一種基于8-氨基喹啉的希夫堿型熒光探針對鋅離子的熒光識別

湯立軍，史健澤

(渤海大學 化學化工學院，遼寧 錦州 121013)

?

一種基于8-氨基喹啉的希夫堿型熒光探針對鋅離子的熒光識別

湯立軍*，史健澤

(渤海大學 化學化工學院，遼寧 錦州 121013)

合成了一種基于8-氨基喹啉的希夫堿型熒光探針L，并表征了其結構.在DMSO-H2O(1:1，v/v，HEPES 0.01 mol/L，pH = 7.4)溶液中考察了探針L對金屬離子的識別行為.結果表明探針L對Zn2+具有良好的選擇性識別作用，除Cu2+外，其他共存的金屬離子對Zn2+的識別過程無顯著干擾.探針L與Zn2+的結合比為1:1，結合常數為8.35×105L/mol.

席夫堿；8-氨基喹啉;熒光探針；鋅離子；識別

0 引言

鋅離子是一種在人體中含量豐富的過渡金屬離子，它在生命體或者人體中的新陳代謝以及諸多生命體活動中特別重要，例如，它可以參與酶催化過程，可以參與蛋白質分子結構的固定，以及生物大分子作用調節(jié)等等〔1〕.通過許多文獻報道，失調含量的鋅離子對于人體活動的危害是非常大的并且可以引發(fā)很多病癥，例如阿爾茨海默癥、糖尿病、前列腺癌等〔2〕.此外，過量的鋅離子對于環(huán)境的影響也不容忽視.基于上述情況，研究者研究開發(fā)了多種方法用于鋅離子的檢測.

近十年來，熒光探針在鋅離子的識別方面應用特別廣泛，同時在鋅離子的檢測方面也發(fā)揮了很大的作用，這是由于熒光探針具有操作簡單、高靈敏度等特點.至今已有大量的基于各種熒光團的鋅離子熒光探針被廣泛研究〔2-8〕.值得注意的是，以8-氨基喹啉這一結構簡單的熒光團構建新的熒光探針，具有合成簡單，發(fā)射波長相對較長(>500 nm)的優(yōu)點〔9，10〕.希夫堿的C=N基團對金屬離子具有良好的絡合能力，而且C=N的異構化過程可引起熒光猝滅〔11，12〕，這為構建熒光“關-開”型熒光探針提供了便利條件.基于此，本文設計合成了一種含有8-氨基喹啉結構的席夫堿型熒光探針L(合成1).在DMSO-H2O(1:1，v/v，HEPES 0.01 mol/L，pH = 7.4)溶液中，探針L對Zn2+具有良好的熒光識別作用.

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

熒光分光光度計(970 CRT，上海三科)，核磁共振儀(400 MR，美國Agilent 公司)，液相色譜/四極桿飛行時間串聯(lián)質譜儀(HPLC-Q-Tof，英國Micromass公司)，數字熔點測定儀(WRS-1B型，上海優(yōu)浦科學儀器有限公司). 化合物2按照文獻方法合成〔13〕，其余試劑和溶劑均為商品化試劑.

1.2 熒光探針L的合成

將3-羥基-2-萘醛(化合物1，86 mg, 0.5 mmol) 和2-氨基-N-(8-喹啉基)乙酰胺(化合物2，120.6 mg， 0.6 mmol)溶解于20 mL絕對乙醇中，攪拌并加熱回流3 h.冷卻至室溫后有黃色固體析出，過濾收集沉淀并用冷的乙醇洗滌，干燥后得145.3 mg化合物L，收率80%, m.p.173.8-174.2 ℃.1H-NMR (400 MHz, DMSO-d6) δ 11.96 (s, 1H), 10.85 (s, 1H), 8.93 (d,J=4.0 Hz, 1H), 8.91 (s, 1H), 8.69 (d,J=6.8 Hz, 1H), 8.44 (d,J=8.4 Hz, 1H), 8.37 (s, 1H), 7.95 (d,J=8.4 Hz, 1H), 7.77 (d,J=8.4 Hz, 1H), 7.72-7.60 (m, 3H), 7.52 (t,J=7.2 Hz, 1H), 7.37 (t,J=7.2 Hz, 1H), 7.32 (s, 1H), 4.75 (s, 2H);13C NMR (100 MHz, DMSO-d6) δ 168.20, 166.94, 156.11, 149.50, 138.43, 137.10, 136.08, 134.34, 132.43, 129.12, 128.63, 128.27, 127.50, 126.47, 124.09, 122.77, 122.58, 122.39, 116.58, 110.56, 62.91.HRMS (ESI+): 計算值 C22H18N3O2[M+H]+m/z356.1399, 實測值356.1344.

