萘酰亞胺接枝殼聚糖Al3+熒光探針的合成及光譜性能研究

劉 靜, 談光華, 張 帆, 馬 靜， 王靜靜

(咸陽師范學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院, 陜西 咸陽 712000)

1 引 言

鋁是地殼含量最豐富的金屬元素，被廣泛應(yīng)用于航空、汽車等重工業(yè)，大量的使用同時(shí)也給環(huán)境和生物帶來巨大的危害。如果人體攝入過量Al3+，可引起大腦神經(jīng)的退化，記憶力衰退，甚至呈現(xiàn)老年性癡呆、肌萎縮型脊髓側(cè)索硬化以及貧血等癥狀[1-2]，此外對(duì)植物的細(xì)胞活動(dòng)、酶活性光合作用等生理活動(dòng)也會(huì)造成不良影響。因此，對(duì)鋁離子定量分析研究對(duì)于環(huán)境及生命科學(xué)都具有重大的意義。目前常用的測(cè)定方法有原子吸收、ICP-MS等,因其檢測(cè)成本高、費(fèi)時(shí)、樣品前處理復(fù)雜等缺點(diǎn)使其應(yīng)用受限。

近幾年，熒光探針因敏感性高、選擇性好、成本低、易于操作等優(yōu)勢(shì)成為檢測(cè)金屬離子的重要手段。與其他金屬如銅離子、汞離子相比，關(guān)于鋁離子的熒光探針報(bào)道相對(duì)較少。Wang等[3]報(bào)道了萘酰亞胺衍生物用于細(xì)胞滲透對(duì)Al3+識(shí)別；Yang[4]進(jìn)一步應(yīng)用該方法，實(shí)現(xiàn)了活細(xì)胞中同時(shí)對(duì)Al3+、Cr3+、Hg2+濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；Zhang等[5]以香豆素為母體合成的Al3+熒光傳感器，熒光強(qiáng)度大大提高；姜秀娟等[6]以2-羥基-1-萘甲醛和鄰苯二胺為原料，合成了在無水乙腈-水的混合溶液中快速有效地檢測(cè)Al3+的熒光探針。戴雪芹等[7]以2-羥基萘甲醛，苯甲酰，聯(lián)胺為原料，設(shè)計(jì)合成了一種用于檢測(cè)Al3+的熒光傳感器，但Cu2+和Fe3+會(huì)對(duì)檢測(cè)有明顯干擾，靈敏性有待提高。

1,8-萘酰亞胺類衍生物具有大的剛性結(jié)構(gòu)、較高的熒光量子產(chǎn)率及萘環(huán)反應(yīng)活性高且易被修飾等優(yōu)勢(shì)，常將其接枝不同的基團(tuán)用于熒光探針中[8-9]。殼聚糖是一種親水性、可降解性、再生性良好、易于進(jìn)行接枝和改性的天然高分子[10]。本文報(bào)道了萘酰亞胺接枝環(huán)境友好天然殼聚糖，利用鹽酸嗎啉胍的富電子性和配位性，合成應(yīng)用于環(huán)境中的Al3+檢測(cè)的熒光探針，以期提高熒光探針的靈敏度、選擇性。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 試劑與儀器

Specord 50 紫外分光光度計(jì)(德國Jena公司)；F-7000 熒光分光光度計(jì)(日本日立公司)；Nicoletis 50紅外光譜儀(美國熱電紅外儀)；核磁共振波譜儀(AV-400瑞士布魯克公司)。

4-溴-1,8-萘酐為阿拉丁試劑；殼聚糖、2-氯環(huán)丙烷、4-氨基苯酚、薄層色譜硅膠等均為分析純。鹽酸嗎啉胍(山西太原藥業(yè)有限公司，水中重結(jié)晶)。

