吲哚三唑席夫堿熒光探針的合成及其對金屬離子的識別研究

華玉勝，趙志剛，石治川

(西南民族大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境保護工程學(xué)院，四川 成都 610041)

鋁主要存在于鋁土礦中約占地球質(zhì)量的8%，是現(xiàn)代文明不可缺少的材料[1]。隨著工業(yè)化進程的發(fā)展，大量含重金屬污染物未經(jīng)處理的廢水、廢渣排放，對環(huán)境和人類健康危害越來越大。根據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)報道，鋁離子通過消化系統(tǒng)等生命過程停留在人體的細(xì)胞組織中，人類每天平均攝入的鋁含量是3～10mg[2]，當(dāng)人體內(nèi)積累較高濃度的鋁離子會引起阿爾茨海默癥、帕金森癥、骨骼萎縮、貧血等多種慢性疾病威脅人類健康[3-4]。因此，開發(fā)出高效、便捷檢測鋁離子方法備受人們的關(guān)注。熒光法由于操作簡便，可實時監(jiān)測受到人們的青睞[5-7]。

圖1 目標(biāo)探針TZ的合成路線Fig.1 The synthesis route of target probe TZ

含有獨特活性亞結(jié)構(gòu)-N=CH-單元的席夫堿，因其N原子雜化軌道上含有孤電子對，容易獲得電子，使得席夫堿類化合物可以與金屬離子形成穩(wěn)定的配合物。同時由于席夫堿因為其C=N雙鍵的存在還具有很好的生物活性和相容性[8]。金屬離子與C=N結(jié)合后，引起了特定的螯合作用從而產(chǎn)生熒光增強[9-10]。本文合成的新型吲哚三唑席夫堿化合物結(jié)構(gòu)中含有吲哚和席夫堿兩個結(jié)構(gòu)能極大提升生物相容性，同時吲哚和三唑均具有較大的共軛體系，更易于產(chǎn)生n-π*和π-π*的電子躍遷，產(chǎn)生熒光增強的特效具有很好的研究價值。其合成路線如下圖1所示。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

試劑：所有化學(xué)原料、金屬鹽為醋酸鹽或硝酸鹽均為分析純，購于上海畢得醫(yī)藥科技有限公司，無需進一步純化。實驗用水為去離子水。中間體2和3的合成法參考本實驗室之前的操作[11]。

儀器：Agilent 400 MHz核磁共振儀；賽默飛FINNIGAN- LCQ DECA型質(zhì)譜儀；賽默飛IR-200型傅里葉變換紅外光譜儀；ElementarVario MICRO 型自動元素分析儀；WRS-1B型數(shù)字熔點儀；美普達(dá)UV-6100型雙光束紫外-可見光分光光度計；HORIBADual-FL型熒光光譜儀。

1.2 探針TZ的合成及表征

1.2.1 熒光探針(TZ)的合成及表征

在圓底燒瓶依次加入乙醇(10 mL)，中間體(3)(2 mmol)，2-羥基-6-溴苯甲醛(4)(1.9 mmol)和1滴冰醋酸，80℃下回流反應(yīng)10min，TLC監(jiān)測，冷卻后得粗產(chǎn)品用乙醇重結(jié)晶得到674 mg黃色固體TZ，收率81.6%，m.p.213-214 ℃。IR (KBr)，v，cm-1：3289，3071，1632， 1608，1521，1449，1235，1143，757，731，640。1H NMR (DMSO-d6,400 MHz)，δ：14.00 (s,1H,SH),11.80 (s,1H,indol-NH),10.86 (s,1H,OH),10.07 (s,1H,N=CH),8.14(d,J=7.2 Hz,1H,ArH),8.08 (d,J = 2.4 Hz,1H,ArH),8.01 (d,J = 2.8 Hz,1H,ArH),7.62 (dd,J = 2.8 Hz,1H,ArH),7.52 (dd,J=1.2 Hz,1H,ArH),7.27-7.17 (m,2H,ArH),7.01 (d,J=8.8 Hz,1H,ArH)。13C NMR (DMSO-d6,100 MHz)，δ 161.18；160.63；158.16；146.88；136.97；136.26；129.24；128.75；125.20；123.11；121.22；121.18；121.14；119.57；112.55；111.42；100.75。ESI-MS,m/z:414.36[M+1]+。元素分析，C17H12BrN5OS，實測值(計算值)，%：C 49.29(49.38)；H2.92(2.91)；N 16.91(16.89)。

