羅丹明席夫堿熒光探針的合成及在Cu2+和Fe3+檢測(cè)中的應(yīng)用

郭振麗，楊 楊，劉景林，許 良

（內(nèi)蒙古民族大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院 內(nèi)蒙古自治區(qū)天然產(chǎn)物化學(xué)及功能分子合成重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 通遼 028000）

Fe 和Cu 是構(gòu)成蛋白、細(xì)胞色素和多種酶的基本元素，在新陳代謝中起著重要的作用［1］。這些離子的失衡會(huì)對(duì)人體健康造成很大的威脅，可導(dǎo)致各種嚴(yán)重的病變。Cu 的攝取異常會(huì)導(dǎo)致代謝紊亂和神經(jīng)退行性疾病，如威爾遜病、帕金森病、阿爾茨海默癥以及門(mén)克斯綜合癥［2］。Fe 的缺乏會(huì)引起貧血、肝腎損害、心力衰竭和糖尿病等；而Fe 含量超標(biāo)會(huì)導(dǎo)致組織炎癥、多器官的損傷［3］。雖然現(xiàn)代儀器分析手段可以很成熟地檢測(cè)環(huán)境中的金屬離子，但由于試樣處理步驟復(fù)雜繁瑣，不利于生物試樣中金屬離子的實(shí)時(shí)檢測(cè)。熒光探針技術(shù)以其簡(jiǎn)便、高效的特點(diǎn)在離子檢測(cè)中具有明顯的優(yōu)勢(shì)，而根據(jù)羅丹明母體設(shè)計(jì)的離子型熒光探針?lè)肿釉诨瘜W(xué)分析和生命科學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［4-6］。本課題組曾設(shè)計(jì)合成了多種羅丹明類(lèi)熒光探針?lè)肿?，?shí)現(xiàn)了對(duì)Fe3+，Cu2+，Hg2+的高靈敏度識(shí)別和熒光響應(yīng)［7-8］。

本工作將羅丹明酰肼與對(duì)溴苯甲醛進(jìn)行縮合反應(yīng)，得到羅丹明席夫堿探針?lè)肿樱≧Br），通過(guò)單晶衍射和核磁共振波譜對(duì)它的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，在體積比為1∶1 的乙腈/水溶液中，RBr 對(duì)Cu2+和Fe3+顯示出較強(qiáng)的吸收和熒光識(shí)別特性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑

羅丹明B、金屬硝酸鹽（Fe3+，Co2+，Ni2+，Cu2+，Zn2+，Cd2+，Hg2+，Pb2+，Ag+）、硫酸亞鐵銨：分析純，天津天力化學(xué)試劑公司；對(duì)溴苯甲醛：分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；80%（w）水合肼溶液：上海薩恩化學(xué)技術(shù)有限公司；乙腈：色譜純，上海國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；實(shí)驗(yàn)用水為蒸餾水：北京屈臣氏食品飲料公司。羅丹明酰肼按照文獻(xiàn)［9］的方法合成。

1.2 主要儀器

BRUKER AV-500M 型核磁共振波譜儀、BRUKER Smart CCD Apex-Ⅱ型單晶X 射線(xiàn)衍射儀：德國(guó)布魯克公司；SHIMADZU IRTracer-100型紅外光譜儀：日本島津公司；JASCO FP-6500型熒光分光光度計(jì)：日本佳司科公司；普析TU-1901 型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)：北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；2F-20D 型暗箱式紫外分析儀：鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司。

1.3 RBr 的合成與表征

稱(chēng)取羅丹明酰肼（0.684 0 g，1.5 mmol）和對(duì)溴苯甲醛（0.277 5 g，1.5 mmol），溶解于50 mL 無(wú)水乙醇中，加熱回流12 h。反應(yīng)結(jié)束后，冷卻至室溫，將反應(yīng)液倒入飽和食鹽水中，經(jīng)二氯甲烷萃取、干燥、濃縮后，用石油醚/乙酸乙酯柱層析分離提純，得到白色粉末狀的固體RBr，產(chǎn)率為74%。合成路線(xiàn)見(jiàn)式（1）。1H NMR（500 MHz，CDCl3）：δ為8.69（s，1H），8.01（d，J=7.1 Hz，1H），7.60～7.46（m，2H），7.45～7.34（m，4H），7.15（d，J=7.2 Hz，1H），6.53（d，J=8.8 Hz，2H），6.46（d，J=2.0 Hz，2H），6.26（d，J=8.8，1.9 Hz，2H），3.34（q，J=7.0 Hz，8H），1.17（t，J=7.0 Hz，12H）。13C NMR（125 MHz，CDCl3）：δ為164.96，153.20，151.59，148.93，145.93，134.43，133.42，131.44，129.38，128.86，128.34，128.01，123.93，123.70，123.38，107.97，106.01，97.83，66.12，44.32，12.61。IR（KBr）：ν=2 966，1 701，1 616，1 514，1 427，1 309，1 220，1 120，1 008，817 cm-1。單晶X 射線(xiàn)衍射經(jīng)驗(yàn)分子式：C35H35BrN4O2。