2.2 熒光探針(NCFP)的合成

合成路線如圖1所示。

圖1 熒光探針的合成路線

將2.77 g(0.01 mol)4-溴-1,8-萘酐和少量無水乙醇置于裝有攪拌和冷凝管三頸瓶中，N2保護(hù)，加入1.09 g(0.01 mol)4-氨基苯酚，回流下反應(yīng)，TCL跟蹤反應(yīng)進(jìn)程。反應(yīng)結(jié)束后蒸出溶劑，加水析出灰色沉淀，水洗滌后乙醇重結(jié)晶，得暗灰色固體I，產(chǎn)率53%。

1H NMR (400 MHz, DMSO-d6)δ: 9.33 (s, 1H), 8.65-8.50 (m, 2H), 8.35 (d,J=7.5 Hz, 1H), 8.29 (d,J=7.7 Hz, 1H), 7.95 (t,J=7.7 Hz, 1H), 7.16 (d,J=7.5 Hz, 2H), 6.92 (d,J=7.5 Hz, 2H)。

IR(KBr)：3 458,3 055,2 908,2 849,1 640,1 573,1 435,1 348,1 242,781 cm-1。

將2.21 g(0.006 mol)化合物Ⅰ置于盛有40 mL乙二醇甲醚三頸瓶中，加入0.15 g(0.003 mol)NaOH和4.98 g(0.03 mol)KI作催化劑[11]，緩慢滴加0.65 g(0.007 mol)環(huán)氧氯丙烷的乙二醇甲醚溶液，60～65 ℃反應(yīng)，TCL跟蹤反應(yīng)進(jìn)程，反應(yīng)結(jié)束后，過濾，粗產(chǎn)品水洗后用無水乙醇重結(jié)晶，40 ℃真空干燥，得到橘紅色固體Ⅱ，產(chǎn)率37%。

1H NMR(400 MHz,DMSO-d6)δ: 8.64～8.50 (m, 2H), 8.33 (d,J=7.6 Hz, 1H), 8.27 (d,J=7.6 Hz, 1H), 7.93 (t,J=7.6 Hz, 1H), 7.13 (d,J=7.6 Hz, 2H), 6.87 (d,J=7.6 Hz, 2H), 4.13 (t,J=7.3 Hz, 2H), 3.09～3.04 (m, 1H), 2.43 (t,J=7.1 Hz, 2H)。

IR(KBr)：3 123,2 989,2 854,1 681,1 595,1 449,1 349,1 260,791 cm-1。

取0.15 g(0.000 4 mol)化合物Ⅱ于盛有無水乙醇的三頸瓶，緩慢滴加0.5 g(0.000 2 mol)鹽酸嗎啉胍水溶液，回流，TCL跟蹤反應(yīng)進(jìn)程，反應(yīng)結(jié)束后旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去溶劑，丙酮重結(jié)晶，干燥得橘紅色固體Ⅲ，產(chǎn)率32%。

1H NMR(400 MHz, DMSO-d6)δ: 8.86(s, 1H), 8.63～8.51 (m, 2H), 8.47 (s, 2H), 8.35(d,J=7.6 Hz, 1H), 8.29(d,J=7.7 Hz, 1H), 7.94 (t,J=7.6 Hz, 1H), 7.83 (s, 1H), 7.30 (s, 1H), 7.14 (d,J=7.5 Hz, 2H), 6.92 (d,J=7.5 Hz, 2H), 4.87 (s, 1H), 4.12 (t,J=7.3 Hz, 2H), 3.59(t,J=7.2 Hz, 4H),3.13～3.08 (m, 1H),2.67 (t,J=7.2 Hz, 4H), 2.43 (t,J=7.1 Hz, 2H)。

IR(KBr)：3 453,3 418,3 233,3 116,2 977,2 867,1 686,1 588,1 439,1 355,1 246,778 cm-1。

將0.15 g(0.000 3 mol)化合物Ⅲ置于盛有DMSO的三頸瓶中，N2保護(hù)下，緩慢滴加0.1 g殼聚糖(DMSO溶解)溶脹液，85 ℃下反應(yīng)，TCL跟蹤反應(yīng)進(jìn)程，待反應(yīng)結(jié)束，將淡橘黃色固體用氯仿經(jīng)索氏抽提[12]，粘稠液在真空下干燥，得到淡黃色的粉末，即萘酰亞胺接枝殼聚糖熒光探針(NCFP)，產(chǎn)率39%。

