新型羅丹明型熒光探針的合成及其對Cu(Ⅱ)的識別性能＊

陳稼軒，李 艷，，田 怡，向清祥，黃玉明

(1.樂山師范學(xué)院化學(xué)學(xué)院，四川 樂山 614000;2.西南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，重慶 400715)

銅作為人體內(nèi)必需的微量元素，主要參與體內(nèi)酶反應(yīng)、酶轉(zhuǎn)錄及一些氧化還原過程等［1］。當(dāng)人體攝入過量銅會導(dǎo)致一些嚴(yán)重的疾病，例如Menkes綜合癥，Wilaonm綜合癥，家族性肌萎縮癥，阿爾茨海默氏癥等神經(jīng)性疾病［2］。因此，對銅離子［Cu(Ⅱ)］的檢測和識別在環(huán)境分析和生命科學(xué)中具有重大意義。目前，傳統(tǒng)測定Cu(Ⅱ)的方法主要有分光光度法［3］、原子吸收光譜法(AAS)［4］、電感耦合等離子體質(zhì)譜光譜法［5］、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法［6］和伏安法［7］等。但這些方法往往存在儀器價格過高、樣品處理過于復(fù)雜、不適合現(xiàn)場分析［8］等缺點。而熒光分析法具有靈敏度高、選擇性好、成本低等優(yōu)點，故通過熒光法對Cu(Ⅱ)進(jìn)行識別倍受關(guān)注［9］。

羅丹明B衍生物是一種理想的金屬離子探針發(fā)色團(tuán)［10］，在某些外界因素刺激下(如重金屬離子的加入)能由閉環(huán)內(nèi)酰胺狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殚_環(huán)酰胺狀態(tài)，并伴隨有顏色變化以及熒光的產(chǎn)生［11］。因此，基于羅丹明螺內(nèi)酰胺結(jié)構(gòu)設(shè)計新型的熒光探針，研究其對金屬離子的識別特性，并進(jìn)一步應(yīng)用于生物活體及自然環(huán)境檢測領(lǐng)域是目前的研究熱點之一［12～16］。

本文以羅丹明B-酰肼和8-羥基-7-喹啉醛為原料，經(jīng)縮合反應(yīng)合成了一個新型的羅丹明型熒光探針L(Scheme 1)，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR，MS和元素分析表征。并研究了L對各種金屬陽離子［簡稱M(x)］的識別性能。

Scheme 1

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

XT4A型顯微熔點儀(溫度未校正);Brucker-DPX-300 MHz型核磁共振儀(CDCl3為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo));Finnigan LCQ DECA型質(zhì)譜儀;Carlo-Erba-1106型元素分析儀;RF-5301 PC Spectrofluophotometer型熒光分光光譜儀。

羅丹明 B-酰肼和 8-羥基-7-喹啉醛按文獻(xiàn)［17，18］方法合成;其余所用試劑均為分析純;實驗用水為二次蒸餾水。

1.2 L 的合成

在反應(yīng)瓶中加入羅丹明 B-酰肼1.0 g(2.2 mmol)，8-羥基-7-喹啉醛0.4 g(2.2 mmol)和無水乙醇60 mL，攪拌下回流反應(yīng)4 h。冷卻至室溫，抽濾，濾餅用無水乙醇多次重結(jié)晶得黃色針狀晶體 L，收率 40.7%，m.p.198 ℃～199 ℃;1H NMR δ:1.12(t，J=7.0 Hz，12H，CH3)，3.32(q，J=6.9 Hz，8H，CH2N)，6.27(d，J=8.7 Hz，2H，ArH)，6.45(s，2H，ArH)，6.56(d，J=8.8 Hz，2H，ArH)，7.04(t，J=15.8 Hz，1H，ArH)，7.18～ 7.54(m，6H，ArH)，8.01(s，1H，ArH)，8.71(s，1H，ArH)，9.06(d，J=8.6 Hz，1H，ArH)，9.36(s，1H，CH=N);MS m/z:611.34［M+，46%］;Anal.calcd for C38H37N5O3:C 74.61，H 6.10，N 11.45;found C 74.58，H 6.05，N 11.38。

