基于吲哚類半花菁染料的鈀比率熒光探針

李宏達(dá),陳秀瓊,尹炳柱*

(1.延邊大學(xué)長白山生物資源與功能分子教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 延吉 133002；2.中國刑事警察學(xué)院 法化學(xué)系，遼寧 沈陽 110035)

0 引言

鈀是珍貴的過渡金屬之一，它不僅廣泛應(yīng)用于制作燃料電池、牙冠、珠寶及醫(yī)藥合成等[1-2]，而且還被用于設(shè)計(jì)制作催化轉(zhuǎn)化器以有效控制汽車尾氣的污染問題．文獻(xiàn)[3-4]表明，Pd2+可對人體健康產(chǎn)生危害，例如鈀積累在人體中會導(dǎo)致細(xì)胞線粒體和DNA的退化、過敏反應(yīng)以及抑制酶的活性等；因此，開發(fā)簡易快捷、靈敏度高的鈀檢測方法具有重要意義．傳統(tǒng)的鈀離子檢測方法主要有原子吸收光譜法和電化學(xué)分析法等，但這些方法往往需要復(fù)雜的樣品預(yù)處理和高成本的儀器，使其應(yīng)用受到一定限制[5-6]．目前，熒光探針檢測法因具有靈敏度高、選擇性好、分析時間短及易于可視化等優(yōu)點(diǎn)，已受到越來越多的關(guān)注.但由于Pd2+檢測用分子探針多數(shù)是基于比色法、熒光淬滅法和熒光增強(qiáng)型等[7]，其結(jié)果的精確性容易受到檢測底物濃度、外部環(huán)境和儀器條件變化(如光漂白、散射和背景光)等影響[8]．文獻(xiàn)[9]研究表明，比率型熒光探針不受光源強(qiáng)度和儀器靈敏度等外部環(huán)境的影響，不僅能提高方法的選擇性和靈敏度，而且還能夠增大方法的動態(tài)響應(yīng)范圍[9].目前，利用比率型熒光探針檢測鈀含量的文獻(xiàn)很少，而且已報(bào)道的這類探針具有響應(yīng)時間長[10]、需要外加試劑[11]等問題.

本文鑒于鈀與富電子π-電子體系有較好的親和力[10-12]，半花菁染料具有合成簡單、易于純化、熒光量子產(chǎn)率高、摩爾消光系數(shù)大以及水溶性好和無毒等優(yōu)點(diǎn)，以6-羥基萘-2-醛為熒光基團(tuán)，碘化1-乙基-2,3,3-三甲基吲哚季銨鹽為菁染料單元合成了中間體:羥基半花菁染料2；然后，在2的羥基上引入烯丙氧羰基得到半花菁染料探針1(合成路線見圖1)，并對探針對Pd2+的檢測效果和反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了研究.

圖1 探針1的合成路線

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和試劑

熔點(diǎn)用XRC-1顯微熔點(diǎn)儀測定(溫度計(jì)未經(jīng)校正)；1H NMR用AV300型超導(dǎo)核磁共振波譜儀(瑞士布魯克公司，CDCl3為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo))測定；熒光光譜用RF-5301PC型熒光分光光度儀(日本島津公司)測定；UV-vis用U-3010紫外可見分光光度計(jì)(日本日立公司)測定；MS用Axima CFRTMplus基質(zhì)輔助激光解析飛行時間質(zhì)譜儀(日本島津公司)測定；高分辨質(zhì)譜用Bruker microTOF II聚焦光譜儀(ESI).

所有反應(yīng)試劑均為市售分析純，購買后未經(jīng)處理直接使用；柱層析硅膠用青島海洋化工廠產(chǎn)品，硅膠粒度為100～200目，pH值為6.5～7.0； N-(2-羥乙基)哌嗪-N′-2-乙烷磺酸(HEPES)采購于阿拉丁試劑公司，使用三次去離子水配置成HEPES緩沖溶液直接使用； 6-羥基萘-2-醛從百靈威試劑公司購進(jìn)，未經(jīng)純化直接使用； 碘化1-乙基-2,3,3-三甲基-3H-吲哚季銨鹽參照文獻(xiàn)[12]的方法合成.