1H NMR(400 MHz, DMSO-d6)δ: 8.86 (s, 1H), 8.63～8.51 (m, 2H), 8.45 (s, 2H), 8.32(d,J=7.6 Hz, 1H),8.26 (d,J=7.8 Hz, 1H), 7.91 (t,J=7.8 Hz, 1H), 7.83(s, 1H), 7.72(s, 1H), 7.28(s, 1H), 7.11 (d,J=7.6 Hz, 2H), 6.87(d,J=7.6 Hz, 2H), 5.37～5.34(m, 4H), 4.85 (s, 1H), 4.25 (s, 1H), 4.10(t,J=7.2 Hz, 2H), 4.05～3.96(m, 1H), 3.59 (t,J=7.1 Hz, 4H), 3.50～3.44 (m, 5H), 2.67 (t,J=7.1 Hz, 4H), 2.59～2.52 (m, 1H), 2.40(t,J=7.0 Hz, 2H), 1.44～1.36 (m, 3H)。

IR(KBr):3 510,3 382,2 983,2 876,1 691,1 596,1 147,1 109,1 254,779 cm-1。

3 結(jié)果與討論

3.1 熒光探針的光化學(xué)性能分析

實(shí)驗(yàn)考察了分別用乙醇、DMF、水、氯仿、丙酮、2%HAc水溶液，配制濃度為2×10-5mol/L的NCFP溶液并測(cè)對(duì)應(yīng)的光化學(xué)性質(zhì)(Ex=Em=5 nm)。

表1熒光探針在不同溶劑中的光化學(xué)性質(zhì)測(cè)試結(jié)果

Tab.1 Photochemical data of the fluorescent probe in different solvent

熒光量子產(chǎn)率(ΦF)和熒光能量產(chǎn)率(EF)表征物質(zhì)對(duì)光吸收和發(fā)射熒光的能力[13]。ΦF計(jì)算可通過比較硫酸奎寧(ΦF=0.55)的熒光光譜得到，其大小直接體現(xiàn)了熒光物質(zhì)熒光發(fā)射能力;EF數(shù)值越大，說明躍遷過程中損失的能量越小。

3.2 NCFP對(duì)常見金屬離子的選擇性識(shí)別和競(jìng)爭(zhēng)實(shí)驗(yàn)

為了確定NCFP對(duì)金屬離子的識(shí)別性能，在2×10-5mol/L的NCFP(2%HAc)溶液中，測(cè)定分別加入等體積、等濃度常見金屬離子(K+,Fe3+, Co2+,Cd2+,Hg2+,Cu2+,Ca2+,Cr3+,Pb2+,Zn2+,Ag+,Al3+)時(shí)的熒光強(qiáng)度。進(jìn)一步通過測(cè)定上述溶液中分別等當(dāng)量數(shù)的響應(yīng)離子時(shí)熒光強(qiáng)度變化，考察其他共存金屬離子對(duì)響應(yīng)離子的干擾[15]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 (a)NCFP對(duì)金屬離子的響應(yīng)；(b)Al3+與其他金屬離子共存時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)試驗(yàn)。

Fig.2 (a) Fluorescence response of NCFP to different metal ions. (b) Effects on the fluorescent intensity of the probe coexistence with Al3+and other metal ions.

