吲哚三唑席夫堿熒光探針的合成及其對金屬離子的識別研究

華玉勝，趙志剛，石治川

(西南民族大學 化學與環境保護工程學院，四川 成都 610041)

鋁主要存在于鋁土礦中約占地球質量的8%，是現代文明不可缺少的材料[1]。隨著工業化進程的發展，大量含重金屬污染物未經處理的廢水、廢渣排放，對環境和人類健康危害越來越大。根據世界衛生組織(WHO)報道，鋁離子通過消化系統等生命過程停留在人體的細胞組織中，人類每天平均攝入的鋁含量是3～10mg[2]，當人體內積累較高濃度的鋁離子會引起阿爾茨海默癥、帕金森癥、骨骼萎縮、貧血等多種慢性疾病威脅人類健康[3-4]。因此，開發出高效、便捷檢測鋁離子方法備受人們的關注。熒光法由于操作簡便，可實時監測受到人們的青睞[5-7]。

圖1 目標探針TZ的合成路線Fig.1 The synthesis route of target probe TZ

含有獨特活性亞結構-N=CH-單元的席夫堿，因其N原子雜化軌道上含有孤電子對，容易獲得電子，使得席夫堿類化合物可以與金屬離子形成穩定的配合物。同時由于席夫堿因為其C=N雙鍵的存在還具有很好的生物活性和相容性[8]。金屬離子與C=N結合后，引起了特定的螯合作用從而產生熒光增強[9-10]。本文合成的新型吲哚三唑席夫堿化合物結構中含有吲哚和席夫堿兩個結構能極大提升生物相容性，同時吲哚和三唑均具有較大的共軛體系，更易于產生n-π*和π-π*的電子躍遷，產生熒光增強的特效具有很好的研究價值。其合成路線如下圖1所示。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

試劑：所有化學原料、金屬鹽為醋酸鹽或硝酸鹽均為分析純，購于上海畢得醫藥科技有限公司，無需進一步純化。實驗用水為去離子水。中間體2和3的合成法參考本實驗室之前的操作[11]。

儀器：Agilent 400 MHz核磁共振儀；賽默飛FINNIGAN- LCQ DECA型質譜儀；賽默飛IR-200型傅里葉變換紅外光譜儀；ElementarVario MICRO 型自動元素分析儀；WRS-1B型數字熔點儀；美普達UV-6100型雙光束紫外-可見光分光光度計；HORIBADual-FL型熒光光譜儀。

1.2 探針TZ的合成及表征

1.2.1 熒光探針(TZ)的合成及表征

在圓底燒瓶依次加入乙醇(10 mL)，中間體(3)(2 mmol)，2-羥基-6-溴苯甲醛(4)(1.9 mmol)和1滴冰醋酸，80℃下回流反應10min，TLC監測，冷卻后得粗產品用乙醇重結晶得到674 mg黃色固體TZ，收率81.6%，m.p.213-214 ℃。IR (KBr)，v，cm-1：3289，3071，1632， 1608，1521，1449，1235，1143，757，731，640。1H NMR (DMSO-d6,400 MHz)，δ：14.00 (s,1H,SH),11.80 (s,1H,indol-NH),10.86 (s,1H,OH),10.07 (s,1H,N=CH),8.14(d,J=7.2 Hz,1H,ArH),8.08 (d,J = 2.4 Hz,1H,ArH),8.01 (d,J = 2.8 Hz,1H,ArH),7.62 (dd,J = 2.8 Hz,1H,ArH),7.52 (dd,J=1.2 Hz,1H,ArH),7.27-7.17 (m,2H,ArH),7.01 (d,J=8.8 Hz,1H,ArH)。13C NMR (DMSO-d6,100 MHz)，δ 161.18；160.63；158.16；146.88；136.97；136.26；129.24；128.75；125.20；123.11；121.22；121.18；121.14；119.57；112.55；111.42；100.75。ESI-MS,m/z:414.36[M+1]+。元素分析，C17H12BrN5OS，實測值(計算值)，%：C 49.29(49.38)；H2.92(2.91)；N 16.91(16.89)。

1.3 溶液的配制及光譜性質的檢測方法

1.3.1 探針TZ儲備溶液及各種金屬離子儲備液

413 mg探針TZ，用100 mL DMSO溶解完全后，加入緩沖溶液(pH值=7.0)溶液定容得濃度1 mmol/L的探針TZ儲備液。金屬離子溶液(Ag+、Al3+、Ca2+、Co2+、Cu2+、Fe3+、Hg2+、Mg2+、Ni2+、Zn2+)均采用其醋酸鹽或硝酸鹽用去離子水溶液定容至刻度線制成濃度為1 mmol/L溶液。

1.3.2 光譜檢測參數

熒光實驗：最佳激發波長(λex)為386nm，最佳發射波長(λem)為446nm，狹縫寬度5 nm，靈敏度為2。

2 結果與討論

2.1 探針TZ對不同金屬陽離子的選擇性

圖2 探針TZ在緩沖溶液(pH值=7.0)中加入不同金屬離子后的熒光光譜(λex=386 nm)Fig.2 Fluorescence spectra of probe TZin pH buffer solution (pH7.0)upon addition of various metal cations(λex=386 nm)