1.3 光譜性能試驗

熒光探針的溶液配制為1.0×10-5mol/L，溶劑的選擇為DMSO-H2O(1:1，v/v, HEPES 0.01 mol/L, pH = 7.4).各種金屬離子(K+，Na+，Ca2+，Mg2+，Ni2+，Pb2+，Cr3+，Mn2+，Cu2+，Fe2+，Co2+，Hg2+，Cd2+，Zn2+，Ag+，Ba2+，Fe3+，Pb2+和Sr2+)采用相應的鹽酸鹽或硝酸鹽，進而配制成0.01 mol/L的水溶液.

1.3.1 受體對于鋅離子的熒光選擇性的測試

準確量取2 mL的探針受體L的溶液于不同的離心管中，再等量地稱取10倍摩爾比的各種金屬離子溶液，將每一種不同的金屬離子溶液滴加到上述的裝有受體的離心管中，通過熒光分光光度計測試加入指定金屬溶液之后，每一個離心管中的混合溶液的熒光強度，掃描熒光，激發(fā)波長為350 nm.

1.3.2 受體對于鋅離子的熒光滴定實驗的測試

準確量取2 mL的探針溶液于不同的離心管中，分別在每一個不同的離心管中依次滴加梯度濃度的鋅離子溶液，使之與受體的摩爾比為一倍到十倍.依次測量每個離心管中的混合液樣的熒光強度光譜，通過熒光分光光度計的掃描，得出熒光光譜.

1.3.3 受體與鋅離子的結合比測試實驗

固定鋅離子和探針分子溶液的總濃度，使之達到1.0×10-5mol/L, 分別將不同濃度配比的鋅離子溶液與探針分子溶液加入到不同的離心管中，使之總體積為2 mL.再通過熒光分光光度計掃描每一組樣品，得到結論，通過調節(jié)二者摩爾比，比較不同組試樣的熒光光譜，通過作圖得到受體和鋅離子的結合比.

1.3.4 受體對于其他陽離子的抗干擾實驗

準確量取2 mL的探針溶液于不同的離心管中，再分別滴加各種等濃度的金屬離子溶液于每一個離心管中，隨之加入等濃度的鋅離子溶液于上述離心管中，通過熒光分光光度計測試各試樣的熒光光譜.將之與選擇性熒光光譜譜圖進行數據處理，得出受體的抗干擾性實驗柱狀圖.

