基于β-咔啉希夫堿的Al3+熒光探針的合成及其性能研究

韓雅蓮，但飛君，劉璐璐，曾 敏，陳 玲，蘭海闖

(三峽大學 生物與制藥學院，湖北 宜昌 443002)

基于β-咔啉希夫堿的Al3+熒光探針的合成及其性能研究

韓雅蓮，但飛君*，劉璐璐，曾 敏，陳 玲，蘭海闖

(三峽大學 生物與制藥學院，湖北 宜昌 443002)

以L-色氨酸甲酯鹽酸鹽和2-喹啉甲醛為原料，通過多步反應合成3-{N′-(2-羥基苯亞甲基)甲酰肼基}-1-(喹啉-2-基)-9H-β-咔啉(QCS)，并通過1H NMR、13C NMR、ESI-MS對其結構進行了表征。探針QCS對Al3+有特異性響應，可在9～100 μmol/L范圍定量檢測Al3+，相關系數r2=0.999 1，檢出限為4.40×10-9mol/L。在乙醇-水(體積比9∶1)的混合體系中，探針與Al3+的絡合比為1∶1，絡合常數Ka=(2.91±0.22)×103(mol/L)-1，且該探針與Al3+絡合后的熒光強度在pH 5.0～8.0范圍保持穩定，滿足環境水樣及生命體系的檢測條件要求。

β-咔啉；喹啉；希夫堿；Al3+探針

鋁是地殼中含量最多的金屬元素，被廣泛應用于建筑材料、電氣傳輸、水凈化和食品添加劑等領域[1]。但過量的鋁會使植物枯萎甚至死亡，人體內鋁積累過多時，易引起神經病癥[2]。據世界衛生組織報道，人體內鋁的日均攝入量為3～10 mg[3]。我國環境保護局標準規定飲用水中的Al3+濃度不高于0.05 mg/L[4]，因此Al3+的檢測至關重要。迄今報道的Al3+的檢測方法包括電感耦合等離子體法、原子吸收法、離子質譜法等，熒光分析法因具有操作簡便、靈敏性高、檢出限低等優點，得到了廣泛的應用[5]。由于Al3+水合作用強導致其絡合能力弱，設計在水介質中高選擇性和靈敏性的Al3+熒光探針成為科學家研究的熱點與難點[6]。

希夫堿化合物含有N原子，可與金屬離子形成配位鍵，是良好的配體[7]，在熒光探針的構建中有著廣泛應用[8]。近年來，Al3+熒光探針[9-10]多有報道。但以β-咔啉為熒光基團的Al3+熒光探針較少。β-咔啉具有吡啶并吲哚環的平面結構，是良好的發光體，可用于熒光材料的構建[11]?；诖耍菊n題組設計并合成了以β-咔啉為熒光基團，水楊酰腙為識別基團和連接體的熒光探針QCS，并對其進行了光譜性能分析和研究。結果表明QCS能夠在乙醇-水(體積比9∶1)的混合體系中對Al3+進行定性和定量檢測。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

400 MHz核磁共振波譜儀(TMS為內標，溶劑CDCl3，瑞士Bruker公司)，ESI-MS質譜儀(德國Bruker公司)，F-4600熒光光譜儀(日本Hitachi公司)，UV-2600紫外-可見分光光度儀(日本Shimadzu公司)，PHS-3C酸度計(上海雷磁儀器廠)，WRS-1A型熔點儀(上海索光光電技術有限公司)。光譜測試中使用二次蒸餾水，14種金屬硝酸鹽固體[Al(NO3)3·9H2O、Ca(NO3)2·4H2O、Cr(NO3)3·9H2O、Mn(NO3)2、Fe(NO3)3·9H2O、Co(NO3)2·6H2O、Ni(NO3)2·6H2O、Cu(NO3)2·3H2O、Zn(NO3)2·6H2O、AgNO3、Cd(NO3)2·4H2O、Ba(NO3)2、Hg(NO3)2、Pb(NO3)2]，其他試劑和原料均為分析純(國藥集團化學試劑有限公司)。