1.2 中間體2的合成

在50 mL單口瓶中加入碘化1-乙基-2,3,3-三甲基-3H-吲哚季銨鹽(300 mg,1.74 mmol)、化合物6-羥基萘-2-醛(658 mg,2.1 mmol)和精制乙醇(12 mL).待反應(yīng)物完全溶解后，加入哌啶(150 μL)，并回流攪拌3 h，出現(xiàn)大量固體，抽濾，用無水乙醇洗滌，干燥．用無水乙醇重結(jié)晶得墨綠色固體2(225 mg)，產(chǎn)率為28%．M.p.>250 ℃.1H NMR(300 MHz,DMSO-d6): δ 10.48(1H,s),8.55～8.75(2H,m),8.32(1H,d,J=7.2 Hz),7.76～8.01(4H,m),7.60～7.76(3H,m),7.15～7.30(2H,m),4.74(2H,q,J=7.0 Hz),1.83(6H,s),1.48(3H,t,J=7.0 Hz);13C NMR(75 MHz,DMSO-d6): δ 14.04,26.08,42.38,52.44,110.03,111.16,115.22,120.40,123.59,125.10,127.66,129.59,129.62,129.76,132.08,155.12,159.30,174.4,181.59.HRMS(ESI-TOF)Calcd for C24H249NO+([M]+)342.185 2.Found 342.183 0.

1.3 探針1的合成

在50 mL單口瓶中加入化合物2 (100 mg,0.21 mmol)和N,N-二甲基甲酰胺(8 mL)，待反應(yīng)物完全溶解后，用冰浴冷卻到0 ℃.加入三乙胺(30 μL)，攪拌5 min中后升溫至室溫．將氯甲酰丙烯脂(112 mg,99 μL,1.05 mmol)和N,N-二甲基甲酰胺(5 mL)逐滴加到反應(yīng)體系中，在室溫?cái)嚢? h后，加入適量乙醚，析出的固體用乙醇重結(jié)晶得紅色針狀固體1(56.2 mg)，產(chǎn)率為48%．M.p.200 ℃(dec.).1H NMR(300 MHz,CDCl3): δ 8.83(1H,s),8.73(1H,d,J=15.0 Hz),8.49(1H,d,J=6.9 Hz),7.90～8.12(3H,m),7.83(1H,d,J=15.0 Hz),7.75～7.55(4H,m),5.99～6.30(1H,m),5.30～5.50(2H,m),4.76～4.81(4H,m),1.86(6H,s),1.51(3H,t,J=6.6 Hz).13C NMR(75 MHz,DMSO-d6): δ 14.28,25.96,42.90,52.91,69.51,113.39,115.77,119.04,119.55,122.84,123.66,129.11,131.23,132.76,140.90,144.57,151.02,153.13,153.94,181.92.HRMS(ESI-TOF)Calcd for C28H28INO3+([M]+)426.206 4.Found 426.205 6.

2 結(jié)果與討論

2.1 溶劑的選擇

考慮到探針1的實(shí)際應(yīng)用，本文首先考察了在不同比例的乙醇-HEPES緩沖溶液中,探針1(10 μmol/L)與PdCl2(100 μmol/L)相互作用的熒光變化.用566 nm處的熒光強(qiáng)度做柱狀圖得圖2 a.從圖中可知，在乙醇-HEPES緩沖溶液比例為5∶5、 4∶6、 3∶7時，探針1與PdCl2作用使熒光增強(qiáng)最為明顯.

另外，本文也考察了乙醇-HEPES緩沖溶液比例為1∶1時的pH值對熒光發(fā)射強(qiáng)度的影響，結(jié)果如圖2 b所示.從圖中可以看出，探針1在pH值為5～8的范圍內(nèi)，其熒光強(qiáng)度呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，這說明探針1可以在一個相對較寬的pH值范圍內(nèi)用于檢測Pd2+．根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文選擇了乙醇-HEPES緩沖溶液比例為1∶1、pH值為7.2的HEPES緩沖溶劑體系.