2 結果與討論

2.1 熒光探針L對鋅離子的熒光選擇性

本文在實驗過程中，第一步考察了探針L對各種金屬離子的熒光響應，結果如圖1-a所示.在DMSO-H2O(1:1，v/v，HEPES 0.01 mol/L，pH = 7.4)溶液中，L表現出微弱的熒光發(fā)射，這主要是由于在激發(fā)態(tài)下C=N雙鍵存在異構化過程，這種非輻射能量衰減猝滅了L的熒光〔14〕.這種熒光猝滅也部分歸因于激發(fā)態(tài)分子內質子轉移(酚羥基氫向希夫堿氮原子的轉移)〔15〕.加入Zn2+后，L在510 nm處呈現顯著的熒光增強，而加入其它金屬離子，如(K+，Na+，Ca2+，Mg2+，Ni2+，Pb2+，Cr3+，Mn2+，Cu2+，Fe2+，Co2+，Hg2+，Cd2+，Zn2+，Ag+，Ba2+，Fe2+，Pb2+和Sr2+，熒光發(fā)射無明顯變化.Zn2+引起的熒光發(fā)射來源于于8-氨基喹啉熒光團，在鋅離子和探針分子發(fā)生結合的過程中，鋅離子通過分子間作用力，將探針受體的碳氮雙鍵的異構化效應削弱，使得探針受體分子加入鋅離子之后，整體的分子平面不易于轉動，剛性得到有效地增強，而這一結果通過熒光分光光度計的掃描，反應在熒光光譜中即熒光強度得到顯著增強.結果表明，熒光探針L對Zn2+具有良好的選擇性識別作用.

圖1 (a) 探針分子L對各種金屬離子的熒光響應(內插圖：加入Zn2+前后探針L溶液的熒光照片)(b) 在L中加入不同濃度Zn2+的熒光變化曲線

2.2 鋅離子對探針分子L的熒光滴定試驗

圖1-b為探針L在不同濃度的Zn2+存在時的熒光光譜變化.隨著Zn2+濃度的增加，探針L的熒光發(fā)射逐漸增強，當Zn2+的摩爾濃度為受體的10倍時滴定達到飽和，說明L對Zn2+具有較好的傳感性質.根據熒光滴定實驗數據，通過Origin軟件按1:1結合方程進行非線性擬合〔16〕，擬合后得到一條平滑曲線，非線性相關系數為0.99503(圖1-b內插圖).所用方程為：

其中，Y：探針溶液加入了鋅離子以及不同的金屬離子后的熒光強度；Y0代表無金屬離子時探針溶液的熒光強度；Ylim代表加入離子溶液后，溶液體系的熒光強度變化的極值；CM為加入金屬離子的濃度；CL為探針的濃度；KS為L與Zn2+的結合常數.擬合結果表明，探針L與Zn2+的結合比為1:1，二者的結合常數為8.35×105L/mol.

根據熒光滴定實驗數據，計算了L對Zn2+的檢測限.采用歸一化的熒光強度，以Log(F-Fmin)/(Fmax-Fmin)對Log[Zn2+]作圖，得到一條直線(Y=6.0467+1.2645X，R=0.9960)(圖2-a)，該直線與X軸的交點即為檢測限〔17〕.經計算，L對Zn2+的檢測限為1.70×10-5mol/L.

2.3 熒光探針受體的抗干擾性熒光光譜實驗

為考察其他金屬離子對于鋅離子與受體結合的阻礙作用大小，本文對于受體加入鋅離子、以及受體加入其他離子隨后加入鋅離子的不同組樣品進行了對比的熒光光譜測試，通過觀測其鎖定波長的熒光強度變化進行抗干擾實驗.結果如圖2-b所示.通過圖2-b得出，分別向受體溶液中滴加金屬離子溶液，再將不用的試樣加入到每一個離心管樣品中，通過掃描熒光光度計來觀察溶液在有不同金屬離子、以及鋅離子共存的情況下，其熒光強度的變化.通過熒光抗干擾性的實驗，總結其結果得出，Fe2+和Co2+可以不同程度地阻礙探針受體L與鋅離子的結合能力，阻礙探針受體L與鋅離子的結合能力，因此在有兩種離子共存時，其熒光強度的增幅較單獨加入鋅離子時熒光增幅更小，這一結果說明這些離子也能與L絡合，這些離子的順磁性導致熒光猝滅，但其結果不會給出Zn2+存在的假信號.需要指出的是，共存的Cu2+能導致探針L熒光完全猝滅，這可能是Cu2+與L具有更強的結合能力并通過順磁性猝滅了L的熒光.這些結果表明，除了Cu2+外，探針L適用于在有其它金屬離子存在時對Zn2+的檢測.

