基于檢測銅離子的香豆素水合肼希夫堿熒光探針的研究

申有名, 李 林, 陳超男, 劉敏迪, 奉少東, 趙 菁, 張向陽, 鄭清云, 張春香

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基于檢測銅離子的香豆素水合肼希夫堿熒光探針的研究

申有名*1,2, 李 林1, 陳超男1, 劉敏迪1, 奉少東1, 趙 菁1, 張向陽1, 鄭清云1, 張春香1

(1. 湖南文理學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院, 湖南 常德, 415000; 2. 湖南師范大學(xué) 化學(xué)生物學(xué)及中藥分析教育部重點實驗室, 湖南 長沙, 410081)

設(shè)計合成了一種基于新型香豆素水合肼希夫堿熒光探針, 結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR表征. 利用熒光光譜研究了該探針分子對銅離子的識別作用. 實驗表明, 該探針對銅離子具有較好的選擇性識別能力, 加入銅離子后, 該探針的熒光發(fā)射強度顯著減弱, 并且熒光發(fā)射強度隨著Cu2+濃度的增加而減弱. 通過熒光離子滴定實驗對其選擇性和抗干擾能力進(jìn)行了系統(tǒng)研究, 發(fā)現(xiàn)加入其他常見金屬離子(如Al3+、Ca2+、Co2+、Cr3+、Fe3+、K+、Mg2+、Na+、Ni2+、Zn2+等), 熒光強度沒有發(fā)生變化, 并且上述各種離子分別與銅離子共存時, 對其沒有干擾. 結(jié)果表明, 香豆素水合肼希夫堿熒光探針對銅離子具有較高選擇性識別.

銅離子; 香豆素; 希夫堿; 熒光探針

銅離子是生命系統(tǒng)中重要的微量元素和必需的營養(yǎng)素, 它在生物體內(nèi)以及化學(xué)反應(yīng)過程中起著十分重要的作用, 在人體內(nèi)如果銅元素缺乏會導(dǎo)致生長和代謝的紊亂[1—2]. 但是當(dāng)銅在細(xì)胞中濃度平衡的改變會導(dǎo)致抑制神經(jīng)性疾病, 如Parkinson’s Menke’s和Alzheimer’s等疾病[3-5]. 因此, 實時監(jiān)測銅離子的含量引起了人們的極大興趣. 相對于傳統(tǒng)的檢測銅離子的方法, 如原子發(fā)射光譜法、電感耦合等離子體-質(zhì)譜法、電化學(xué)方法等[6-7], 近幾年發(fā)展起來的熒光探針法, 具有高選擇性和靈敏度, 非破壞性的分析和檢測系統(tǒng)易操作性等優(yōu)點, 在環(huán)境、化學(xué)、生物和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域存在著廣泛的應(yīng)用, 針對金屬離子的熒光探針受到人們的廣泛關(guān)注[8-10]. 目前, 雖然有關(guān)于銅離子熒光探針方面的研究報道比較多, 但也存在如合成復(fù)雜、選擇性不好等缺點. 因此, 設(shè)計合成新型簡單、具有高選擇性的銅離子探針分子顯得十分必要.

香豆素類熒光基團(tuán)具有較高的熒光量在產(chǎn)率、光量子穩(wěn)定性、較大的Stokes位移等優(yōu)點, 被廣泛用來設(shè)計熒光探針[11-13]. 基于以上考慮, 本文以香豆素作為熒光團(tuán), 設(shè)計合成了一種簡單的香豆素水合肼希夫堿熒光探針, 利用熒光光譜研究了其對銅離子的識別過程.

1 實驗部分

1.1 實驗儀器與試劑

核磁共振儀(德國Bruke公司, TMS為內(nèi)標(biāo)); F-4500型熒光分光光度儀(日本島津公司); E-201-C型精密PH計(雷磁上海精密科學(xué)儀器有限公司); 4-N, N-二乙基氨基水楊醛(天津市大茂化學(xué)試劑廠); 85%水合肼(國藥集團(tuán)上?；瘜W(xué)試劑公司); 丙二酸二乙酯(國藥集團(tuán)上?；瘜W(xué)試劑公司), 三氯氧磷(上海晶純試劑有限公司); 其他試劑均為分析純. 所有的熒光測定在Hitachi F-4500熒光光度計上進(jìn)行(激發(fā)狹縫寬: 5 nm; 發(fā)射狹縫寬: 5 nm).

