一種熒光增強(qiáng)型鋅離子探針的合成與性質(zhì)研究

鄧 佳，周 燁，潘雪濤，吳 州，胡勝利

(湖北師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，污染物分析與資源化技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 黃石 435002)

Zn2+具有良好的配位作用，是人體內(nèi)第二豐富的過(guò)渡金屬離子，廣泛分布于人體細(xì)胞和體液中。Zn2+在神經(jīng)生物學(xué)領(lǐng)域非常受關(guān)注，其在生物體系中的酶促反應(yīng)、神經(jīng)信號(hào)傳遞、DNA合成[1～3]等生命過(guò)程中起到了重要作用。不過(guò)，過(guò)量的Zn2+會(huì)引起癲癇、帕金森病、缺血性中風(fēng)與嬰幼兒腹瀉[4～6]等神經(jīng)系統(tǒng)疾病。因此，考慮到與Zn2+中毒有關(guān)的疾病的診斷和環(huán)境中Zn2+污染的監(jiān)測(cè)，快速、高效地檢測(cè)各種樣品中的Zn2+具有重要意義。與大多數(shù)傳統(tǒng)分析方法相比較，熒光分析法具有光穩(wěn)定性強(qiáng)，反饋速度快，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，因此廣受關(guān)注。目前為止，已經(jīng)報(bào)道各種Zn2+熒光探針[7～10]，但是，大多數(shù)Zn2+熒光探針的分子量一般較大，合成步驟多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有的水溶性差，影響實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。因此通過(guò)簡(jiǎn)單的反應(yīng)制備出水溶性好的小分子Zn2+熒光探針仍然具有重要意義。

本文通過(guò)水楊酸和水楊酰胺一步反應(yīng)得到一個(gè)簡(jiǎn)單的小分子熒光分子探針1(圖1)，探針1能夠在含水乙腈溶液中選擇性地與Zn2+作用并使體系溶液產(chǎn)生較強(qiáng)的綠色熒光，而其他金屬離子的加入并沒(méi)有使探針1溶液發(fā)生熒光改變，因此探針1是一種選擇性高的Zn2+熒光探針。

圖1 探針1的合成路線

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

Bruker Advance Ⅲ 300NMR核磁共振儀(CDCl3為溶劑，為內(nèi)標(biāo))；Finnigan Trace MS質(zhì)譜儀；X-4數(shù)字顯微熔點(diǎn)測(cè)定儀；F-4500熒光光譜儀(日本日立公司); 所用試劑均為國(guó)產(chǎn)市售分析純。

1.2 探針1的合成與表征

在100 mL圓底燒瓶中加入水楊酸(6.2g, 0.065 mol)，水楊酰胺(5.15g, 0.0375 mol)，0.35 g吡啶和20 mL二甲苯。攪拌下將6 mL二氯亞砜在4 h內(nèi)緩慢滴加到上述混合溶液中，冷凝回流。滴加完畢后，有固體析出，繼續(xù)攪拌30 min，減壓蒸餾出二甲苯。將剩余固體倒入到15 mL乙醇和0.5 mL乙酸中加熱，然后冷卻到室溫。將粗產(chǎn)品過(guò)濾，在二甲氧基乙醇重結(jié)晶，過(guò)濾干燥得6.8g純化合物1，產(chǎn)率76%.M.p. ∶188-190°C.1H NMR(CDCl3, 300 MHz): δ 6.98-7.03 (t, 1H), 7.08-7.11 (d, 1H), 7.50-7.57 (m, 3H), 7.78-7.80 (t, 1H), 8.11-8.13 (d, 1H), 8.21-8.23 (d, 1H); 12.72 (s, 1H),13C NMR (CDCl3, 75MHz): 111.2, 116.9, 118.2, 118.8, 119.3, 127.1, 127.9, 128.6, 135.6, 136.7, 154.1, 163.1, 163.9, 165.1. ESI- MS∶m/z 240[M+H]+.

1.3 熒光光譜法測(cè)定方法

探針1在乙腈/ HEPES (95∶5，v/v，pH 7.0)溶液中配成10 μM，將所需的各種金屬離子分別使用乙腈溶液配成3.0×10-3M.通過(guò)微量進(jìn)樣器向裝有3mL探針1溶液(10 μM)的比色皿中分別加入各種金屬離子(3×10-3M) 來(lái)研究各種金屬離子對(duì)探針1的影響，熒光檢測(cè)的激發(fā)波長(zhǎng)為410nm.