圖2 (a) 歸一化的熒光強度與Log[Zn2+]的線性關系圖 (b) 在其它金屬離子及Zn2+存在下探針L的熒光強度變化

2.4 受體的pH值對于其熒光選擇性的影響

受體的實用性在很大程度上依賴于其對于酸堿性的適應性，為了進一步檢驗探針L的實用性，我們考察了不同的pH值對受體L的熒光強度的影響(圖3-a).從不同組樣品所反應的熒光強度上來看，探針L在廣泛的pH值范圍內(pH2～13)熒光發(fā)射強度均很弱且波動較小，當有Zn2+存在時，L溶液在pH7到12范圍內具有強的熒光發(fā)射.這表明L適用于在近中性和較弱堿性條件下對Zn2+的檢測.

圖3 (a)pH值對L及L+Zn2+熒光強度的影響 (b) 熒光探針L與Zn2+的結合比實驗

2.5 探針受體和鋅離子的結合比測定實驗

通過以往類似文獻的查閱，鋅離子和探針受體的結合方式應為1:1，為進一步驗證探針受體L和鋅離子的結合模式猜想，本文通過等摩爾連續(xù)法，固定探針分子溶液與Zn2+溶液的總濃度為1.0×10-5mol/L, 調整二者的摩爾比例，測試各樣品熒光光譜，通過掃描不同配比的試樣的熒光強度，得出了探針受體L與鋅離子的結合比(圖3-b).當Zn2+的摩爾分數為0.5時，熒光發(fā)射強度最強，說明L與Zn2+的結合比為1:1，該結果與非線性擬合結果相一致.

在探針L與Zn2+的混合液質譜圖中，在m/z=417.9254處出現一強質譜峰，可歸屬于[L+Zn2+-H+]+(計算值為418.0532).結合前述實驗結果，我們推測了探針L與Zn2+的結合模式，如圖4所示.酚氧負離子，亞胺氮原子，喹啉氮原子共同參與了與Zn2+的絡合，該絡合方式抑制了C=N基團的異構化并增強了配體的剛性，因而引起熒光增強.

3 結論

合成了一種基于8-氨基喹啉的席夫堿類熒光探針L，L對Zn2+具有良好的選擇性識別能力，熒光信號發(fā)生“off-on”變化.探針L與Zn2+的結合比為1:1，二者間的結合常數為8.35×105L/mol，L對Zn2+的檢測限1.70×10-5mol/L.除了Cu2+外，探針L對Zn2+的識別過程具有較強的抗其它金屬離子干擾的能力.

〔1〕BERGJM,SHIY.Thegalvanizationofbiology:agrowingappreciationfortherolesofzinc〔J〕.Science, 1996, 271(5252): 1081-1085.

〔2〕LOVELLMA,ROBERTSONJD,TEESDALEWJ,etal.Copper,ironandzincinAlzheimer′sdiseasesenileplaques〔J〕.JournaloftheNeurologicalSciences, 1998, 158(1): 47-52.

〔3〕XU Z, YOON J, SPRING D R. Fluorescent chemosensors for Zn2+〔J〕. Chemical Society Reviews, 2010, 39(6): 1996-2006.

〔4〕CHEN Y, BAI Y, HAN Z, et al. Photoluminescence imaging of Zn2+in living systems〔J〕. Chemical Society Reviews, 2015, 44(14): 4517-4546.

〔5〕SAIAN A K, SRIVASTAVA M, SHARMA V, et al. A highly selective, sensitive and reversible fluorescence chemosensor for Zn2+and its cell viability〔J〕. Dalton Trans, 2016, 45(9): 3927-35.

〔6〕MA J, SHENG R, WU J, et al. A new coumarin-derived fluorescent sensor with red-emission for Zn2+in aqueous solution〔J〕. Sensors and Actuators B: Chemical, 2014, 197: 364-369.