1.2 探針分子的合成

1.2.1 化合物1的合成

圖1 化合物1

在100 mL的三頸燒瓶中加入1.93 g(10 mmol)4-N, N-二乙基氨基水楊醛、3.200 g (20 mmol)丙二酸二乙酯、30 mL無水乙醇、1.0 mL六氫吡啶, 加熱回流反應(yīng)6 h, 冷卻至室溫, 旋干, 然后加入20 mL濃鹽酸和20 mL冰醋酸, 回流反應(yīng)12 h. 反應(yīng)液冷至室溫后, 倒入冰水中, 用20％NaOH溶液調(diào)節(jié)溶液的pH值至5, 有大量的土黃粉末析出, 過濾, 水洗, 真空干燥, 得到1.75 g化合物1, 如圖1所示, 產(chǎn)率為80%.1H NMR δ: 7.94-6.32 (m, 5H ), 3.54 (q, 4H), 1.31(t, 6H).

圖2 化合物2

1.2.2 化合物2的合成

氮氣保護(hù)下, 向100 mL三頸瓶中加入8 mL POCl3, 冰浴冷卻并攪拌下, 逐滴滴加8 mL新蒸的DMF, 滴加完畢, 混合物反應(yīng)1 h, 待反應(yīng)液變成深紅色后, 加入含有3.1 g化合物1的1, 2-二氯乙烷溶液20 mL, 反應(yīng)加熱回流12 h, 冷卻, 用20% NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值為5～6, 有固體析出, 過濾, 硅膠柱柱層析(乙酸乙酯:石油醚= 1∶8), 得1.78 g化合物2, 如圖2所示, 產(chǎn)率73%.1H NMR δ: 10.23(s, 1H), 8.16 -6.61 (s, 1H ), 3.61 (q, 4H), 1.23(t, 6 H).

1.2.3 化合物3的合成

在25 mL單口瓶中, 加入0.245 g(1 mmol)化合物2、1 mL水合肼、5 mL無水乙醇, 氮氣保護(hù)下回流反應(yīng)2 h, 冷卻, 減壓抽濾, 用無水乙醇洗滌2～3次, 得到2.15 g黃色固體3, 如圖3所示, 產(chǎn)率83%.1H NMR δ: 9.04 (s, 1H) , 8.21 -6.54(s, 1H ), 3.55(q, 4H), 1.18(t, 6 H).

圖3 化合物3

1.3 溶液的配置步驟

探針化合物3的母液(1 × 10–4mol/L)配置是將化合物3溶于乙腈中. 各種金屬離子的母液(1 × 10–2mol/L)配置是將適量的金屬鹽溶于去離子水中. 探針化合物3的測試溶液配置是取0.5 mL探針母液, 2 mL PBS溶液, 和適當(dāng)量的各種金屬離子母液加入到5 mL的容量瓶中, 然后用PBS溶液定容. 搖勻后, 用435 nm激發(fā)波長激發(fā), 測定熒光發(fā)射光譜.

2 結(jié)果與討論

2.1 光譜性質(zhì)

圖1記錄的是探針化合物3 (CH3CN:PBS= 1: 9, pH = 7.0)在室溫條件下, 不斷改變Cu2+溶液時所得的熒光光譜圖. 從圖4中可以看出: 在沒有加入Cu2+時, 探針化合物3在485 nm處具有較強的熒光, 隨著加入的Cu2+濃度的增加, 熒光發(fā)射波長在485 nm處的熒光強度逐漸減弱. 當(dāng)Cu2+濃度達(dá)到2 eq時熒光基本猝滅. 這可能是Cu2+與化合物3形成了配合, 促使化合物熒光下降.

2.2 離子選擇性

為測試探針化合物3對Cu2+的選擇性, 分別在樣品池中加入已配好的各種測試液, 實驗結(jié)果如圖5所示. 從圖5中可以看出: 當(dāng)在探針溶液中加入Cu2+的溶液, 熒光發(fā)生猝滅, 而加入其它金屬離子如Al3+、Ca2+、Co2+、Cr3+、Fe3+、K+、Mg2+、Na+、Ni2+、Zn2+等, 探針的熒光都沒有發(fā)生明顯變化. 這表明, 探針化合物3對Cu2+的識別具有很高的選擇性. 在手持紫外燈的照射下, 探針溶液加入各種金屬離子后的顏色變化如圖6所示, 實驗結(jié)果表明, 熒光探針能較好的對Cu2+具有選擇性猝滅能力.

