羅丹明甲醛酰肼類Cu2+和Hg2+雙識別熒光探針

袁躍華，朱永軍，王海雁，田茂忠，馮 鋒

（山西大同大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，山西大同037009）

羅丹明甲醛酰肼類Cu2+和Hg2+雙識別熒光探針

袁躍華，朱永軍，王海雁，田茂忠，馮 鋒

（山西大同大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，山西大同037009）

設(shè)計合成了一種對Cu2+和Hg2+具有雙識別功能的熒光增強型分子探針3',6'-雙(二乙氨基)-2-(亞甲氨基)螺[異吲哚-1,9'-氧雜蒽]-3-酮，并用核磁和質(zhì)譜對其結(jié)構(gòu)進行了表征，同時對目標(biāo)熒光探針進行了熒光光譜性能測試。研究表明：探針溶液本身熒光很弱，在乙醇∕水（V∕V，1∶1）體系中與Hg2+作用后熒光顯著增強，但在乙腈∕水V∕V，1∶1）體系中Cu2+會誘導(dǎo)其熒光顯著增強，由此建立了基于一種探針對Cu2+和Hg2+測定的新方法。Cu2+濃度在1.83×10-7～3.58×10-6mol∕L范圍內(nèi)，Hg2+濃度在1.18×10-7～5.05×10-6mol∕L范圍內(nèi)，探針的熒光強度均與之呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。

羅丹明；Cu2+；Hg2+；熒光增強型探針

對于多數(shù)生物體來說銅是一種營養(yǎng)必需的微量金屬元素，是人體中含量位居第3的過渡金屬元素[1]。像鐵和鋅一樣，體內(nèi)Cu2+的含量出現(xiàn)異常也會導(dǎo)致疾病甚至死亡，如阿爾茨海默疾病、肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥、帕金森疾病、威爾遜疾病等神經(jīng)退行性疾病[2]。在生理學(xué)方面，與Cu2+相比Hg2+是毒性非常大的一種重金屬離子，它主要對中樞神經(jīng)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)等造成明顯的傷害。富集在空氣、水和土壤中的Hg2+很容易通過皮膚、呼吸道和食物鏈進入人體并蓄積從而影響人的健康[3]。因此，可以靈敏、準(zhǔn)確檢測Cu2+和Hg2+的濃度具有很重要的意義。

一些傳統(tǒng)的分析測試方法（如原子吸收∕發(fā)射光譜和電感耦合等離子體質(zhì)譜）有高的靈敏度和準(zhǔn)確度，但是需要復(fù)雜昂貴的儀器、懂得專門技術(shù)的操作人員和繁瑣的樣品預(yù)處理，不能實現(xiàn)實時、在線檢測樣品，限制了其實際應(yīng)用，因此，人們設(shè)計開發(fā)檢測Cu2+和Hg2+的其它分析方法以便更好地解決以上問題，如熒光分析法等。目前，基于金屬離子誘導(dǎo)熒光性能變化的光化學(xué)傳感器已有大量報道[4-5]。由于羅丹明染料具有摩爾消光系數(shù)大、熒光量子產(chǎn)率高、吸收和發(fā)射波長大（在可見區(qū)）等優(yōu)異的光物理性能，故羅丹明類Cu2+離子和Hg2+離子熒光探針已引起很多人的關(guān)注[6-7]。這些羅丹明基熒光探針是沒有熒光和無色的，而金屬離子選擇性誘導(dǎo)羅丹明探針分子的螺酰胺環(huán)開環(huán)引發(fā)探針分子結(jié)構(gòu)變化，顯示紫紅色并產(chǎn)生桔紅色熒光。到目前為止，一種羅丹明熒光探針可以檢測Cu2+和Hg2+2種金屬離子的報道較少[8-13]。我們設(shè)計合成了一個新型羅丹明類Cu2+和Hg2+熒光增強型雙識別分子探針RNM，通過熒光光譜研究了它對Cu2+和Hg2+的熒光識別性能，其合成路線如圖1。