2 結(jié)果與討論

2.1 RBr 溶液的配制及測(cè)試條件

稱(chēng)取RBr 0.006 g，用乙腈配制成1×10-3moL/L 的儲(chǔ)備液。測(cè)試前再將儲(chǔ)備液用乙腈/水（體積比為1∶1）溶液稀釋為1×10-5mol/L。分別配制1×10-2mol/L 的Fe2+，F(xiàn)e3+，Co2+，Ni2+，Cu2+，Zn2+，Cd2+，Hg2+，Pb2+，Ag+待測(cè)溶液。為確定RBr 與Cu2+和Fe3+結(jié)合的最佳檢測(cè)時(shí)間，進(jìn)行了光譜時(shí)間掃描，發(fā)現(xiàn)RBr 溶液在15 min 后光譜強(qiáng)度基本不變。因此，選擇性和滴定測(cè)試均在混合15 min 后進(jìn)行。

2.2 RBr 對(duì)離子的選擇性

RBr 加入不同離子后的吸收和熒光光譜變化見(jiàn)圖1。由圖1 可知，在RBr 溶液中分別加入上述待測(cè)金屬離子后，RBr 分子對(duì)大部分離子無(wú)識(shí)別，吸收光譜或熒光發(fā)射變化不明顯。當(dāng)加入Cu2+后RBr 溶液由無(wú)色變?yōu)樽仙?60 nm 處出現(xiàn)最大吸收峰；而加入Fe3+后探針溶液變?yōu)榉奂t色，紫外光激發(fā)下溶液出現(xiàn)紅色熒光。RBr 溶液的最大吸收峰為565 nm，熒光發(fā)射峰為578 nm，其他離子加入受均無(wú)明顯變化。

為了考察RBr 在復(fù)雜條件下對(duì)Cu2+和Fe3+的識(shí)別能力，加入干擾離子和待測(cè)Cu2+和Fe3+前后，測(cè)定多種離子共存時(shí)的光譜強(qiáng)度變化，結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2a 可知，在共存離子中加入Cu2+后，探針的最大吸收峰強(qiáng)度迅速增強(qiáng)，說(shuō)明其他共存離子對(duì)Cu2+的識(shí)別干擾較小。由圖2b 可知，加入Fe3+前后，探針溶液的熒光發(fā)射強(qiáng)度均增強(qiáng)，尤其是Fe3+與Hg2+共存時(shí)，熒光強(qiáng)度為單獨(dú)加入Fe3+時(shí)強(qiáng)度的2 倍，這說(shuō)明探針對(duì)Fe3+熒光選擇性較高。

圖1 RBr 加入不同離子后的吸收光譜（a）、熒光光譜（b）和溶液顏色（c）變化Fig.1 Absorption(a)，fluorescence(b) and color(c) changes of RBr added with various cations.

圖2 RBr 中加入Cu2+（a）或Fe3+（b）及共存離子的光譜變化Fig.2 Spectral changes of RBr added with Cu2+(a)，F(xiàn)e3+(b) and co-existing ions.

2.3 RBr 光譜滴定實(shí)驗(yàn)

為了研究RBr與Cu2+或Fe3+結(jié)合的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，進(jìn)行了吸光度滴定和熒光滴定實(shí)驗(yàn)。RBr 與Cu2+或Fe3+的滴定關(guān)系見(jiàn)圖3。由圖3a 可知，隨著Cu2+濃度的增大，探針在559 nm 處的吸收強(qiáng)度增強(qiáng)，當(dāng)溶液中Cu2+濃度達(dá)到8.2×10-6mol/L 時(shí)，吸收強(qiáng)度達(dá)到峰值。Cu2+濃度為1×10-6～8.2×10-6mol/L時(shí)，與吸收強(qiáng)度呈線(xiàn)性關(guān)系（y=0.006 4x+0.008 4，R2=0.996 1）。由圖3b 可知，隨著Fe3+濃度的增大，584 nm 處的熒光強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，F(xiàn)e3+濃度在1×10-6～8.2×10-6mol/L 時(shí)，與熒光強(qiáng)度呈較好的線(xiàn)性關(guān)系（y=54.607x-44.136，R2=0.994 5）。

圖3 RBr 與Cu2+（a）或Fe3+（b）的熒光光譜滴定關(guān)系Fig.3 Spectral titration of RBr with increasing concentrations of Cu2+(a) and Fe3+(b).