〔7〕TANG L, CAI M, ZHOU P, et al. A highly selective and ratiometric fluorescent sensor for relay recognition of zinc (II) and sulfide ions based on modulation of excited-state intramolecular proton transfer〔J〕. RSC Advances, 2013, 3(37): 16802-16809.

〔8〕黃振龍, 湯立軍. 一種基于聯(lián)二萘酚的縮氨基硫脲化合物的合成及其對鋅離子的熒光識別〔J〕. 渤海大學學報(自然科學版), 2014,35(2): 191-196.

〔9〕ZHANG Y, GUO X, SI W, et al. Ratiometric and water-soluble fluorescent zinc sensor of carboxamidoquinoline with an alkoxyethylamino chain as receptor〔J〕. Organic Letters, 2008, 10(3): 473-476.

〔10〕TIAN X, GUO X, YU F, et al. An oxalamidoquinoline-based fluorescent sensor for selective detection of Zn2+in solution and living cells and its logic gate behavior〔J〕. Sensors and Actuators B: Chemical, 2016, 232: 181-187.

〔11〕WU J, LIU W, GE J, et al. New sensing mechanisms for design of fluorescent chemosensors emerging in recent years〔J〕. Chemical Society Reviews, 2011, 40(7): 3483-3495.

〔12〕SUN Y Q, WANG P, LIU J, et al. A fluorescent turn-on probe for bisulfite based on hydrogen bond-inhibited C=N isomerization mechanism〔J〕. Analyst, 2012, 137(15): 3430-3433.

〔13〕ZHU J F, YUAN H, CHAN W H, et al. A colorimetric and fluorescent turn-on chemosensor operative in aqueous media for Zn2+based on a multifunctionalized spirobenzopyran derivative〔J〕. Organic & Biomolecular Chemistry, 2010, 8(17): 3957-3964.

〔14〕WU J S. Fluorescence turn on of coumarin derivatives by metal cations: a new signaling mechanism based on C=N isomerization〔J〕. Organic Letters, 2007, 9(1): 33-36.

〔15〕DOROSHENK A O, POSOKHOV E A, VEREZUBOVA A A, et al. Excited state intramolecular proton transfer reaction and luminescent properties of the orthohydroxy derivatives of 2,5-diphenyl-1,3,4-oxadiazole〔J〕. Journal of Physical Organic Chemistry, 2000, 13(5): 253-265.

〔16〕TANG L, PARK J, KIM H J, et al. Tight binding and fluorescent sensing of oxalate in water〔J〕. Journal of the American Chemical Society, 2008, 130(38): 12606-12607.

〔17〕SHORTREED M, KOPELMAN R, KUHN M, et al. Fluorescent fiber-optic calcium sensor for physiological measurements〔J〕. Analytical Chemistry, 1996, 68(8): 1414-1418.

An 8-aminoquinoline-based Schiff base type fluorescent probe for the recognition of Zn2+

TANG Li-jun, SHI Jian-ze

(College of Chemistry and Chemical Engineering, Bohai University, Jinzhou 121013, China)

A new Schiff base type fluorescent probe L that containing 8-aminoquinoline moiety has been synthesized and structurally characterized. Fluorescence responses of the probe L toward various metal ions were conducted in DMSO-H2O (1:1, v/v, HEPES 1.0×10-2mol/L, pH = 7.4) solution. The results show that probe L exhibits good recognition property toward Zn2+over other metal ions. Except Cu2+, co-existence of other metal ions exerts no significant interference on Zn2+recognition. Probe L binds Zn2+with a 1:1 binding ratio, and the binding constant is calculated to be 8.35×105L/mol.

schiff base； 8-aminoquinoline；fluorescent probe；Zinc ion；recognition

2016-07-16.

國家自然科學基金(No: 21476029;No: 21176029); 遼寧省高等學校優(yōu)秀人才支持計劃(No: LR2015001).

湯立軍(1972-)，男，博士，教授，主要從事光化學傳感器的合成和應用研究.

ljtang@bhu.edu.cn.

O656.2

A

1673-0569(2016)04-0330-06