1.3 L對M(x)的識別性能測定

配制 c(L)為 1.0 ×10-3mol·L-1的乙腈溶液得L的標(biāo)準(zhǔn)液(A)，使用時根據(jù)需要適當(dāng)稀釋。

配制 c［M(x)］為1.0 ×10-2mol·L-1的水溶液得M(x)的標(biāo)準(zhǔn)液(B)，使用時根據(jù)需要適當(dāng)稀釋。

L對M(x)的識別性能測定:在試管(10 mL)中加入乙腈9.5 mL，用微量進(jìn)樣器加入A 100 μL，再依次加入一定體積的B，最后用蒸餾水定容至10 mL，搖勻并放置30 min得樣品液C。取C 3 mL于比色皿中(1 cm)進(jìn)行UV-Vis測定(500 nm～650 nm)和熒光光譜測定(激發(fā)波長480 nm)。

2 結(jié)果與討論

2.1 L對M(x)的選擇性識別

L對M(x)的選擇性識別見圖1和圖2。由圖1和圖2可見，L溶液為無色且在500 nm以上無明顯熒光響應(yīng)，這表明在未加入M(x)前探針L主要以螺內(nèi)酰胺環(huán)的形式存在。當(dāng)加入Cu(Ⅱ)后，L溶液由無色迅速轉(zhuǎn)變?yōu)樘壹t色并在λ=559 nm處產(chǎn)生新的可見吸收峰，λem=583.97 nm處的熒光也顯著增強(1 437.66倍)，這表明在Cu(Ⅱ)誘導(dǎo)下L的螺內(nèi)酰胺環(huán)轉(zhuǎn)變?yōu)殚_環(huán)酰胺狀態(tài)。而在相同條件下，L對其它M(x)均無明顯的紫外吸收和熒光響應(yīng)。因此，L是一個高選擇性的Cu(Ⅱ)熒光探針。

圖1 L對M(x)選擇性識別的熒光光譜圖*Figure 1 Fluorescence spectra of L on M(x)selective recognition

圖2 L對M(x)選擇性識別的UV-Vis譜圖*Figure 2 UV-Vis spectra of L on M(x)selective recognition

2.2 L與Cu(Ⅱ)的結(jié)合比和結(jié)合常數(shù)

Cu(Ⅱ)對L的熒光光譜滴定如圖3所示。從圖3可見，隨著Cu(Ⅱ)的加入，在480 nm激發(fā)下熒光強度(F)逐漸增強，c［Cu(Ⅱ)］在(5.0×10-6～4.2 ×10-5)mol·L-1內(nèi)，其 c［Cu(Ⅱ)］與F呈良好的線性關(guān)系(R=0.993 5)，L對 Cu(Ⅱ)的檢測限為2.31×10-8mol·L-1，L與 Cu(Ⅱ)的結(jié)合比和結(jié)合常數(shù)(Ka)可由Benesi-Hildebrand 方程(下式)確定［19］。

圖3 Cu(Ⅱ)對L的熒光光譜滴定圖(內(nèi)插圖為Benesi-Hildebrand線性分析曲線)*Figure 3 Fluorescence emission spectra changes of L addition of different amounts Cu(Ⅱ)(inset:Benesi-Hildebrand plot)

式中:F0和F分別為加入Cu(Ⅱ)前后體系的熒光強度;Fmax為加入過量Cu(Ⅱ)后L的熒光強度

從圖3(內(nèi)插圖)可見，1/(F-F0)與1/［Cu(Ⅱ)］2存在良好的線性關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)R=0.990 6，表明 L與 Cu(Ⅱ)的結(jié)合比為1 ∶2。由上方程可計算得 Ka=6.69×108dm3·mol-1。