圖2 探針1 (10 μmol/L)在Pd2+(100 μmol/L)存在下，在不同測試溶劑中熒光發(fā)射強(qiáng)度(a)和在不同pH值條件下熒光發(fā)射強(qiáng)度(b):從左到右乙醇-水的體積比為9∶1,8∶2,7∶3,6∶4,5∶5,4∶6,3∶7,2∶8,1∶9,0∶10

2.2 探針1對鈀離子的選擇性

化學(xué)傳感器的最重要性質(zhì)之一是對某一分析物的高度選擇性．在乙醇-HEPES緩沖溶液(體積比為1∶1，pH=7.2)中加入100 μmol/L Pd2+后，探針1的熒光強(qiáng)度在幾分鐘內(nèi)有30倍的熒光增強(qiáng)；而在相同的條件下，加入100 μmol/L的其他陽離子(Ag+,Al3+,Ba2+,Ca2+,Cd2+,Co2+,Cu2+,Fe2+,Fe3+,Hg2+,K+,Li+,Mg2+,Na+,Ni2+,Pb2+,Zn2+)后，探針1對其沒有明顯的熒光響應(yīng)(圖3 a)．另外，在365 nm的紫外光照射下，探針1的溶液呈淡綠色，而加入100 μmol/L Pd2+后，溶液顏色變?yōu)槌赛S色.

圖3 探針1 (10 μmol/L)與100 μmol/L的PdCl2或其他陰陽離子的選擇性實(shí)驗(yàn)(a)和干擾性實(shí)驗(yàn)(b): 其他陰陽離子從左到右依次為Ag+,Al3+,Ba2+,Ca2+,Cd2+,Co2+,Cu2+,Fe2+,Fe3+,Hg2+,K+,Li+,Mg2+,Na+,Ni2+,Pb2+,Zn2+,AcO-,Br-,Cl-,CN-,F-,H2PO4-,HSO4-,I-

由于實(shí)際環(huán)境樣品中往往多種離子共存，為了考察在其他各種離子存在的條件下，探針1是否可以實(shí)現(xiàn)對Pd2+的檢測而不受干擾，本文進(jìn)行了干擾性實(shí)驗(yàn)(圖3 b).結(jié)果表明，在Pd2+和其他陽離子或者陰離子共存條件下，探針1的熒光發(fā)射強(qiáng)度幾乎沒有發(fā)生變化.上述結(jié)果說明，探針1對Pd2+具有很好的選擇性，而且這種選擇性可以被裸眼識別．更重要的是在其他競爭離子存在的條件下，探針1對Pd2+的檢測不受干擾，這在實(shí)際應(yīng)用中具有非常重要的意義．

不同價態(tài)鈀化合物都具有相似的催化性能，為了研究探針1是否還可以用來檢測其他鈀化合物，本文利用探針1對Pd(PPh3)4，Pd(AcO)2，PdCl2，Pd(PPh3)2Cl2進(jìn)行了檢測．如圖4所示，探針1對不同價態(tài)的鈀化合物都有熒光響應(yīng)，其中對Pd(AcO)2和PdCl2的熒光增強(qiáng)大于Pd(PPh3)4.Pd(PPh3)4的相對較差可能是因?yàn)閰⑴c催化的0價鈀需要經(jīng)歷一個被氧化的過程．這說明探針1可以應(yīng)用于不同價態(tài)鈀化合物的檢測．

圖4 探針1 (10 μmol/L)與不同價態(tài)鈀類化合物的熒光強(qiáng)度: 從左到右依次為1,1+Pd(PPh3)4,1+Pd(AcO)2,1+PdCl2,1+Pd(PPh3)2Cl2

2.3 探針1對鈀離子的檢測

由于PdCl2的毒性是鈀類化合物中最高的，本文考察了探針1對PdCl2的熒光檢測能力.隨著不同濃度的PdCl2的加入，探針1(10 μmol/L)的HEPES (10 mmol/L,pH=7.2,50%乙醇)緩沖溶液在480 nm處的熒光發(fā)射峰逐漸減弱，而在566 nm處的熒光發(fā)射峰大幅度增強(qiáng)，并且其熒光發(fā)射峰發(fā)生86 nm的紅移．當(dāng)加入2當(dāng)量的PdCl2后，566 nm處的熒光發(fā)射峰強(qiáng)度保持不變，這說明探針1與PdCl2的反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到平衡(圖5 a).