1.2 合成路線

1.2.13-甲酸甲酯-1-(喹啉-2-基)-9H-β-咔啉(化合物3)的合成參考文獻[12]以L-色氨酸甲酯鹽酸鹽(化合物1)和2-喹啉甲醛(化合物2)為原料合成3-甲酸甲酯-1-(喹啉-2-基)-9H-β-咔啉，產率：35.69%。m.p.：220.8～222.2 ℃。ESI-MS(m/z):354.1767[M+H]+。1H NMR(400 MHz,CDCl3)∶δ11.92(s,1H),9.02(d,J=8.7 Hz,1H),8.95(s,1H),8.36(d,J=8.7 Hz,1H),8.29(d,J=8.4 Hz,1H),8.24(d,J= 7.9 Hz,1H),7.91(d,J=8.1 Hz,1H),7.86～7.77(m,1H),7.73(d,J=8.2 Hz,1H),7.69～7.55(m,2H),7.39(t,J=7.5 Hz,1H),4.11(s,3H)。

1.2.23-甲酰肼-1-(喹啉-2-基)-9H-β-咔啉(化合物4)的合成向250 mL燒瓶中，加入3.53 g(10 mmol) 3-甲酸甲酯-1-(喹啉-2-基)-9H-β-咔啉、50 mL乙醇和100 mL甘油，攪拌1 h；加入10.00 g(200 mmol)水合肼，回流4 h；冷卻，抽濾，再用30 mL乙醇洗滌3次，真空干燥，得固體3.32 g，收率：94.05%。m.p.:263.9～261.9 ℃。ESI-MS(m/z):354.1834[M+H]+。1H NMR(400 MHz,DMSO):δ12.32(s,1H),10.24(s,1H),9.39(d,J=8.7 Hz,1H),9.00(s,1H),8.79(d,J=8.4 Hz,1H),8.60(d,J=8.8 Hz,1H),8.50(d,J=7.8 Hz,1H),8.12 ～ 8.06(m,2H),7.94～7.90(m,1H),7.73～ 7.67(m,2H),7.38(t,J=7.4 Hz,1H),4.68(s,2H)。

1.2.33-{N′-(2-羥基苯亞甲基)甲酰肼基}-1-(喹啉-2-基)-9H-β-咔啉(QCS)的合成合成路線如圖1所示。向100 mL燒瓶中加入0.353 0 g(1 mmol) 3-甲酰肼-1-(喹啉-2-基)-9H-β-咔啉、0.122 0 g(1 mmol)水楊醛，15 mL乙醇和30 mL甘油，回流3 h，TLC跟蹤反應完全，冷卻，抽濾，再用10 mL乙醇洗滌，真空干燥，得QCS 0.389 1 g，收率：85.14%。m.p.>300 ℃。ESI-MS(m/z):458.174 6[M+H]+。1H NMR(400 MHz,DMSO):δ12.42(s,1H),12.31(s,1H),11.55(s,1H),9.39(d,J=8.7 Hz,1H),9.14(s,1H),9.04(s,1H),8.81(d,J=8.4 Hz,1H),8.67(d,J=8.7 Hz,1H),8.53(d,J=7.8 Hz,1H),8.14 ～ 8.08(m,2H),7.93(t,J=7.2 Hz,1H),7.74 ～ 7.69(m,2H),7.61(d,J=6.9 Hz,1H),7.42 ～ 7.33(m,2H),6.98(t,J=7.8 Hz,2H)。

1.3 熒光光譜測定方法

稱取0.002 4 g化合物QCS，溶于10 mL DMF中配制成1.0×10-3mol/L的儲備液，放置備用。測試均在乙醇-水(9∶1)混合液中進行，金屬硝酸鹽的濃度為1.0×10-2mol/L，所有測試重復3次。在一定量的乙醇-水(9∶1)混合溶液中加入鹽酸或氫氧化鈉調節pH值，配制pH 2.02、2.97、3.55、4.70、5.70、6.22、7.21、8.46、9.48、10.38、11.04、12.06、13.10的系列緩沖溶液。熒光參數λem為375 nm，Ex、Em的狹縫寬度均為5 nm，電壓為500 V。

圖1 QCS的合成路線Fig.1 Synthesis routes of QCS

2 結果與討論

2.1 探針QCS對金屬離子的識別

在乙醇-水(9∶1)混合溶液中，分別測定空白試樣和探針QCS識別14種金屬離子(Al3+、Ca2+、Cr3+、Mn2+、Fe3+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Ag+、Cd2+、Ba2+、Hg2+、Pb2+)的熒光發射光譜，如圖2A所示。同時，為了進一步考察探針QCS的選擇性，進行了抗干擾測試，結果如圖2B所示。

