一種快速響應和高選擇性的鋅離子熒光探針

張麗君，尹炳柱

（延邊大學長白山生物資源與功能分子教育部重點實驗室，吉林 延吉133002）

一種快速響應和高選擇性的鋅離子熒光探針

張麗君，尹炳柱＊

（延邊大學長白山生物資源與功能分子教育部重點實驗室，吉林 延吉133002）

合成了一種基于2－苯基苯并噻唑熒光團的熒光探針，并用熒光和紫外光譜法研究了對不同陽離子的識別能力.研究表明：該探針在乙腈溶液中對鋅粒子顯示出高選擇性和高靈敏性的響應，而對其他陽離子的響應則不明顯，因此該方法可實現(xiàn)對鋅粒子的檢測；其機理是探針與鋅粒子的絡合阻止了主體分子的激發(fā)態(tài)分子內質子轉移過程，使熒光增強而致.

熒光化學傳感器；2－苯基苯并噻唑；鋅離子檢測；激發(fā)態(tài)分子內質子轉化

0 引言

鋅是一種廣泛分布于人體細胞和體液中的微量元素，對人體的免疫功能起著重要的調節(jié)作用.例如，鋅能維持男性的正常生理機能，促進兒童的正常發(fā)育和潰瘍的愈合等.研究［1－2］發(fā)現(xiàn)，缺鋅常導致厭食、營養(yǎng)不良、口腔潰瘍、皮疹、脫發(fā)、胃炎、兒童生長緩慢等癥狀，但是如果鋅攝入過多，又會導致痿味、口渴、胸部緊束感、干咳、頭痛、頭暈、高熱、寒戰(zhàn)等病癥.目前，在活性中心處包含鋅離子的酶的數(shù)目超過了1 000種，在2007年Brookhaven蛋白質數(shù)據(jù)庫所列舉的40 000種蛋白質結構中約有5 000種蛋白質含有鋅離子［3］，因此，如何快速靈敏地檢測鋅離子對于生命科學、環(huán)境科學都有著重要的意義［4－5］.

具有激發(fā)態(tài)分子內的質子轉移（excited state intramolecular proton transfer，ESIPT）能力的物質一直是有機光化學、光物理與光生物學的研究熱點［5－7］.該類化合物是良好的熒光探針或光致變色材料，并且在光開關、光限幅和光存儲等光電子器件中有著重要的應用前景［8－11］.近年來由配位作用阻礙ESIPT過程而進行離子識別的化學傳感器被相繼報道［12－14］，但其傳感性不專一［12］，并且合成過程較為復雜［13－14］.為了探究新型鋅離子化學傳感器，本文通過簡單的一步合成反應制得了2－（4’－N，N－二乙基氨基－2’－羥基苯基）苯并噻唑（圖1），并對其對不同陽離子的選擇識別能力進行了研究.

圖1 探針1的合成路線

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

主要儀器有：AV－300型超導核磁共振波譜儀（布魯克，德國）；UV－3010型紫外分光光度儀（日立，日本）；RF－5301PC型熒光分光光度儀（島津，日本）；1100－HP LC／MSD液質連用儀（惠普，美國）；AXIMA CFRTMPlus基質輔助激光解析飛行時間質譜儀（島津，日本），基質為Dith.

所有化學藥品從百靈威購進，未經(jīng)純化直接使用；氯仿、乙醇、乙腈和甲醇均為分析純試劑，用通常方法純化、干燥處理.分析用金屬離子使用的是其高氯酸鹽.

1.2 目標化合物的合成

將4－N，N－二乙基氨基水楊醛（0.5 g，2.587 mmol）和2－氨基苯硫醇（0.324 g，2.587 mmol）溶解于乙醇中（10 m L），在氮氣氛圍下室溫反應12 h.體系中有大量黃色固體析出，抽濾，用甲醇洗滌固體（10 m L×3），MeOH－CHCl3（體積分數(shù)比為1∶1）重結晶，得黃色固體0.772 g，產率為73.0%，m.p.185～186℃.1H NMR（300 MHz，CDCl3）δ：13.25（s，1H），8.46（s，1H），7.62（d，J＝6.6 Hz，1H），7.21（d，J＝6.6 Hz，1H），7.19（d，J＝6.6 Hz，1 H），7.12（d，J＝6.6 Hz，1 H），7.10（d，J＝6.6 Hz，1H），6.28（d，J＝6.6 Hz，2H），3.39～3.46（m，J＝6.9 Hz，4H），1.23（t，J＝6.9 Hz，6H）.MS（EI）：m／z＝299.55（M＋）.

2 結果與討論

2.1 UV－Vis光譜

圖2（a）為探針1（20μmol／L）在乙腈中加入400μmol／L（20 equiv.）不同陽離子時紫外吸收光譜的變化.從圖2（a）明顯看出，當?shù)渭?0 equiv.的Zn2＋時，探針1在381 nm處的π－π＊吸收帶紅移到410 nm 處，而其他陽離子（Na＋、K＋、Li2＋、Ca2＋、Cd2＋、Ba2＋、Ni2＋、Pb2＋、Co2＋、Ag2＋、Hg2＋、Fe2＋、Cu2＋、Fe3＋）未引起明顯的光譜變化.由此可見，探針1對Zn2＋具有很高的選擇識別能力.