在5μL 探針TZ儲備液(1 mmol/L)，然后依次加入5μL各種金屬離子(Ag+、Al3+、Ca2+、Co2+、Cu2+、Fe3+、Hg2+、Mg2+、Ni2+、Zn2+)儲備液(1 mmol/L)，分別檢測各自的熒光性質(圖2)。在探針TZ分子席夫堿結構中的N原子含有孤對電子容易獲得Al3+的電子發生配位，從而抑制了C=N雙鍵的異構化引起熒光增強光。在紫外燈365 nm照射下，探針TZ本身有很微弱的熒光，當加入Al3+后，探針TZ溶液發出亮藍色強熒光。而加入其他金屬離子(Ag+、Ca2+、Co2+、Cu2+、Fe3+、Hg2+、Mg2+、Ni2+、Zn2+)時，熒光強度很微弱。表明探針TZ可以與Al3+結合使熒光增強，從而實現對Al3+的專一識別檢測。

2.2 探針TZ識別Al3+的抗干擾性及pH值影響

圖3 其他金屬離子和Al3+共存時對探針TZ熒光強度的影響Fig.3 Fluorescence response of probe TZ

圖4 不同pH值對探針TZ響應Al3+的熒光強度影響Fig.4 Fluorescence spectra of TZ with Al3+in different pH buffer solution

為探究TZ能否在復雜條件下對Al3+的識別，在5μL 探針TZ儲備液(1 mmol/L)中依次加入5μLAl3+儲備液(1 mmol/L)，同時分別加入相同濃度和體積的其他金屬離子各種金屬離子(Ag+、Ca2+、Co2+、Cu2+、Fe3+、Hg2+、Mg2+、Ni2+、Zn2+)測試其熒光光譜(圖3)。當加入Fe3+、Ni2+時，因其因為原子結構原因與探針TZ存在一定的結合，從而降低配體體系TZ- Al3+的濃度，導致熒光強度降低但降低幅度不大，在紫外燈下仍然能看到清晰的熒光。這表明探針TZ對Al3+的識別具有良好的抗干擾能力。由圖4可見，在pH值3～11之間探針TZ的熒光強度基本上沒有變化。當pH值<7時，由于席夫堿結構在強酸性條件下容易發生分解探針TZ- Al3+體系熒光強度急速增加；當pH值>7以后，體系當中的Al3+會形成Al(OH)3，使得探針TZ- Al3+體系的熒光強度繼續增加，然后逐漸降低。因此，探針TZ可有效識別Al3+的pH值適用范圍為6～9。

2.3 探針TZ對Al3+的熒光滴定及檢測限

圖5 不同濃度Al3+存在時熒光探針TZ的熒光光譜及線性擬合Fig.5 Fluorescence spectraof probe TZin the presence of different concentrations of Al3+

圖6 不同濃度Al3+存在時熒光探針TZ的熒光線性擬合Fig.6 Fluorescence linear fit of probe TZ in the presence of different concentrations of Al3+

在TZ濃度為5μmol/L的緩沖溶液(pH值=7.0)中，逐漸滴加Al3+，測定不同Al3+濃度下的熒光光譜(圖5)。隨著Al3+濃度從0逐漸增大到5 μmol/L時，體系TZ-Al3+的熒光強度也隨之逐漸增強。當Al3+濃度增加到6、7μmol/L時，熒光強度出現小幅度下降。將446 nm處的熒光強度繪制工作曲線(圖6)，結果表明在0～5.0μmol/L范圍內體系TZ-Al3+熒光強度成良好的線性關系。根據檢測限的計算公式(3σ/S)[12]，計算該方法的檢測限為26.7 nmol/L。

2.4 探針TZ與Al3+絡合探究

利用等物質的量連續變換法研究探針TZ的絡合模型。通過Job’s plot作圖(圖7)可知，TZ-Al3+的熒光強度隨著Al3+濃度的不斷增加先增后降，最大摩爾分數對應數0.49，可推測出探針TZ與Al3+所形成的是1∶1配合物。

圖7 探針TZ與Al3+(pH值= 7.0)的絡合比測定曲線Fig.7 Job’s plot of TZ and Al3+ (pH 7.0)

圖8 探針TZ和TZ-Al3+的核磁滴定Fig.8 1H-NMR spectra of probe TZ and TZ-Al3+

運用核磁滴定法進一步確證TZ-Al3+的結合模式(見圖8)。隨著Al3+的加入，熒光探針分子OH和SH消失；而芳香環上的H和N=CH則因為Al3+與化合物結合產生結構的變化不同程度向發生了偏移。由此可見，探針TZ中-N，羥基-O，巰基-S參與了與Al3+的絡合配位。綜上所述，推斷TZ與Al3+絡合模式如圖9所示。

圖9 探針TZ與Al3+的絡合模型Fig.9 The proposed binding mode of TZ-Al3+ system

3 結論

本文以吲哚-3-甲酸甲酯為母體，合成了用于檢測Al3+熒光增強型、具有較大共軛體系的新型席夫堿探針TZ。在中性或弱堿性條件下(pH值=6～10)，探針TZ能夠特異性識別Al3+，生成1∶1型配合物(TZ -Al3+)，有較強的穩定性、良好的抗干擾性和反應活性，檢測限為26.7 nmol/L。在365 nm紫外燈照射下，由無色變成亮藍色強熒光，具有潛在的應用價值。