一種用于測定F-的比色和熒光增強(qiáng)型探針

侯 鵬， 李紅梅， 陳 頌

(1.齊齊哈爾醫(yī)學(xué)院藥學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾 161006； 2.齊齊哈爾醫(yī)學(xué)科學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾 161006)

F-作為元素周期表中最小的陰離子，在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)反應(yīng)過程中扮演著極其重要的角色，是牙科保健、骨質(zhì)疏松癥的治療、供水處理以及化學(xué)戰(zhàn)劑中的重要成分[1 - 4]。當(dāng)人體內(nèi)氟含量過高，過量的氟會誘發(fā)中毒，臨床表現(xiàn)為甲狀腺活力下降、代謝功能紊亂、免疫力下降等癥狀。由于氟功能的多樣性促使人們對F-的檢測產(chǎn)生了極大的興趣。因此，開發(fā)具有高效選擇性識別F-的熒光探針具有重要的意義。

早期的陰離子檢測主要是利用受體與陰離子之間的非共價鍵作用實現(xiàn)物質(zhì)檢測，因此，得到的數(shù)據(jù)通常受到溶劑效應(yīng)的影響造成探針的選擇性較差，相比之下，基于不可逆的化學(xué)反應(yīng)設(shè)計熒光探針的方法越來越受到科研工作者的關(guān)注。反應(yīng)型熒光探針利用特定的化學(xué)反應(yīng)專一識別分子的優(yōu)勢，具有較好的選擇性和專一性[5 - 8]。本文選取以2-羥基-1萘甲醛為母體，叔丁基二甲基硅醚為識別基團(tuán),合成了一種比色和熒光增強(qiáng)型探針[9 - 11]。當(dāng)加入F-后，F(xiàn)-誘導(dǎo)探針分子結(jié)構(gòu)中Si-O鍵斷裂，釋放出的O-隨后進(jìn)攻結(jié)構(gòu)中的氰基，最終生成具有較大共軛結(jié)構(gòu)的環(huán)化產(chǎn)物，即萘亞胺香豆素。由于反應(yīng)前后探針分子結(jié)構(gòu)的改變，引起了吸收光譜和熒光光譜的變化，通過溶液顯著的顏色變化和熒光光譜的增強(qiáng)響應(yīng)，從而構(gòu)建一種比色和熒光增強(qiáng)檢測F-的分析方法。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Bruker ultraflexⅡ基質(zhì)輔助時間飛行質(zhì)譜(美國，Bruker)；BRUKER AV300 光譜儀(400 MHz)(美國，Bruker)；UV2450型紫外-可見分光光度計(日本，島津)；F4600-熒光分光光度計(日本，日立)。

1.2 熒光探針分子的合成

熒光探針的合成及識別F-機(jī)理如圖1所示?；衔?的合成參見文獻(xiàn)方法[12]。將29 mg化合物1(0.1 mmol)和6.6 mg丙二腈(0.1 mmol)溶于10 mL乙醇中，加入少量哌啶，室溫反應(yīng)30 min，二氯甲烷萃取，無水Na2SO4干燥，柱層析純化(石油醚∶乙酸乙酯=50∶1，V/V)得到產(chǎn)品14 mg，收率 42%。

圖1 探針1的合成及F-的識別機(jī)理Fig.1 Synthetic route for probe 1 and its F--selective signaling mechanism

1H NMR (300 MHz,CDCl3) δ 8.38 (s,1H),7.91 (d,J=9.0 Hz,1H),7.84 (d,J=8.1 Hz,1H)，7.72～7.56 (m,2H),7.47 (t,J=7.3 Hz,1H),7.14 (d,J=9.0 Hz,1H),1.04 (s,9H),0.31 (s,6H)。HRMS計算值:334.1501,測得值:334.1512.

1.3 光譜分析測試

2 結(jié)果與討論

2.1 紫外光譜研究

圖2 探針的乙腈溶液(10 μmol/L)與不同濃度F-反應(yīng)的紫外吸收光譜Fig.2 UV absorption spectra of probe (10 μmol/L) in the absence and presence of F- in CH3CN cF-(1-8):1,1.5,2,3,4,5,8,10 μmol/L,respectively.

