6、9、12、15、18、21、24、27、30、33、36、39 μmol·L-1）的 F-反應(yīng) 40 min，熒光強(qiáng)度的變化如圖7所示。由圖7可以看出，F(xiàn)-的濃度為0時(shí)，熒光強(qiáng)度很弱，隨著F-的濃度不斷增大，在488 nm處出現(xiàn)最大發(fā)射峰且熒光強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，當(dāng) F-的濃度達(dá)到 27μmol·L-1時(shí)，即探針 PB-1的 2.7倍時(shí)，熒光強(qiáng)度達(dá)到飽和，不在隨著F-濃度的增大而增加，最大增強(qiáng)為熒光探針PB-1的108倍。在紫外燈的照射下，探針呈現(xiàn)出較強(qiáng)的黃綠色熒光。

圖7 熒光強(qiáng)度隨F-濃度增加的變化

由圖 8 可知，當(dāng) F-的濃度為 0～24 μmol·L-1，熒光探針PB-1濃度為10 μmol·L－1時(shí)，熒光強(qiáng)度與F-的濃度有較好的線性關(guān)系。線性方程為y=266.8x+71.588，其擬合常數(shù)R為0.9988。F-的檢測(cè)下限達(dá)到10 μmol·L－1，顯示了較高的檢測(cè)靈敏度。

圖8 熒光強(qiáng)度與F-濃度的線性關(guān)系

2.2 其他離子干擾測(cè)試分析

將熒光探針 PB-1（10 μmol·L-1）分別與20 倍的 Br-，I-，NO2-，NO3-，CO32-，ClO4-，Cl-，SO42-，H2PO4-，SCN-，Cys，AcO-，GSH，Hcy 反應(yīng)40 min后的熒光強(qiáng)度如圖9所示。可以看出，只有加入F-，熒光強(qiáng)度才會(huì)顯著增加，是未加物質(zhì)空白溶液的108倍。而加入其它陰離子及巰基化合物后，熒光強(qiáng)度并未增加或增加很小（可忽略），說(shuō)明熒光探針PB-1對(duì)F-有較好的選擇性。

為了進(jìn)一步探討該方法測(cè)定F-的可行性，實(shí)驗(yàn)考察了共存物質(zhì)對(duì)F-測(cè)定的影響，如圖10所示，加入濃度為PB-1 200倍的共存物質(zhì)對(duì)2.7倍的F-幾乎沒(méi)有干擾。這表明F-仍能選擇性的脫去PB-1中的叔丁基二甲基硅基官能團(tuán)，探針PB-1可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜樣品中F-的檢測(cè)。

圖9 加入不同陰離子及巰基化合物后熒光強(qiáng)度的變化

圖10 干擾物質(zhì)與F-共存時(shí)對(duì)PB-1的發(fā)射光譜的影響

2.3 pH值的影響

實(shí)驗(yàn)考察了加入F-前后，pH對(duì)PB-1熒光強(qiáng)度的影響，利用KOH和HNO3將溶液調(diào)制成pH=4，5，6，7，8，9 的測(cè)試體系，將探針 PB-1 配置成濃度為 1×10-5mol·L－1的溶液并測(cè)試其熒光強(qiáng)度，且分別往里面加入相同體積相同濃度的F-，反應(yīng)40 min后，測(cè)試其熒光強(qiáng)度，如圖11所示。

圖11 加入F-前后不同pH條件下的熒光強(qiáng)度

由圖11可以看出，pH在4.0～9.0，探針PB-1熒光強(qiáng)度保持不變，說(shuō)明探針PB-1可以在較寬的pH值范圍內(nèi)穩(wěn)定存在，而加入F-后，熒光強(qiáng)度都會(huì)增加，表明PB-1可以在較寬的pH值范圍內(nèi)檢測(cè)F-。但在pH為4、5時(shí)，熒光強(qiáng)度增加比較小，在 pH 為 6、7、8、9 時(shí)，熒光強(qiáng)度增加比較大，尤其在pH為7時(shí)，熒光強(qiáng)度增加最為顯著。因此，pH為7作為最佳測(cè)試條件。

3 結(jié)論

本文基于氟離子對(duì)硅具有很強(qiáng)的親和力，可以誘導(dǎo)硅醚鍵斷裂的原理。設(shè)計(jì)并合成一種新型的F-熒光探針PB-1，實(shí)驗(yàn)對(duì)其光譜性質(zhì)、選擇性、pH等進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)加入F-后，光譜性質(zhì)變化明顯，紫外可見(jiàn)吸收波長(zhǎng)由435 nm紅移到445 nm；并且熒光光譜在波長(zhǎng)為488 nm處強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，最大增強(qiáng)為108倍。通過(guò)對(duì)pH和選擇性的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)它可以在不受其它離子干擾的情況下，在一個(gè)較寬的pH范圍內(nèi)檢測(cè)F-。且測(cè)試體系中有機(jī)溶劑的含量?jī)H為5%，因此，PB-1可用于水中F-的檢測(cè)。

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