2.3 共存M(x)對L識別Cu(Ⅱ)的影響

考察了在其它金屬離子［M(x)］存在下L對Cu(Ⅱ)識別的影響，結(jié)果見圖4。由圖4可見，Hg(Ⅱ)對L識別Cu(Ⅱ)的熒光響應(yīng)具有明顯的猝滅作用。這可能是由于Hg(Ⅱ)的自旋軌道耦合效應(yīng)對熒光團(tuán)具有猝滅作用所致。其它M(x)對L識別Cu(Ⅱ)的熒光響應(yīng)無明顯影響，這表明探針L對Cu(Ⅱ)的識別具有較強的抗干擾能力，但Hg(Ⅱ)的存在會對識別產(chǎn)生一定的影響。

圖4 M(x)對L識別Cu(Ⅱ)的影響*Figure 4 Effect of M(x)on L recognition Cu(Ⅱ)

2.4 pH對L識別Cu(Ⅱ)的影響

考察了不同pH值對L識別Cu(Ⅱ)的影響，結(jié)果如圖5所示。從圖5可見，當(dāng)pH＜4時，L的螺內(nèi)酰胺環(huán)在H+作用下發(fā)生了開環(huán)，產(chǎn)生較弱的熒光增強響應(yīng)。pH在4～11，L主要以螺內(nèi)酰胺環(huán)的形式存，無明顯熒光響應(yīng)。而當(dāng)加入Cu(Ⅱ)后，L在pH 4～9間產(chǎn)生顯著、穩(wěn)定的熒光增強響應(yīng)。這表明在pH 4～9內(nèi)，L對Cu(Ⅱ)的識別不受pH的影響。

圖5 pH值對L識別Cu(Ⅱ)的影響*Figure 5 Effect of pH on L recognition Cu(Ⅱ)

2.5 L對Cu(Ⅱ)的可逆性識別

利用競爭實驗考察了探針L對Cu(Ⅱ)識別的可逆性，結(jié)果如圖6所示。選擇S2-作為競爭試劑，在 L與 Cu(Ⅱ)(30 μmol·L-1)中加入相對于30倍L量的Na2S水溶液，體系吸光度明顯降低，表明Na2S的加入奪取了Cu(Ⅱ)-L絡(luò)合物中的Cu(Ⅱ)，使得原來參與配位的開環(huán)酰胺重新閉合形成螺內(nèi)酰胺環(huán)，相應(yīng)的吸光度也隨之降低。當(dāng)再加入過量Cu(Ⅱ)后，吸光度又恢復(fù)接近原來的強度，表明Cu(Ⅱ)與溶液中游離的L重新形成了配合物。此過程證明L對Cu(Ⅱ)的識別具有可逆性。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)［15，16］推測其配合作用的機理如Scheme 1所示。L分子中的喹啉N原子和羥基氧原子與一個Cu(Ⅱ)發(fā)生配位，而L分子的羰基氧和亞胺鍵的N原子與另一Cu(Ⅱ)發(fā)生配位，并在配位過程中螺內(nèi)酰胺環(huán)打開，產(chǎn)生明顯的熒光增強和顏色變化。

圖6 L中加入Cu(Ⅱ)和Na2S的UV-Vis譜圖*Figure 6 UV-Vis spectra of addition Cu(Ⅱ)and Na2S in L

3 結(jié)論

設(shè)計并合成了含喹啉基團(tuán)的羅丹明型席夫堿探針L。在乙腈溶液［V(MeCN)∶V(H2O)=19∶1，pH 7］中，L對Cu2+表現(xiàn)出較好的選擇性和較高的靈敏度。在Cu(Ⅱ)中加入L，溶液顏色很快由無色變?yōu)樘壹t色，裸眼即可方便地定性分辨出溶液中是否含有Cu2+。L對Cu2+的識別是一可逆過程。

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