圖1 化合物RNM的合成

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

核磁共振儀（瑞士Bruker公司，DRX-300型）；質(zhì)譜儀（美國Varian公司，Saturn 2200∕2100型）；熒光分光光度計（美國Perkin Elmer公司，LS-55型）；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（德國IKA公司，RE200型）；循環(huán)水式真空泵（鞏義市予華儀器有限公司，SHZ-D型）；磁力加熱攪拌器（江蘇省金壇市醫(yī)療儀器廠，DF-Ⅱ型）。

實驗所用試劑均未經(jīng)純化（市售分析純），水是二次蒸餾水。柱層析硅膠從青島Makall公司購買。利用乙腈配制熒光探針RNM儲備液，其濃度為5.0×10-3mol∕L。利用硝酸鹽配制金屬離子儲備液，其濃度均為5×10-2mol∕L的溶液。

1.2 探針RNM的合成

按照文獻(xiàn)[13]合成中間體RN。往100 mL的單口燒瓶中依次加入1.0 g化合物RN，50 mL乙醇和4.0 mL甲醛水溶液（40%），然后在氮氣保護下，升溫到50℃攪拌反應(yīng)1 h，用乙酸乙酯萃取粗產(chǎn)品后經(jīng)減壓旋轉(zhuǎn)蒸去大部分溶劑。最后用硅膠柱色譜分離粗產(chǎn)品（V石油醚（bp60～90°C）:V乙酸乙酯=5:1）,得到913.9 mg的白色固體RNM（89.1%）。1H NMR(300 MHz CDCl3)δ7.91(d,J=7.6 Hz,1H),7.46～ 7.49(m,2H),7.05(d,J=7.6 Hz,1H),6.48～6.52(m,4H),6.25(s,2H),3.68(s,2H),3.37(q,J=7.2 Hz,8H),1.13(t,J=7.2 Hz,12H)。MS positive:m ∕z[M+H]+=469.2。

1.3 熒光探針的性能測定

向5 mL容量瓶中加入2.5 mL乙腈（或乙醇）溶劑后,再加入適量RNM儲備溶液,然后依次加入一定量的金屬離子儲備溶液,用二次蒸餾水定容至5 mL,充分搖勻后放置1.5 h測試其熒光光譜。將準(zhǔn)備好的測試樣品加入1 cm石英池中，在熒光分光光度計上記錄520～700 nm波長范圍內(nèi)的熒光發(fā)射光譜，激發(fā)波長為510 nm。

2 結(jié)果與討論

2.1 熒光探針RNM對金屬離子的選擇性

通過熒光光譜分別在乙腈∕水(1∕1，V/V)和乙醇∕水(1∕1，V∕V)溶液中檢測了熒光探針RNM對堿金屬和堿土金屬離子（Na+，K+，Mg2+,Ca2+，Ba2+）,過渡金屬離子（Fe3+，Co2+，Ni2+，Hg2+,Cr3+，Ag+，Zn2+，Cu2+,Cd2+，Pb2+，Mn2+）的選擇性識別。結(jié)果表明，在乙腈∕水溶液中，熒光探針RNM更有利于檢測Cu2+，如圖1（a），Cu2+可以引起RNM熒光光譜更明顯變化，熒光強度增加最大，Hg2+也可以誘導(dǎo)探針RNM的熒光強度稍微增加，但遠(yuǎn)沒有Cu2+誘導(dǎo)其熒光強度變化大。如圖1（b）所示，在乙醇∕水(1 ∕1，V∕V)溶液中，Hg2+可以引起探針RNM最大的熒光強度變化，但探針RNM對其他金屬離子均沒有產(chǎn)生強的識別響應(yīng)熒光信號，這表明探針RNM對Cu2+與Hg2+在不同的體系中具有較高的選擇性識別能力。