由圖2(a)可知，未加金屬離子前, NCFP本身熒光很弱，分別加入?yún)⑴c檢測(cè)的金屬離子K+、Fe3+、Co2+、Cd2+、Hg2+、Cu2+、Ca2+、Cr3+、Pb2+、Zn2+、Ag+，均對(duì)其熒光強(qiáng)度沒有顯著影響。而Al3+加入后，在392 nm處熒光發(fā)射明顯增強(qiáng)，遠(yuǎn)高于其他金屬離子3～4倍?？梢姾铣傻腘CFP 能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)Al3+的選擇性識(shí)別。從圖2(b)可以看出，在16 μmol/L其他金屬離子存在條件下，再加入等當(dāng)量數(shù)的Al3+，也會(huì)引起熒光強(qiáng)烈增強(qiáng)。這表明合成的探針NCFP對(duì)Al3+有專一的選擇性，其他金屬離子的存在不會(huì)影響Al3+的檢測(cè)和識(shí)別。

3.3 溫度、光照、pH值對(duì)NCFP-Al3+ 響應(yīng)的影響

實(shí)驗(yàn)考查了溫度、光照、不同pH值等因素對(duì)NCFP-Al3+熒光強(qiáng)度的影響。

由圖3(a)、(b)可知，隨著溫度的升高和光照的進(jìn)行，NCFP對(duì)Al3+的響應(yīng)值呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但下降幅度較小，分別約為-0.73/℃、-0.35/min。由于1.8萘酰亞胺熒光基團(tuán)分子被牢牢地固定在殼聚糖殼大分子鏈上， 使其剛性平面不易隨著溫度和光照進(jìn)行而發(fā)生化學(xué)鍵旋轉(zhuǎn)，可見合成探針表現(xiàn)出良好的耐光、耐熱性能。由圖3(c)可知，在 pH值為1～5范圍內(nèi)，NCFP對(duì)Al3+的響應(yīng)值穩(wěn)定在最高值；隨著pH值繼續(xù)增大，NCFP對(duì)Al3+的響應(yīng)值表現(xiàn)出急劇下降趨勢(shì)。強(qiáng)堿介質(zhì)在 pH 值9～12范圍內(nèi)，響應(yīng)值較之前下降近3倍。這是因?yàn)橐环矫婧铣傻腘CFP是以天然高分子殼聚糖為基體，易溶于酸性介質(zhì)；另一方面當(dāng)體系pH>9時(shí)，鄰近萘酐的嗎啉胍上氨基去質(zhì)子化作用，將孤對(duì)電子傳遞給激發(fā)態(tài)的熒光團(tuán)，減弱向Al3+提供孤對(duì)電子，表現(xiàn)為熒光強(qiáng)度降低。故在中性及堿性介質(zhì)中，NCFP對(duì)Al3+的響應(yīng)值很低。實(shí)驗(yàn)選擇室溫，pH=3～5(2%HAc配制所需溶液)。

圖3 溫度(a)、光照(b)、pH值(c)對(duì)NCFP-Al3+熒光強(qiáng)度的影響。

Fig.3 Effects of temperature(a), illumination(b) and pH (c) on fluorescent intensity of NCFP.

3.4 Al3+濃度對(duì)NCFP體系熒光強(qiáng)度的影響

實(shí)驗(yàn)考查在0～281.82 μmol/L之間，不同 Al3+濃度對(duì)NCFP熒光強(qiáng)度的影響。

由圖4(a)可知：在392 nm處，隨著Al3+濃度的增加，NCFP的熒光強(qiáng)度不斷增加。Al3+濃度在29.90～253.41 μmol/L范圍內(nèi)，以Al3+濃度為橫坐標(biāo)，NCFP的熒光強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，作圖發(fā)現(xiàn)NCFP熒光強(qiáng)度與Al3+濃度呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系(圖4(b))；相關(guān)系數(shù)R2=0.997 9；用 3 倍于 10 次測(cè)定空白溶液的標(biāo)準(zhǔn)偏差來計(jì)算，檢出限達(dá)到4.279 μmol/L。

圖4 (a) Al3+濃度對(duì)NCFP熒光強(qiáng)度的影響；(b) 探針熒光強(qiáng)度隨 Al3+濃度(29.90～253.41 μmol/L)變化的線性關(guān)系圖。

Fig.4 (a) Effects of Al3+concentration on the fluorescent intensity of NCFP. (b) Fluorescent intensity of the probe as a function of concentration of Al3+(29.90-253.41 μmol/L).

