熒光探針2-硼酸基苯甲醛-(2′-羥基-4′-磺酸基)萘腙的合成及對(duì)Pb2+的識(shí)別

肖 敏, 吳芳英， 吳生彪

(1.南昌大學(xué)化學(xué)系,江西南昌 330031;2.南昌大學(xué)共青學(xué)院，江西九江 332020)

鉛是重金屬污染中毒性較大的一種，一旦進(jìn)入人體將很難排除，會(huì)對(duì)神經(jīng)、造血、心血管、腎臟和內(nèi)分泌等多個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重傷害[1]。當(dāng)成人血液中鉛的濃度達(dá)到400 μg/L時(shí)，就可確診為職業(yè)性鉛中毒；兒童血液中鉛濃度超過100 μg/L時(shí)，就會(huì)對(duì)他們的身體造成危害。因此微量鉛的測(cè)定[2 - 5]十分必要。常用的Pb2+定量測(cè)定方法有電感耦合等離子體質(zhì)譜法[6]、電化學(xué)法[7]、原子吸收光譜法[8]和分子熒光光譜法[9]等。其中分子熒光光譜法以其低成本、高靈敏及簡(jiǎn)便快捷等優(yōu)勢(shì)成為檢測(cè)Pb2+的重要手段，但在已報(bào)道的方法中多數(shù)為熒光猝滅[10]，而熒光增強(qiáng)的文獻(xiàn)報(bào)道則相對(duì)較少，如Goswami等[11]合成了鄰二氮雜菲類熒光受體；XIAO[12]等合成了喹啉腙衍生物；Tan等[13]合成了基于納米金和脫氧核酶的熒光探針。它們均可結(jié)合Pb2+并出現(xiàn)熒光增強(qiáng)現(xiàn)象，由此建立了高選擇性識(shí)別Pb2+的熒光傳感體系。

圖1 主體2-BBHSNH的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the host(2-BBHSNH)

硼酸衍生物具有低毒性及生物活性，其在糖類傳感器[14]方面的研究報(bào)道比較常見。但硼酸類衍生物用于金屬離子識(shí)別的文獻(xiàn)報(bào)道還較少。本文設(shè)計(jì)合成了2-硼酸基苯甲醛-(2′-羥基-4′-磺酸基)萘腙衍生物(2-BBHSNH)(結(jié)構(gòu)式見圖1)。這種衍生物與前期合成的喹啉腙衍生物[12]相比，不僅保留了可與金屬離子結(jié)合的位點(diǎn)和可增強(qiáng)與金屬離子結(jié)合能力的硼酸基團(tuán)，而且具有更好的水溶性，可實(shí)現(xiàn)水相中Pb2+的識(shí)別，據(jù)此建立了穩(wěn)定的高選擇性識(shí)別Pb2+的熒光傳感體系，拓展了硼酸類衍生物在識(shí)別金屬離子方面的應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Hitachi F-4600型熒光光譜儀；Shimadzu 2501PC型紫外-可見分光光度計(jì)；Bruker Avance 600 MHz核磁共振儀，溶劑為D2O-d6，以TMS為內(nèi)標(biāo)；Waters ZQ4000/2695型液-質(zhì)聯(lián)用儀；Nicolet 360 FT-IR光譜儀。

2-甲?；脚鹚豳徲贛atrix Scientific公司(含量>97%)；1-氨基-2-萘酚-4-磺酸購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；金屬離子溶液均為對(duì)應(yīng)的硝酸鹽或硫酸鹽(分析純，上海青析化工科技有限公司)按常規(guī)法配制，濃度均為0.1 mol·L-1；pH=6.0的KH2PO4-NaOH緩沖溶液由0.1 mol·L-1NaOH和0.2 mol·L-1KH2PO4溶液按比例配制而成。其它所用試劑均為分析純。實(shí)驗(yàn)用水為二次蒸餾水。

1.2 化合物2-BBHSNH的合成與表征

化合物2-BBHSNH的合成：稱取鄰甲酰苯硼酸0.15 g(0.001 mol)，以適量乙醇超聲溶解完全。稱取1-氨基-2-萘酚-4-磺酸0.24 g(0.001 mol)，用0.1 mol·L-1NaOH溶液使其溶解完全，再以36%乙酸中和至中性。將上述兩種溶液混合于50 mL圓底燒瓶中，在溫度80 ℃水浴條件下攪拌回流約3 h，有紫紅色結(jié)晶物從溶液中析出，繼續(xù)回流8～9 h，停止反應(yīng)，冷卻過濾，產(chǎn)物先后用95%乙醇和蒸餾水洗滌數(shù)次，自然干燥后得最終產(chǎn)品，產(chǎn)率約為20%。

制得的目標(biāo)產(chǎn)物2-BBHSNH經(jīng)1H NMR和質(zhì)譜確認(rèn)。C17H12BNNaO6S[M-H]-質(zhì)荷比(m/z)為392.05，在質(zhì)譜中，觀察到了質(zhì)荷比(m/z)為392.50處的[M-H]-質(zhì)譜峰，可以推斷合成得到目標(biāo)產(chǎn)物2-BBHSNH。