圖3 探針的乙腈溶液(10 μmol/L)與不同陰離子(10 μmol/L)反應(yīng)的紫外吸收光譜Fig.3 UV absorption spectra for probe (10 μmol/L) with different anions(10 μmol/L) in CH3CN

2.2 熒光光譜研究

圖4 探針的乙腈溶液(10 μmol/L)與F-反應(yīng)的熒光光譜Fig.4 Fluorescence spectra of probe(10 μmol)with F- in CH3CN

圖5 探針的乙腈溶液(10 μmol/L)與各種陰離子(100 μmol/L)反應(yīng)的熒光光譜(λex=370 nm)Fig.5 Fluorescence spectra for probe (10 μmol/L) with various anions (100 μmol/L) in CH3CN(λex=370 nm)

2.3 定量分析

隨著F-的加入，熒光光譜中452 nm處出現(xiàn)一個顯著增強(qiáng)的熒光峰，當(dāng)加入10 μmol/L F-后，熒光強(qiáng)度可以恢復(fù)46倍，通過分析探針(10 μmol/L)與不同濃度F-(0～100 μmol/L)的熒光發(fā)射光譜的數(shù)據(jù)，以熒光強(qiáng)度(y)為縱坐標(biāo)，F(xiàn)-濃度(x)為橫坐標(biāo)作圖(圖略)，得到一條標(biāo)準(zhǔn)曲線，擬合后得到的線性方程為:y=37.3771x-39.3293(相關(guān)系數(shù)R=0.9916)。根據(jù)文獻(xiàn)報道的方法[13]，計算得到探針分子對F-的檢測限為0.52×10-6mol/L。

圖6 探針的乙腈溶液(10 μmol/L)及探針與F-溶液(10 μmol/L)反應(yīng)的熒光強(qiáng)度隨時間的變化情況(λex=370 nm)Fig.6 The fluorescence intensity of probe(10 μmol/L)and probe with F-(10 μmol/L)with the change of time in CH3CN(λex=370 nm)

2.4 響應(yīng)時間及穩(wěn)定性

為了評價探針的穩(wěn)定性以及探針對F-的檢測時效，進(jìn)行了相應(yīng)的動力學(xué)研究。如圖6所示，室溫下向探針(10 μmol/L)溶液中加入F-(10 μmol/L)后，二者迅速發(fā)生反應(yīng)，溶液的熒光強(qiáng)度隨反應(yīng)時間迅速升高，大約1 min即可達(dá)到平衡，而反應(yīng)生成的產(chǎn)物萘亞胺香豆素的熒光行為不會隨時間的變化而改變，熒光強(qiáng)度基本恒定，反應(yīng)產(chǎn)物可以穩(wěn)定存在。與此同時，單獨探針溶液(10 μmol/L)的熒光強(qiáng)度值在相同測試時間內(nèi)沒有變化，具有較好的穩(wěn)定性。動力學(xué)實驗研究證實，室溫下探針對F-具有快速響應(yīng)的識別特點。由于探針分子和反應(yīng)產(chǎn)物都具有良好的穩(wěn)定性，不會因長時間放置發(fā)生分解，因此不會對探針與F-之間的識別反應(yīng)產(chǎn)生影響。

3 結(jié)論

本文成功合成了一種以2-羥基-1萘甲醛為母體，基于誘導(dǎo)的Si-O鍵斷裂和成環(huán)反應(yīng)原理識別F-的熒光探針。該探針對F-表現(xiàn)出極高的選擇性和專一性。同時，探針對F-作用后有顯著的熒光增強(qiáng)響應(yīng)(46倍)，檢測限為0.52×10-6mol/L。此外，探針與F-作用后，溶液顏色由無色變?yōu)辄S色，清晰的顏色變化適用于裸眼觀測，雙模式的檢測方式使該探針在F-濃度的監(jiān)測方面具有潛在的應(yīng)用價值。