1.3 溶液的配制及光譜性質(zhì)的檢測方法

1.3.1 探針TZ儲備溶液及各種金屬離子儲備液

413 mg探針TZ，用100 mL DMSO溶解完全后，加入緩沖溶液(pH值=7.0)溶液定容得濃度1 mmol/L的探針TZ儲備液。金屬離子溶液(Ag+、Al3+、Ca2+、Co2+、Cu2+、Fe3+、Hg2+、Mg2+、Ni2+、Zn2+)均采用其醋酸鹽或硝酸鹽用去離子水溶液定容至刻度線制成濃度為1 mmol/L溶液。

1.3.2 光譜檢測參數(shù)

熒光實驗：最佳激發(fā)波長(λex)為386nm，最佳發(fā)射波長(λem)為446nm，狹縫寬度5 nm，靈敏度為2。

2 結(jié)果與討論

2.1 探針TZ對不同金屬陽離子的選擇性

圖2 探針TZ在緩沖溶液(pH值=7.0)中加入不同金屬離子后的熒光光譜(λex=386 nm)Fig.2 Fluorescence spectra of probe TZin pH buffer solution (pH7.0)upon addition of various metal cations(λex=386 nm)

在5μL 探針TZ儲備液(1 mmol/L)，然后依次加入5μL各種金屬離子(Ag+、Al3+、Ca2+、Co2+、Cu2+、Fe3+、Hg2+、Mg2+、Ni2+、Zn2+)儲備液(1 mmol/L)，分別檢測各自的熒光性質(zhì)(圖2)。在探針TZ分子席夫堿結(jié)構(gòu)中的N原子含有孤對電子容易獲得Al3+的電子發(fā)生配位，從而抑制了C=N雙鍵的異構(gòu)化引起熒光增強光。在紫外燈365 nm照射下，探針TZ本身有很微弱的熒光，當(dāng)加入Al3+后，探針TZ溶液發(fā)出亮藍(lán)色強熒光。而加入其他金屬離子(Ag+、Ca2+、Co2+、Cu2+、Fe3+、Hg2+、Mg2+、Ni2+、Zn2+)時，熒光強度很微弱。表明探針TZ可以與Al3+結(jié)合使熒光增強，從而實現(xiàn)對Al3+的專一識別檢測。

2.2 探針TZ識別Al3+的抗干擾性及pH值影響

圖3 其他金屬離子和Al3+共存時對探針TZ熒光強度的影響Fig.3 Fluorescence response of probe TZ

圖4 不同pH值對探針TZ響應(yīng)Al3+的熒光強度影響Fig.4 Fluorescence spectra of TZ with Al3+in different pH buffer solution

