四苯乙烯-苯并咪唑熒光探針的合成及對Fe3+的檢測

高超穎，楊 楊，王曦燁，劉景林，許 良

苯并咪唑是一類含氮的雜環化合物，廣泛存在于天然產物和藥物分子中，如咖啡因、茶堿、可可堿、黃嘌呤等分子中就含有咪唑單元［1］。苯并咪唑分子中的氮原子含有的孤對電子可與金屬離子發生配位，另外其N—H鍵可與某些陰離子形成氫鍵作用，導致光譜出現顯著變化。因此，該類化合物可設計成具有特定識別能力的熒光探針分子，應用于離子識別和細胞成像領域［2］。目前，苯并咪唑類熒光探針已經實現了對 Fe2+、Zn2+、Cu2+、Cr3+、Hg2+、Pb2+、ClO-、鹵素和硫醇分子的識別和檢測［3-6］。

本工作在前期苯并咪唑探針和聚集誘導發光（AIE）材料研究的基礎上［7-9］，將具有AIE效應的四苯乙烯基團與苯并咪唑結合，合成了四苯乙烯-苯并咪唑分子TPE-BZ，考察了TPE-BZ的AIE性質及其對離子的選擇性，進行了探針抗干擾實驗，并研究了Fe3+對探針TPE-BZ熒光滴定的影響。

1 實驗部分

1.1 主要試劑與儀器

四苯乙烯、烏洛托品、三氟乙酸、鄰苯二胺：AR，國藥集團化學試劑有限公司；無水乙醇、二氯甲烷、七水硫酸亞鐵、六水氯化鉻、金屬硝酸鹽水合物：AR，天津大茂化學試劑公司。

JASCO FP-6500型熒光分光光度計：日本分光株式會社；Nicolete-5700 型傅里葉變換紅外光譜儀：美國熱電尼高力儀器公司；Thermo Q Exactive Focus型高分辨質譜儀：美國賽默飛世爾科技有限公司；Bruker Avance-500M 型核磁共振光譜儀：德國布魯克分析儀器公司。

1.2 TPE-BZ的合成

四苯乙烯-醛按照Dulf法合成［10］。將四苯乙烯甲醛（0.155 3 g，0.5 mmol）和鄰苯二胺（0.054 1 g，0.5 mmol）溶解于30 mL無水乙醇中，在85 ℃恒溫下加熱回流10 h，反應完畢冷卻，將反應液傾倒于飽和食鹽水中，CH2Cl2萃取、濃縮、柱層析（石油醚/乙酸乙酯體積比10∶1）分離得白色粉末。

1.3 溶液的配制

稱取TPE-BZ固體0.004 5 g，用無水乙醇配制成1.0×10-4mol/L的TPE-BZ儲備液。移取10 mL儲備液于100 mL容量瓶中，依次加入10 mL無水乙醇和80 mL蒸餾水搖勻后，用20%（φ）的乙醇定容，得1.0×10-5mol/L的TPE-BZ探針溶液。準確配制Fe2+，Fe3+，Cr3+，Co2+，Cu2+，Zn2+，Ni2+，Hg2+，Cd2+，Pb2+，Ag+等離子儲備液1.0×10-2mol/L。

2 結果與討論

2.1 TPE-BZ的AIE性質

TPE-BZ粉末的激發和發射光譜見圖1。由圖1可知，TPE-BZ在粉末狀態時具有較強的藍色熒光發射，在390 nm波長的光源激發下，粉末在457 nm處出現了熒光發射峰值。當對粉末進行研磨后，顏色從藍色變為藍綠色，光譜發生紅移［11］。將具有AIE特性的四苯乙烯基團引入苯并咪唑后，TPE-BZ在粉末的狀態也出現了AIE發光的特性。

圖1 TPE-BZ粉末的激發和發射光譜Fig.1 Emission and excitation spectra of TPE-BZ in powder state.

為了配制最佳AIE熒光發射的探針溶液，對不同含水量的溶液進行了熒光測試。結果見圖2。從圖2可知，當含水量大于50%（φ）時，最大發射波長從410 nm逐漸紅移至478 nm處，熒光強度隨含水量進一步增加呈現先上升后下降的趨勢，當含水量為80%（φ）時熒光強度出現最大值。這可能是由于在較大含水量溶劑中TPE-BZ分子相互團聚程度變大，導致熒光逐漸下降。因此，當按照水/乙醇體積比4∶1配制探針溶液時，熒光響應更加顯著。

圖2 TPE-BZ在不同含水量溶液中的熒光發射光譜Fig.2 Emission spectra of TPE-BZ in EtOH/water mixtures with different water content.