由圖2B可見，當Al3+與其他金屬離子共存時，除Cu2和Zn2+使體系發生熒光猝滅外，其他金屬離子基本不會干擾探針QCS對Al3+的響應。推測Cu2+和Zn2+對其的干擾可能是Cu2+、Zn2+與QCS的絡合能力比Al3+強。飲用水、自來水、鋁廠廢水等實際樣品中一般不含Cu2+或Zn2+，故Cu2+和Zn2+對Al3+的檢測無影響。實驗結果表明探針QCS能夠特異性識別Al3+。

2.2 不同濃度的Al3+對探針QCS熒光強度的影響

在混合液中，考察了不同濃度的Al3+(0～100 μmol/L)對探針QCS(10 μmol/L)熒光光譜的影響。結果顯示，隨著Al3+濃度的增加，在425 nm處的熒光強度不斷增強并紅移至490 nm處，且當Al3+過量時熒光強度仍有增強趨勢，表明探針QCS與Al3+有良好的絡合作用。在9～100 μmol/L濃度范圍內，Al3+濃度(x)與相應的熒光強度(y)呈良好的線性關系，線性回歸方程為y=-133.428 78+17.035 83x(r2=0.999 1)。表明在9～100 μmol/L濃度范圍內，探針QCS可實現對Al3+的定量檢測。依據公式LOD=3SD/b[14]計算得檢出限為4.40×10-9mol/L，低于我國環境保護局標準規定飲用水中可存在Al3+的最高濃度，可用于監測飲用水的水質。

2.3 探針QCS對Al3+的響應測試

為了研究探針QCS的適用性，考察了pH值和時間對探針QCS識別Al3+的影響。熒光光譜結果顯示，探針在一系列pH值緩沖溶液中未顯示出明顯的熒光發射。加入Al3+后，在pH 5.0～8.0條件下探針QCS結合Al3+后熒光強度保持穩定，但在堿性條件下，QCS-Al3+絡合物的熒光強度隨著pH值的增加而降低，推測是由于強堿影響了Al3+與探針QCS的絡合[15]。該結果表明探針QCS能夠滿足環境水樣及生命體系的檢測條件。

圖3 探針QCS對Al3+的可逆熒光響應譜圖(λex=375 nm)Fig.3 Reversible fluorescence response of QCS to Al3+(λex=375 nm)

QCS-Al3+絡合物的熒光強度隨著絡合時間的增加而增強，500 s后熒光增強的速率趨于穩定，可認為探針QCS與Al3+的相互作用基本完成。表明探針QCS對Al3+的識別響應迅速。

2.4 探針QCS對Al3+的可逆性熒光響應

對靶向離子的可逆性檢測是熒光探針的重要性質。向含有QCS和Al3+的混合液中加入EDTA后，490 nm處的熒光強度降低到未加入Al3+時的熒光強度，表明游離QCS可再生。再加入20 μL濃度為10-2mol/L的Al3+后，熒光再次恢復，如圖3所示。因此，通過使用適量的絡合劑EDTA可以證實探針QCS的可逆性，實現熒光探針的“off-on-off”功能[16]。

2.5探針QCS與Al3+的絡合比與絡合常數

依據熒光定量滴定數據，通過Benesi-Hildebrand方程[18]，以1/[Al3+]為橫坐標(x)，1/(F-F0)為縱坐標(y)，線性擬合后得方程：y=-2.454 71×10-4+8.436 75×10-8x(r2=0.998 15)，擬合后呈一條直線，進一步表明探針QCS與Al3+的絡合比為1∶1，絡合常數Ka=(2.91±0.22)×103(mol/L)-1。

2.6 機理的探究

3 結 論

本文設計并合成了一種新型探針QCS，其乙醇-水(9∶1)混合液中加入Al3+后可觀察到熒光紅移且強度增強580倍，該探針可以定性、定量檢測Al3+且基本不受其他金屬離子的干擾，檢出限為4.40×10-9mol/L。探針QCS與Al3+的絡合比為1∶1。同時探針QCS對Al3+的響應是可逆的，可以通過使用合適的絡合劑如EDTA再循環，實現熒光探針的“off-on-off”功能。

圖4 探針QCS識別Al3+的可能機理Fig.4 The possible recognition mechanism of QCS for Al3+

[1] Li C Y,Zhou Y,Li Y F,Zou C X,Kong X F.Sens.ActuatorsB,2013,186:360-366.

[2] Sen B,Sheet S K,Thounaojam R,Jamatia R,Pal A K,Aguan K,Khatua S.Spectrochim.ActaPartA,2017,173:537-543.

[3] Gan X P,Li W,Li C X,Wu Z C,Liu D,Huang B,Zhou H P,Tian Y P.Sens.ActuatorsB,2017,239:642-651.