為探究TZ能否在復(fù)雜條件下對Al3+的識別，在5μL 探針TZ儲備液(1 mmol/L)中依次加入5μLAl3+儲備液(1 mmol/L)，同時分別加入相同濃度和體積的其他金屬離子各種金屬離子(Ag+、Ca2+、Co2+、Cu2+、Fe3+、Hg2+、Mg2+、Ni2+、Zn2+)測試其熒光光譜(圖3)。當(dāng)加入Fe3+、Ni2+時，因其因為原子結(jié)構(gòu)原因與探針TZ存在一定的結(jié)合，從而降低配體體系TZ- Al3+的濃度，導(dǎo)致熒光強度降低但降低幅度不大，在紫外燈下仍然能看到清晰的熒光。這表明探針TZ對Al3+的識別具有良好的抗干擾能力。由圖4可見，在pH值3～11之間探針TZ的熒光強度基本上沒有變化。當(dāng)pH值<7時，由于席夫堿結(jié)構(gòu)在強酸性條件下容易發(fā)生分解探針TZ- Al3+體系熒光強度急速增加；當(dāng)pH值>7以后，體系當(dāng)中的Al3+會形成Al(OH)3，使得探針TZ- Al3+體系的熒光強度繼續(xù)增加，然后逐漸降低。因此，探針TZ可有效識別Al3+的pH值適用范圍為6～9。

2.3 探針TZ對Al3+的熒光滴定及檢測限

圖5 不同濃度Al3+存在時熒光探針TZ的熒光光譜及線性擬合Fig.5 Fluorescence spectraof probe TZin the presence of different concentrations of Al3+

圖6 不同濃度Al3+存在時熒光探針TZ的熒光線性擬合Fig.6 Fluorescence linear fit of probe TZ in the presence of different concentrations of Al3+

在TZ濃度為5μmol/L的緩沖溶液(pH值=7.0)中，逐漸滴加Al3+，測定不同Al3+濃度下的熒光光譜(圖5)。隨著Al3+濃度從0逐漸增大到5 μmol/L時，體系TZ-Al3+的熒光強度也隨之逐漸增強。當(dāng)Al3+濃度增加到6、7μmol/L時，熒光強度出現(xiàn)小幅度下降。將446 nm處的熒光強度繪制工作曲線(圖6)，結(jié)果表明在0～5.0μmol/L范圍內(nèi)體系TZ-Al3+熒光強度成良好的線性關(guān)系。根據(jù)檢測限的計算公式(3σ/S)[12]，計算該方法的檢測限為26.7 nmol/L。

2.4 探針TZ與Al3+絡(luò)合探究

利用等物質(zhì)的量連續(xù)變換法研究探針TZ的絡(luò)合模型。通過Job’s plot作圖(圖7)可知，TZ-Al3+的熒光強度隨著Al3+濃度的不斷增加先增后降，最大摩爾分?jǐn)?shù)對應(yīng)數(shù)0.49，可推測出探針TZ與Al3+所形成的是1∶1配合物。

圖7 探針TZ與Al3+(pH值= 7.0)的絡(luò)合比測定曲線Fig.7 Job’s plot of TZ and Al3+ (pH 7.0)

圖8 探針TZ和TZ-Al3+的核磁滴定Fig.8 1H-NMR spectra of probe TZ and TZ-Al3+

運用核磁滴定法進一步確證TZ-Al3+的結(jié)合模式(見圖8)。隨著Al3+的加入，熒光探針分子OH和SH消失；而芳香環(huán)上的H和N=CH則因為Al3+與化合物結(jié)合產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的變化不同程度向發(fā)生了偏移。由此可見，探針TZ中-N，羥基-O，巰基-S參與了與Al3+的絡(luò)合配位。綜上所述，推斷TZ與Al3+絡(luò)合模式如圖9所示。

圖9 探針TZ與Al3+的絡(luò)合模型Fig.9 The proposed binding mode of TZ-Al3+ system

3 結(jié)論

本文以吲哚-3-甲酸甲酯為母體，合成了用于檢測Al3+熒光增強型、具有較大共軛體系的新型席夫堿探針TZ。在中性或弱堿性條件下(pH值=6～10)，探針TZ能夠特異性識別Al3+，生成1∶1型配合物(TZ -Al3+)，有較強的穩(wěn)定性、良好的抗干擾性和反應(yīng)活性，檢測限為26.7 nmol/L。在365 nm紫外燈照射下，由無色變成亮藍(lán)色強熒光，具有潛在的應(yīng)用價值。