圖4 不同濃度的銅離子存在時化合物3 (10 μM) 的熒光發(fā)射光譜圖. 銅離子的濃度自上而下依次是0, 0.05, 0.25 , 0.5, 1, 3, 5, 6, 8, 9,10, 20 μmol/L.

圖5 探針化合物4(50 μM)對各種金屬離子的選擇性. 從左至右離子依次是Cu2+、Al3+、Ca2+、Co2+、Cr3+、Fe3+、K+、Mg2+、Na+、Ni2+、Zn2+.

2.3 共存離子的干擾性

為了進(jìn)一步確定探針化合物3對Cu2+的高選擇性, 我們測試了在探針溶液中加入2 eq Cu2+后, 分別依次與Al3+、Ca2+、Co2+、Cr2+、Fe3+、K+、Mg2+、Na+、Ni2+、Zn2+共存的干擾性實驗. 空白實驗是在同樣的條件下, 在探針化合物3溶液中只加入2 eq Al3+、Ca2+、Co2+、Cr2+、Fe3+、K+、Mg2+、Na+、Ni2+、Zn2+進(jìn)行測試的; 結(jié)果如圖7所示. 從圖7中可以看出, 在探針溶液中加入2 eq Cu2+后, 再加入其它離子, 探針分子熒光仍然發(fā)生熒光猝滅, 這表明, 在其它離子共存下, 對Cu2+的識別具有很好的抗干擾性.

圖6 分別加入各種離子后探針化合物3溶液(10 μM)在485 nm紫外燈照射下的顏色變化. 從左至右依次是Al3+、Ca2+、Co2+、Cr3+、Fe3+、K+、Mg2+、Cu2+、Na+、Ni2+、Zn2+、Hg2+、Ag+.

圖7 探針化合物3(10 μM)對共存金屬離子的抗干擾性. 從左至右依次是Al3+、Ca2+、Co2+、Cr3+、Fe3+、K+、Mg2+、Cu2+、Na+、Ni2+、Zn2+、Hg2+、Ag+.

3 結(jié)論

本工作設(shè)計合成了一種新型香豆素水合肼希夫堿探針, 該探針結(jié)構(gòu)簡單、易于合成, 同時對其結(jié)構(gòu)用核磁共振光譜進(jìn)行了表征. 在利用熒光光譜的測試中, 該探針具有高選擇性檢測Cu2+和較好的抗干擾能力.

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Study on a coumarin hydrazine schiff base fluorescent probefor copper ion detection

SHEN You-ming1,2, LI Lin1, CHEN Chao-nan1, LIU Ming-di1, FENG Shao-dong1, ZHAO Jing1, ZHANG Xiang-yang1, ZHENG Qing-yun1, ZHANG Chun-xiang1

(1. Departement of Chemistry, Hunan University of Arts And Scince, Changde 415000, China; 2. Key Laboratory of Chemical Biology and Traditional Chinese Medicine Research of Ministry of Education, Hunan Normal University, Changsha 410081, China)

A novel coumarin derivative was synthesized facilely by the condensation reaction of coumarin and hydrazine hydrate, and its structure was characterized by1H NMR. The recognition properties of the target compound 3 with Cu2+had been investigated by the fluorescence spectrophotometry. The results showed that the probe 3exhibited the selective recognition of Cu2+. Upon addition of the concentration of Cu2+to the solution of compound 3, decreasing fluorescence was observed. The selective and interference of compound 3 were discussed. The fluorescence intensity of compound 3 was no chang when the compound 3 was joined other metal ion (such as Al3+、Ca2+、Co2+、Cr3+、Fe3+、K+、Mg2+、Na+、Ni2+、Zn2+, etc.). The interference was found,when other metal and Cu2+coexist in solution of compound 3. Experiments showed that probe 3 was selective recognition of Cu2+.

copper ion; coumarin; hydrazine hydrate; schiff base; fluorescence probe

10.3969/j.issn.1672-6146.2013.04.004

O 631.3

1672?6146(2013)04?0017?04

email: ymshen79@163.com.

2013-10-16

湖南省教育廳項目(11C0917); 湖南師范大學(xué)化學(xué)生物學(xué)及中藥分析教育部重點實驗室開放基金(KLCBTC MR 2011-05); 湖南文理學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新項目; 湖南文理學(xué)院博士啟動基金; 湖南省十二五重點建設(shè)學(xué)科--應(yīng)用化學(xué)資助.

(責(zé)任編校:劉曉霞)