圖1 在乙腈/水中探針RNM對金屬離子的熒光選擇性

2.2 熒光分子探針RNM對Cu2+與Hg2+的熒光傳感

在乙腈∕水(1∕1，V∕V)溶液中，不同濃度的Cu2+對探針RNM熒光光譜的影響如圖2（a）所示，不同濃度的Hg2+對探針RNM熒光光譜的影響如圖2（b）所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，不加Cu2+和Hg2+時，RNM（1 μ mol∕L）的熒光很弱，探針RNM此時主要以螺酰胺環(huán)閉合的結(jié)構(gòu)形式存在。隨著加入Cu2+或Hg2+的濃度逐漸增大，分別在565 nm(Cu2+)和571 nm（Hg2+）處的熒光強度大幅度增加，加入Cu2+能使探針熒光強度增大約435倍，加入Hg2+能使探針熒光強度增大約441倍，證明羅丹明類熒光分子探針的螺酰胺環(huán)由于Cu2+或Hg2+刺激明顯發(fā)生了開環(huán)，然后探針分子的共軛程度變大[6]，因此，探針溶液的顏色從無色變?yōu)樽霞t色，用“裸眼”就可以很容易定性分辨出溶液中是否含有Cu2+或Hg2+。在365 nm的紫外燈光照射下，Cu2+或Hg2+都可以引起溶液熒光從無色變?yōu)榻奂t色。在一定的濃度范圍內(nèi)，Cu2+的濃度（1.83×10-7～ 3.58×10-6mol∕L）或者Hg2+的濃度（1.18×10-7～5.05×10-6mol∕L）都與其相對熒光強度呈良好的線性關(guān)系。證明在這些濃度范圍內(nèi)，探針RNM可以在不同的溶劑體系中定量檢測Cu2+或Hg2+。

圖2 不同Cu2+和Hg2+濃度下的探針RNM(1μM)的熒光光譜

總之,我們合成的含有甲酰基的羅丹明Cu2+和Hg2+雙識別熒光分子探針RNM，可以在乙腈∕水(1∕1，V∕V)溶液中選擇性識別Cu2+，在乙醇∕水(1 ∕1，V∕V)溶液中選擇性識別Hg2+，且其熒光強度明顯增強。探針RNM的大幅度熒光增強是由于Cu2+或Hg2+離子誘導(dǎo)羅丹明基熒光分子探針發(fā)生螺酰胺環(huán)開環(huán)，形成共軛體系較大的分子。

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〔責(zé)任編輯 楊德兵〕

Recognition of Cu2+and Hg2+by a Rhodamine Formaldehyde Acylhydrazine Based Dual Channel Fluorescence Probe

YUAN Yue-hua，Zhu Yong-jun，WANG Hai-yan,TIAN Mao-zhong,FENG Feng
(School of Chemistry and Chemical Engineering,Shanxi Datong University,Datong Shanxi,037009)

In this paper,a fluorescence enhancement probe，3',6'-bis(diethylamino)-2-(methyleneamino)spiro[isoindoline-1,9'-xanthen]-3-one(RNM),for the recognition of Cu2+and Hg2+has been synthesized.Its structure was characterized by NMR and mass spectrometry.The fluorescence properties of the probe was tested by fluorescence spectra.The results showed that the fluorescence in?tensity of the free probe in the solution is very weak.However,Hg2+induced fluorescence significantly enhancement in ethanol∕water(V∕V,1:1)solution.Cu2+irritated the fluorescence enhancement in acetonitrile∕water(V∕V,1:1).Thus a new method for the detection of Cu2+and Hg2+by a rhodamine-based probe was established.The fluorescence intensity of the probe showed a good linear relation?ship with the concentration of Cu2+(from 1.83×10-7to 3.58×10-6mol∕L)and the concentration of Hg2+(from 1.18×10-7to 5.05×10-6mol∕L).

rhodamine;cu2+;hg2+;fluorescent enhancement probe

O657.34

A

1674-0874(2017)05-0034-04

2017-08-08

國家自然科學(xué)基金項目[21175085；21375083]；大同市基礎(chǔ)研究計劃項目[2017126]

袁躍華（1966-），女，江蘇丹陽人，碩士，副教授，研究分向：熒光探針的合成與性能研究。