3.5 NCFP與Al3+的結(jié)合模式及響應(yīng)機(jī)理推測(cè)

根據(jù)Job法，將NCFP和Al3+總濃度保持為10 μmol/L，改變 Al3+的摩爾分?jǐn)?shù)從0.1～1.0，測(cè)其熒光強(qiáng)度，繪制(I-I0)/I0-x曲線。

由圖5明顯看出,改變 Al3+的摩爾分?jǐn)?shù)，探針在最大發(fā)射波長處的熒光強(qiáng)度隨之變化。當(dāng)Al3+的摩爾分?jǐn)?shù)為 0.5時(shí),NCFP和 Al3+絡(luò)合物在392 nm處出現(xiàn)最大的熒光發(fā)射,表明NCFP與 Al3+以 1∶1絡(luò)合。

圖5 NCFP與Al3+的絡(luò)合曲線，I0為空白探針的熒光強(qiáng)度，I為不同Al3 +摩爾分?jǐn)?shù)下探針的熒光強(qiáng)度。

Fig.5 Job’s plot of NCFP and Al3 +.I0is the fluorescent intensity of the blank probe,Iis fluorescent intensity of the probe under different Al3+mole fraction.

基于光致電子轉(zhuǎn)移(PET)原理[16]，當(dāng)探針中1，8-萘酰亞胺熒光團(tuán)電子受到激發(fā)光的輻射后，由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，鄰近的富電子體嗎啉胍上氨基將孤對(duì)電子通過分子內(nèi)電子轉(zhuǎn)移方式，傳遞給激發(fā)態(tài)的熒光團(tuán)，使原激發(fā)態(tài)分子能量降低，整體表現(xiàn)為熒光強(qiáng)度降低或猝滅。當(dāng)探針分子遇到Al3+時(shí)，嗎啉胍將孤對(duì)電子進(jìn)入Al3+的空p軌道進(jìn)行配位，形成單中心三配位六元環(huán)的配合物，孤對(duì)電子不再轉(zhuǎn)移至激發(fā)態(tài)熒光團(tuán)，使熒光團(tuán)激發(fā)態(tài)電子可以通過輻射躍遷回到基態(tài)，熒光恢復(fù)(圖6)，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬離子的選擇性結(jié)合。

圖6 熒光探針對(duì)Al3+的響應(yīng)機(jī)理

4 結(jié) 論

通過亞酰胺化、縮合等反應(yīng)，合成了一種萘酰亞胺接枝殼聚糖的增強(qiáng)型熒光探針，在392 nm處，可以高選擇性識(shí)別Al3+，且探針與Al3+以1∶1方式結(jié)合，常見的共存金屬離子沒有干擾。在29.90～253.41 μmol/L Al3+濃度范圍內(nèi)，探針的熒光強(qiáng)度與 Al3+濃度有良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2=0.997 9，Al3+的最低檢出限達(dá)4.279 μmol/L，探針 NCFP 表現(xiàn)出較明顯的光譜響應(yīng)。接枝上生物相容性好的殼聚糖的熒光探針，有望用于環(huán)境中Al3+的檢測(cè)。

參考文獻(xiàn)：

[1] MOORE P B, DAY J P, TAYLOR G A,etal.. Absorption of aluminium-26 in Alzheimer’s disease, measured using accelerator mass spectrometry [J].Dement.Geriat.Cogn.Disord., 2000, 11(2):66-69．

[2] CAMPBELL A, HAMAI D， BONDY S C． Differential toxicity of aluminum salts in human cell lines of neural origin: implications for neurodegeneration [J].Neurotoxicology, 2001, 22(1):63-71．

[3] WANG L N, QIN W W, TANG X L,etal.. A selective, cell-permeable fluorescent probe for Al3+in living cells [J].Org.Biomol.Chem., 2010,(8):3751-3757.