2.2 TPE-BZ對離子的選擇性

為了確定TPE-BZ對不同離子的熒光的響應特性，分別選取 Fe2+，Fe3+，Cr3+，Co2+，Ni2+，Cu2+，Zn2+，Cd2+，Hg2+，Pb2+，Ag+等離子進行選擇性測試。分別在含水量為80%（φ）的探針溶液中加入10倍量的上述金屬離子，熒光發射強度變化見圖3所示。從圖3可看出，空白探針溶液在474 nm和505 nm處熒光發射強度達900左右，當加入Fe3+離子后，探針在474 nm和505 nm處的熒光發射強度降低為初始值的1/8。加入Hg2+時在相同波長處熒光強度下降至初始值的1/2。加入Ag+時，熒光出現一定的增強。在相同條件下加入Co2+，Zn2+，Ni2+，Cd2+，Pb2+后探針溶液熒光強度變化不太明顯；Cu2+，Fe2+，Cr3+加入導致探針溶液熒光強度稍有下降，但TPE-BZ對Fe3+，Hg2+的熒光猝滅識別能力較強。

圖3 探針對金屬離子的熒光選擇性Fig.3 The fluorescence changes of TPE-BZ with different metal ions.

2.3 探針抗干擾實驗

為了進一步檢驗探針在復雜水樣中對Fe3+的識別能力，對TPE-BZ進行了干擾性實驗。在等體積的探針試液中，分別加入10倍量的干擾離子Cu2+，Fe2+，Cr3+，Co2+，Ag+，Zn2+，Ni2+，Hg2+，Cd2+，Pb2+，待溶液混合均勻后，再向探針溶液中逐一加入10倍量的 Fe3+溶液，進行熒光發射光譜測定，結果如圖4所示。從圖4可看出，干擾離子Cu2+，Fe2+，Cr3+，Co2+，Ag+，Zn2+，Ni2+，Hg2+，Cd2+，Pb2+存在時，探針500 nm處的熒光發射強度幾乎沒有明顯影響，但當Fe3+加入到干擾溶液后，探針的熒光強度受到顯著的影響，熒光發射強度均出現不同程度的下降。由此可看出TPE-BZ可在復雜水體中識別出Fe3+，探針對Fe3+有較強的抗干擾能力。

2.4 Fe3+對探針TPE-BZ熒光滴定的影響

為了更深入測試探針TPE-BZ對Fe3+檢測的靈敏度，進行了光譜滴定實驗。在探針溶液中梯度加入2 μL 的Fe3+，溶液的熒光發射強度出現規律性的變化，結果見圖5。從圖5可知，在474 nm處熒光強度與Fe3+的加入量（0～30 μL）具有較好的線性關系，擬合后的相關系數為0.985。當Fe3+加入量大于22 μL時，在474 nm和505 nm處的峰消失，而在446 nm處出現單峰。這表明該化合物可用來定量檢測Fe3+的存在。

圖4 TPE-BZ加入不同離子的熒光強度變化Fig.4 Fluorescence response of TPE-BZ to various metal ions.

圖5 Fe3+的熒光滴定光譜Fig.5 The fluorescence spectra of TPE-BZ with different concentrations of Fe3+.Condition：TPE-BZ 10-5 mol/L

3 結論

1）鄰苯二胺和四苯乙烯甲醛的縮合產物四苯乙烯咪唑TPE-BZ在固態時具有較強的藍色熒光發射，在含水量為80%（φ）的溶液中發射藍綠色熒光，具有明顯的AIE特性。

2）TPE-BZ溶液可與多種金屬離子作用產生熒光光譜變化，可設計成熒光淬滅型探針用于選擇性地檢測水體中的Fe3+。

3）TPE-BZ在474 nm處的熒光強度與Fe3+的加入量呈現較好的線性關系，相關系數達0.985，該探針可定量檢測試樣中Fe3+的含量。

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華東理工大學化學工程聯合國家重點實驗室簡介：化學工程聯合國家重點實驗室于1987年被批準籌建，1991年建成并正式開放運行，分別由清華大學、天津大學、華東理工大學和浙江大學承擔化工分離工程和化學反應工程方面的應用基礎研究。

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