圖2（b）為探針1（20μmol／L）在乙腈中加入不同濃度的Zn2＋時的紫外光譜滴定曲線.從圖中可明顯看出，原381 nm處的吸收峰逐漸減弱，而在410 nm處逐漸出現(xiàn)了新的吸收峰，并出現(xiàn)3個明顯的等吸光點，而且當Zn2＋的濃度增加到20 equiv.時絡合趨于平衡，表明探針1與鋅離子形成了穩(wěn)定的主－客體配合物.圖2（b）中的插圖為用不同濃度的Zn2＋滴定時，探針1在410 nm處的吸光度變化曲線.

圖2 （a）為紫外吸收光譜；（b）為紫外滴定曲線（［Zn2＋］＝0→20 equiv.）

2.2 熒光光譜測試

圖3（a）為探針1（20μmol／L）在乙腈中加入400μmol／L（20 equiv.）不同陽離子時熒光光譜的變化，其中的插圖為目標化合物對Zn2＋的選擇性.在乙腈溶液中，用417 nm光激發(fā)時，探針1本身幾乎沒有發(fā)射熒光，分別加入20 equiv.不同陽離子 （Na＋、K＋、Li2＋、Ca2＋、Cd2＋、Ba2＋、Ni2＋、Pb2＋、Co2＋、Ag2＋、Hg2＋、Fe2＋、Cu2＋、Fe3＋）時也不發(fā)射熒光，但是當加入20 equiv.的Zn2＋時，在444 nm處出現(xiàn)強的熒光發(fā)射（熒光強度增加350倍左右），溶液發(fā)出藍綠色熒光.由此可見探針1對Zn2＋具有很高的熒光選擇性和傳感性.

圖3（b）為探針1（20μmol／L）在乙腈中（λem＝444 nm）加入不同濃度的Zn2＋的熒光光譜滴定曲線，其中的插圖為目標化合物在444 nm處隨Zn2＋濃度變化的熒光變化曲線.由圖可以看出，在444 nm處的熒光強度隨Zn2＋濃度的增加逐漸增強，在Zn2＋濃度達到20 equiv.時熒光強度趨于穩(wěn)定.通過Benesi－Hildebrand plots線性擬合分析可得Ka＝1.39×106M－1（R＝0.997），見圖4（a）［15］.圖4（b）為在含有20equiv.Zn2＋的乙腈溶液中，探針1（20μmol／L）在444 nm處的熒光強度隨時間變化曲線.由圖4（b）可見，探針1對Zn2＋的響應是瞬間發(fā)生的，并且隨著時間的改變熒光強度仍保持一致.結果說明，探針1對Zn2＋具有響應速度快、選擇性高的特點.

圖3 熒光發(fā)射光譜（a）和熒光滴定光譜（b）

圖4 （a）探針1與Zn2＋絡合作用的線性擬合曲線；（b）探針1在乙腈中（20μmol／L）加入400μmol／L Zn2＋時的響應時間變化曲線：λex＝417 nm，λem＝444 nm

2.3 Zn2＋的識別機理

通過Job－plot分析（圖5）和質譜分析 MS（EI）：m／z＝659.4（M＋）（圖6）證實了目標化合物與Zn2＋結合的計量比為2∶1.探針1在稀溶液激發(fā)態(tài)主要以酮式為主，故幾乎不發(fā)光.在基態(tài)2個探針分子利用2個sp2氮原子和2個酚氧負離子與Zn2＋絡合，形成如三明治形狀的絡合物.在探針分子中可轉移的質子的消失，阻止了探針分子的ESIPT過程，導致其熒光強度大大增強（見圖7）.

圖5 乙腈中探針1與Zn2＋作用的Job曲線

圖6 主－客配合物（1＋Zn＋H）的質譜圖

圖7 探針1對Zn2＋的傳感機理

3 結論

本文合成了具有ESIPT的苯并噻唑衍生物，并利用紫外吸收光譜和熒光發(fā)射光譜研究了探針的光物理性質和其對各種陽離子的傳感識別.探針1在417 nm激發(fā)時，無熒光發(fā)射；當加入Zn2＋溶液，形成2∶1計量比的配合物時，通過阻止ESIPT過程使熒光強度增至350倍左右，從而達到對Zn2＋的識別.該探針對鋅粒子具有響應時間快、靈敏度高和選擇性好等特點，因此可以應用于環(huán)境中微量Zn2＋的檢測.

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A rapid responsive and highly selective fluorescent probe for zinc ion

ZHANG Li－jun，YIN Bing－zhu＊
（KeyLaboratoryofNaturalResourcesoftheChangbaiMountain＆Functional Molecules（YanbianUniversity），MinistryofEducation，Yanji133002，China）

A 2－phenylbenzothiazole based fluorescent probe is synthesized and its recognition ability for various metal ions is tested by fluorescence and UV spectrophotometries.The resurts sho wthat the probe shows a highly selectivity and sensibility for Zn2＋over other various cations in acetonitrile solvent，so this method can achieve the detection of Zn2＋.The mechanism is proved that complexation of the probe with Zn2＋hindered the excited－state intramolecular proton transfer process which enhanced fluorescence intensity.

fluorescent chemosensor；2－phenylbenzothiazole；zinc cation detection；excited－state intramolecular proton transfer

O625.25

A

1004－4353（2012）01－0050－04

2012－02－27＊通信作者：尹炳柱（1952—），男，博士，教授，研究方向為超分子化學.

國家自然科學基金資助項目（21062022）；教育部博士點基金資助項目（20102201110001）