[4] YANG Y, YAN F, WANG Y Z,etal.. A novel ratiometric fluorescent probe for selective detection of Hg2+, Cr3+and Al3+and its bioimaging application in living cells [J].Sens.ActuatorsB:Chem., 2017, 253:1055-1062.

[5] ZHANG Y G, SHI Z H, YANG L Z,etal.. A facile fluorescent probe based on coumarin-derived Schiff base for Al3+in aqueous media [J].Inorg.Chem.Commun., 2014, 39:86-89.

[6] 姜秀娟, 朱榮貴, 王秀峰, 等. Al3+熒光探針的合成及識(shí)別性能研究 [J]. 化學(xué)試劑, 2017, 39(6):643-646.

JIANG X J, ZHU R G, WANG S F,etal.. Synthesis and recognition properties of a fluorescence sensor for Al3+based on naphthalene [J].Chem.Reagent, 2017, 39(6):643-646. (in Chinese)

[7] 戴雪芹, 胡琴, 何友文, 等. 一種席夫堿型Al3+熒光傳感器的合成與研究 [J]. 江西化工, 2016(5):59-62.

DAI X Q, HU Q, HE Y W,etal.. Synthesis and research on a schiff base fluorescent sensors for Al3+[J].JiangxiChem., 2016(5):59-62. (in Chinese)

[8] STANEVA D, GRABCHEV I, SOUMILLION J P,etal.. A new fluorosensor based on bis-1,8-naphthalimide for metal cations and protons [J].J.Photochem.Photobio., A:Chem., 2007, 189:192-197.

[9] GRABCHEV I, CHOVELON J M. New blue fluorescent sensors for metal cations and protons based on 1,8-naphthalimide [J].DyesPigment., 2008, 77:1-6.

[10] GUIBAL E. Interactions of metal ions with chitosan-based sorbents [J].Separat.Purif.Technol., 2004, 38(1):43-74 .

[11] GUAN X L, LIU X Y, SU Z X. Preparation and photophysical behaviors of fluorescent chitosan bearing fluorescein: potential biomaterial as temperature/pH probes [J].J.Appl.Polym.Sci., 2007, 104:3960-3966.

[12] MAO J, WANG L, DOU W,etal.. Tuning the selectivity of two chemosensors to Fe(Ⅲ) and Cr(Ⅲ) [J].Org.Lett., 2007, 9(22):4567-4570.

[13] BOJINOV V B，KONSTANTINOVA T N． Fluorescent 4-(2,2,6,6-tetramethylpiperidine-4-ylamino)-1,8-naphthalimide pH chemosensor based on photoinduced electron transfer [J].Sens.ActuatorsB, 2007, 123(2):869-876．

[14] CHOVELON J M, GRABCHEV I. A novel fluorescent sensor for metal cations and protons based of bis-1,8-naphthalimide [J].Spectrochem.ActaPart A, 2007, 67:87-91.

[15] 趙秀文, 張亞男, 何廣杰, 等. 基于香豆酰肼的高選擇性的銅離子熒光探針 [J]. 發(fā)光學(xué)報(bào), 2010, 31(3): 433-438.

ZHAO X W， ZHANG Y N， HE G J,etal.. Highly sensitive fluorescent coumarin-based probes for selective detection of copper ion [J].Chin.J.Lumin., 2010, 31(3):433-438. (in Chinese)

[16] 吳世康. 熒光化學(xué)傳感器研究中的光化學(xué)與光物理問題 [J]. 化學(xué)進(jìn)展, 2004, 16(2):174-183.

WU S K. Some photo-chemical and photo-physical problems in fluorescent chemical sensor study [J].Prog.Chem., 2004, 16(2):174-183. (in Chinese)

劉靜(1962-)，女，陜西西安人，博士，教授，陜西理工大學(xué)兼職碩士生導(dǎo)師，2011年于陜西科技大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事功能高分子材料的合成與光分析的研究。

E-mail: liujing163@163.com