2.4 RBr 對(duì)Cu2+或Fe3+的識(shí)別機(jī)理

按照J(rèn)ob’s Plot 法［10］，確定了探針與Cu2+和Fe3+之間的配位關(guān)系，結(jié)果見(jiàn)圖4。將RBr 和金屬離子的總濃度保持在1×10-4mol/L，逐漸增大金屬離子的濃度，測(cè)定最大吸收和發(fā)射峰值。由圖4可知，當(dāng)溶液中Cu2+的濃度與總物質(zhì)的濃度之比為0.5 時(shí)，RBr 與Cu2+的絡(luò)合物出現(xiàn)了最大吸光度值，這表明RBr 與Cu2+以1∶1 濃度比絡(luò)合。同樣，F(xiàn)e3+的濃度與總物質(zhì)的濃度之比為0.5 時(shí)，熒光發(fā)射強(qiáng)度出現(xiàn)最大值，絡(luò)合濃度比也為1∶1。

圖4 RBr 與Cu2+（a）或Fe3+（b）的配位關(guān)系Fig.4 Complexation between RBr-Cu2+(a) and RBr-Fe3+(b).

2.5 RBr-Cu2+紫外光照射測(cè)試

在RBr 溶液中加入過(guò)量的Cu2+后，分別在波長(zhǎng)為254，365 nm 的紫外光源照射下進(jìn)行測(cè)試。不同紫外光照射下的560 nm 處的吸收強(qiáng)度變化見(jiàn)圖5。由圖5 可知，隨著254 nm 紫外光照射時(shí)間的逐漸延長(zhǎng)，RBr-Cu2+的吸收強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)；RBr-Cu2+絡(luò)合物溶液在365 nm 紫外光照射下，吸收強(qiáng)度增大為初始值的2 倍。該絡(luò)合物對(duì)測(cè)定365 nm的紫外光強(qiáng)度靈敏度高于254 nm，該絡(luò)合物可用于戶(hù)外紫外線(xiàn)強(qiáng)度的測(cè)定。

2.6 RBr 的pH 測(cè)試

為了表征RBr 在不同pH 條件下對(duì)金屬離子的響應(yīng)變化，分別選取559 nm 處的吸光度和584 nm處的熒光強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。不同pH 條件下的RBr 加入Cu2+或Fe3+前后光譜強(qiáng)度變化見(jiàn)圖6。

圖5 不同波長(zhǎng)的紫外光照射下RBr-Cu2+溶液在560 nm 處的吸收強(qiáng)度變化Fig.5 Changes of absorbance intensity at 560 nm as a function of ultraviolet irradiation time.

由圖6 可知，當(dāng)溶液pH 為4～10 時(shí)，RBr 溶液的吸光度值變化不明顯；加入Cu2+后，RBr 在pH 為7 時(shí)吸光度值達(dá)到最大。同樣，溶液的pH 為6～10 時(shí)，RBr 的熒光強(qiáng)度變化不大；加入Fe3+后，RBr 溶液的熒光強(qiáng)度逐漸升高，在pH 為7 時(shí)熒光強(qiáng)度達(dá)到最大值。因此，RBr 的最佳測(cè)定條件為pH=7。

圖6 不同pH 條件下RBr 加入Cu2+（a）或Fe3+（b）前后的光譜強(qiáng)度變化Fig.6 Spectral intensity changes of RBr added with Cu2+(a) and Fe3+(b) under different pH conditions.

3 結(jié)論

1）將羅丹明酰肼與對(duì)溴苯甲醛縮合制得RBr。

2）RBr 在乙腈/水（體積比為1∶1）溶液實(shí)現(xiàn)了對(duì)Cu2+的吸收識(shí)別及對(duì)Fe3+的熒光檢測(cè)，并表現(xiàn)出良好的抗干擾性。RBr 溶液的吸收和熒光強(qiáng)度與Cu2+和Fe3+的濃度呈較好的線(xiàn)性關(guān)系。

3）RBr-Cu2+溶液吸光度隨紫外光照射時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增強(qiáng)，該絡(luò)合物可用于戶(hù)外紫外線(xiàn)強(qiáng)度的測(cè)定。