2 結(jié)果與討論

2.1 探針1對(duì)Zn2+選擇性子識(shí)別

將各種常見(jiàn)的金屬離子(10 eqiv)加入到含有探針1(10 μM)的乙腈/ HEPES (95∶5，v/v，pH 7.0)溶液中，并測(cè)得其發(fā)射光譜(如圖2)。探針1溶液在505nm處無(wú)明顯熒光強(qiáng)度，但隨著Zn2+加入，探針1的熒光明顯增強(qiáng)；而其它金屬離子的加入并沒(méi)有使探針1的熒光增強(qiáng)，這些結(jié)果說(shuō)明探針1對(duì)Zn2+具有專一選擇性。

圖2 化合物1(10 μM)中加入不同金屬離子(10 eqiv)時(shí)的熒光光譜

為了確定其他金屬離子會(huì)不會(huì)影響探針?lè)肿訉?duì)Zn2+識(shí)別，向裝有探針?lè)肿?的溶液中首先依次加入10 倍的其他金屬離子，然后再加入10倍Zn2+，分別檢測(cè)熒光強(qiáng)度。如圖3所示，除了銅離子使熒光強(qiáng)度略微下降了一點(diǎn)，加入了其他金屬離子并沒(méi)有使探針1加入Zn2+后的熒光強(qiáng)度發(fā)生明顯改變，說(shuō)明探針1對(duì)Zn2+的識(shí)別不受這些干擾物的影響。

圖3 不同金屬離子對(duì)探針1檢測(cè)Zn2+的干擾分析

2.2 探針1對(duì) Zn2+的熒光響應(yīng)能力

為了進(jìn)一步評(píng)估探針1 對(duì) Zn2+的熒光響應(yīng)性能，室溫下，將探針1的濃度控制為10 μM，向其中逐漸加入不同濃度Zn2+離子，研究其熒光光譜變化。從圖 4(a)可以看出，隨著Zn2+濃度的不斷增加，在505 nm處的熒光發(fā)射強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)直至熒光不變。而且如圖4(b)所示，在 Zn2+濃度從10 μM到60 μM 之間，熒光發(fā)射強(qiáng)度((F-F0)改變和鋅離子濃度[Zn2+]之間顯示出良好的線性關(guān)系(R= 0.99)。根據(jù)圖中所示由 Zn2+濃度引起的熒光強(qiáng)度變化關(guān)系計(jì)算出結(jié)合常數(shù)為1.43×105M-1.以10次空白樣品的發(fā)射熒光強(qiáng)度改變作為標(biāo)準(zhǔn)差，以3倍標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算[9]得到探針1 對(duì)Zn2+的檢測(cè)限為3.2 ×10-6M.上述結(jié)果表明，探針?lè)肿?對(duì)可以定量檢測(cè)Zn2+濃度。

圖4 a)水溶液中探針 1(10μM)在不同濃度的Zn2+加入后的熒光發(fā)射光譜

b) 探針?lè)肿?的熒光強(qiáng)度變化隨Zn2+濃度的變化線性關(guān)系圖

2.3 探針1與Zn2+的結(jié)合研究

依據(jù)Job’s Plot[11]方法，我們配制了探針1與Zn2+的總濃度為1×10-5mol/L(濃度比分別為1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、8∶2、9∶1)的一系列溶液，通過(guò)發(fā)射光譜在其最大發(fā)射波長(zhǎng)處取值。如圖5所示，探針1的熒光強(qiáng)度改變值在Zn2+與探針1溶液濃度比為2∶1 的時(shí)候達(dá)到最大，說(shuō)明Zn2+與探針1是以1∶2的比例相結(jié)合的。

圖5 探針1與的Zn2+作用的Job’s plot曲線圖

進(jìn)一步地我們通過(guò)核磁滴定研究了探針?lè)肿?與Zn2+的作用，如圖6所示, 隨著Zn2+的逐漸增加，探針?lè)肿又性诨瘜W(xué)位移值為12.72ppm 的-OH氫峰值逐漸減弱并消失，表明探針?lè)肿又?OH參與配位作用。

圖6 探針1中加入Zn2+的核磁滴定圖

綜合上述結(jié)果，我們推測(cè)探針1與Zn2+作用可能的鍵合模式如圖7所示?；衔?中存在富電子的N和O原子，Zn2+離子與探針1發(fā)生鍵合導(dǎo)致光電子轉(zhuǎn)移引起熒光增強(qiáng)。

圖7 探針1與Zn2+可能的識(shí)別模式

3 結(jié)論

本文通過(guò)水楊酸和水楊酰胺為原料一步反應(yīng)得到新的鋅離子熒光探針1, 探針1能夠在含水乙腈溶液中選擇性地與Zn2+作用，該探針與Zn2+之間的結(jié)合比為2∶1，Zn2+檢測(cè)限為3.2 ×10-6M，該探針是一種高選擇性的Zn2+熒光探針，具有潛在的分析應(yīng)用價(jià)值。