將566 nm處的熒光發(fā)射強(qiáng)度對PdCl2的濃度作圖，發(fā)現(xiàn)熒光強(qiáng)度在0～15 μmol/L濃度范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系．通過擬合得到線性回歸方程y=7.52x-196 (R2=0.983)，計(jì)算得到檢出限為0.23 μmol/L[13](圖5 b).利用Job曲線法研究表明(圖6 a)，探針1和PdCl2的化學(xué)計(jì)量比是1∶1.本文將探針1(10 μmol/L)與PdCl2(100 μmol/L)的反應(yīng)利用熒光光譜跟蹤檢測(圖6 b)，并通過準(zhǔn)一級動力學(xué)公式進(jìn)行擬合得到準(zhǔn)一級反應(yīng)動力學(xué)常數(shù)為4.5×10-3s-1(R2=0.998)[14].以上結(jié)果說明探針1是一種可用于痕量鈀快速檢測分析的高靈敏度熒光探針.

圖5 探針1 (10 μmol/L)與PdCl2 (0～30 μmol/L)的熒光滴定光譜(a)和結(jié)合作用的線性擬合曲線(b)

圖6 探針1 (10 μmol/L)與Pd2+作用的Job曲線(a)和時間變化(b)

2.4 反應(yīng)機(jī)理研究

探針1、1與PdCl2反應(yīng)液和中間體2的質(zhì)譜見圖7.探針1對Pd2+的高選擇性應(yīng)歸于Pd-觸發(fā)酰氧鍵斷裂反應(yīng)的專一性[15]．可能的反應(yīng)機(jī)理如圖8所示.Pd2+與探針1的碳酸烯丙酯部位反應(yīng)生成π-烯丙基鈀絡(luò)合物3，3脫去烯丙基轉(zhuǎn)化成碳酸單酯4，最后脫去二氧化碳生成強(qiáng)熒光的羥基半花菁染料2.

圖7 探針1、1與PdCl2和中間體2的質(zhì)譜

圖8 探針1和Pd2+的反應(yīng)機(jī)理

為了進(jìn)一步說明探針1與Pd2+的反應(yīng)機(jī)理，將探針1分子與PdCl2的反應(yīng)液進(jìn)行質(zhì)譜分析.測試結(jié)果顯示：探針1(C28H28INO3+[M]+∶426.21.Found 426.2)與PdCl2反應(yīng),生成中間體2(C24H24NO+([M]+)342.19.Found 342.4),由此證實(shí)了上述推測的機(jī)理.

3 結(jié)論

本文報(bào)道了一個以烯丙基碳酸脂和羥基半花菁染料為反應(yīng)基團(tuán)和熒光發(fā)光基團(tuán)的新型鈀熒光探針1.利用熒光發(fā)射光譜對探針1檢測鈀離子的選擇性、靈敏度、響應(yīng)時間進(jìn)行研究，并結(jié)合飛行質(zhì)譜對其作用機(jī)理進(jìn)行了研究.研究結(jié)果表明，探針1對鈀離子具有高選擇性，并且不會受其他陰陽離子的干擾；對于鈀離子作用的前后，熒光發(fā)射峰從480 nm紅移至566 nm，并且熒光顏色由綠色變?yōu)槌壬杀宦阊圩R別.探針1可以實(shí)現(xiàn)對鈀離子的快速檢測，響應(yīng)時間僅需10 min.在乙醇-HEPES(體積比為1∶1，pH=7.2)緩沖溶液中，對鈀離子的檢測極限為0.23 μmol/L.因此，探針1可被應(yīng)用于實(shí)際環(huán)境體系以及生物體系樣品中定量與定性的鈀離子檢測.

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