[4] Wang L,Qin W W,Tang X L,Dou W,Liu W S,Teng Q F,Yao X J.Org.Biomol.Chem.,2010,8(16):3751-3757.

[5] Ma T,Zhang J,Liu L Z,He Y,Zhang Z T.Chin.J.Org.Chem.(馬拓，張瑾，劉龍珠，賀云，張尊聽.有機化學),2014,34:1780-1785.

[6] Qin J C,Yang Z Y.J.Photochem.Photobiol.A,2015,303:99-104.

[7] Wang R,Jiang G Q,Li X H.Inorg.Chim.Acta,2017,455:247-253.

[8] Shi X Y,Wang H,Han T Y,Feng X,Tong B,Shi J B,Zhi J G,Dong Y P.J.Mater.Chem.,2012,22(36):19296-19302.

[9] Hossain S M,Singh K,Lakma A,Pradhan R N,Sing A K.Sens.ActuatorsB,2017,239:1109-1117.

[10] Sheet S K,Sen B,Thounaojam R,Aguan K,Khatua S.J.Photochem.Photobiol.A,2017,332:101-111.

[11] Laine A E,Lood C,Koskinen A M P.Molecules,2014,19(2):1544-1567.

[12] Ramesh S,Nagarajan R.J.Org.Chem.,2013,78(2):545-558.

[13] Liu T Q,Wan X J,Dong Y S,Li W B,Wu L S,Pei H,Yao Y W.Spectrochim.ActaPartA,2017,173:625-629.

[14] Manivannan P,Satheshkumar A,Elango K P.TetrahedronLett.,2014,55(45):6281-6285.

[15] Wen X Y,Fan Z F.Anal.Chim.Acta,2016,945:75-84.

[16] Hossain S M,Singh K,Lakma A,Pradhan R N,Singh A K.Sens.ActuatorsB,2017,239:1109-1117.

[17] Li Z Y,Yan J B,Yin Y,Xu D F,Sun X Q.J.Instrum.Anal.(李正義，嚴金貝，殷樂，徐德峰，孫小強.分析測試學報)，2016,35(10):1306-1310.

[18] Jo T G,Bok K H,Han J,Lim M H，Kim C.DyesPigments,2017,139:136-147.

[19] Ponnuvel K,Kumar M,Padmini V.Sens.ActuatorsB,2016,227:242-247.

[20] Dong Z M,Wang W,Qin L Y,Feng J,Wang J N,Wang Y.J.Photochem.Photobiol.A,2017,335:1-9.

[21] Liu H Y,Dong Y S,Zhang B B,Liu F,Tan C Y,Tan Y,Jiang Y Y.Sens.ActuatorsB,2016,24:616-624.

Synthesis and Properties of Al3+Fluorescence Probe Based on β-Carboline and Schiff Base

HAN Ya-lian,DAN Fei-jun*,LIU Lu-lu,ZENG Min,CHEN Ling,LAN Hai-chuang

(College of Biology and Pharmacy,China Three Gorges University,Yichang 443002，China)

(2-Hydroxybenzylidene)-1-(quinolin-2-yl) -9H-pyrido[3,4-b] indole-3-carbohydrazide(QCS) was synthesized by a series of reactions withL-tryptophan methyl ester hydrochloride and 2-quinolinecarboxaldehyde as raw material. The structure of QCS was characterized by1H NMR,13C NMR and ESI-MS. The probe QCS has a specific response to Al3+,and the limit of detection was 4.40×10-9mol/L. QCS showed a good linearity in the concentration range of 9-100 μmol/L with a correlation coefficient(r2) of 0.999 1. In a mixed system of ethanol-water(9∶1,by volume),the binding ratio of QCS and Al3+was 1∶1,and the complexing constant was proved to be(2.91±0.22)×103(mol/L)-1in the fluorescence titration spectra. Furthermore,the fluorescent intensity of QCS-Al3+maintained stable in the pH 5.0-8.0,which satisfied the requirements for detection on environmental water samples and living cells.

β-carboline;quinolone;schiff base;Al3+fluorescent probe

2017-05-06；

2017-08-01

湖北省教育廳科學技術研究計劃優秀中青年人才項目(Z2017044)

*

但飛君，博士，副教授，研究方向：有機合成與熒光分析，Tel:13477122150,E-mail:13477122150@163.com

10.3969/j.issn.1004-4957.2017.11.016

O433.4

A

1004-4957(2017)11-1387-05