2-BBHSNH的合成路線如下：

1H NMR(D2O,600 MHz)(ppm):5.568(s,1H,-CH=N-),7.068(t,3H,Ar-H),7.187-7.242(m,1H,Ar-H),7.355(s,1H,Ar-H),7.355(s,1H,Ar-H),7.468(t,1H,Ar-H),7.561(d,1H,Ar-H),7.710(d,1H,Ar-H),8.354(d,1H,Ar-H)

1.3 主體化合物2-BBHSNH儲(chǔ)備液的配制

稱取0.0046 g的主體化合物2-BBHSNH，用蒸餾水溶解后轉(zhuǎn)移到25 mL容量瓶中定容，配成5.0×10-4mol·L-1的儲(chǔ)備液。

2 結(jié)果與討論

圖2 主體2-BBHSNH及加入各種金屬離子后的熒光光譜圖(a)和熒光強(qiáng)度變化圖(b)Fig.2 Fluorescence spectra(a) and intensity change(b) of the host 2-BBHSNH in the presence and absence of various metal ions The concentrations of the host 2-BBHSNH and metal ions are 5.0×10-6 mol/ L and 1.0×10-4 mol/ L,respectively.Reference solution is pH=6.0 KH2PO4-NaOH,λex =450 nm.

2.1 金屬離子對(duì)主體化合物(2-BBHSNH)熒光光譜的影響

圖2顯示了不同金屬離子存在時(shí)主體化合物2-BBHSNH的熒光光譜及熒光強(qiáng)度的變化。由圖可見，當(dāng)加入20倍于主體濃度的Pb2+時(shí)，熒光強(qiáng)度增強(qiáng)了8倍，而加入同等量的其它金屬離子時(shí)光譜變化較小且趨勢(shì)不同，如Cu2+、Mn2+使其熒光強(qiáng)度略有增強(qiáng)，而加入Cd2+、Zn2+、Ag+、Fe3+、Ca2+、Co2+、Ni2+、Hg2+以及堿金屬離子和堿土金屬離子時(shí)主體2-BBHSNH的熒光光譜變化較小，表明主體2-BBHSNH對(duì)Pb2+具有高選擇性光譜響應(yīng)。

2.2 主體2-BBHSNH與Pb2+配合物的吸收光譜及結(jié)合常數(shù)的測(cè)定

圖3為不同濃度Pb2+存在時(shí)主體2-BBHSNH在pH=6.0的KH2PO4-NaOH緩沖液中吸收光譜的變化。由圖可見，主體2-BBHSNH在溶液中最大吸收波長(zhǎng)為520 nm，摩爾吸光系數(shù)為2.03×103L·mol-1·cm-1，Pb2+的加入使主體2-BBHSNH的最大吸收波長(zhǎng)移至595 nm，但摩爾吸光系數(shù)降低；同時(shí)在419、450、578 nm處出現(xiàn)3個(gè)等吸收點(diǎn)。吸收光譜的劇烈變化表明了主體2-BBHSNH與Pb2+金屬配合物的形成。

依據(jù)主客體結(jié)合模型[15]，采用紫外-可見光譜滴定數(shù)據(jù)并結(jié)合下式計(jì)算主客體的結(jié)合常數(shù)與結(jié)合比：

H+nG=HGn

(1)

ln[(A0-Ae)/(Ae-A∞)]=nlnc0+lnKs

(2)

式中，H代表主體，G代表客體，n為二者的結(jié)合比，A0為無客體存在時(shí)主體試劑的初始吸光度，Ae為主體試劑與客體結(jié)合后的吸光度，A∞為主體試劑與客體結(jié)合后的飽和吸光度，Ks為結(jié)合常數(shù)，n為結(jié)合比。擬合曲線見圖4。

圖3 Pb2+不斷加入主體2-BBHSNH的吸收光譜Fig.3 Absorption spectra of the host 2-BBHSNH(5.0×10-5mol/L) upon the addition of Pb2+The concentration of Pb2+ according to the direction of arrow in turn is:0,0.05,0.10,0.15,0.25,0.30,0.40,0.50,0.60,0.70 and 0.80(×10-5 mol·L-1),respectively.Reference solution is pH=6.0 KH2PO4-NaOH.

圖4 ln[(A0-Ae)/(Ae-A∞)]對(duì)lncpb2+的擬合曲線圖Fig.4 Plot of ln[(A0-Ae)/(Ae-A∞)] vs.lncPb2+

圖5 2-BBHSNH與Pb2+可能的結(jié)合模式圖Fig.5 Proposed binding model between the host 2-BBHSNH and Pb2+

由圖4中的斜率與截距計(jì)算出主體2-BBHSNH與Pb2+的配位數(shù)n及結(jié)合常數(shù)Ks，該體系的n值接近于1，與Job-Plot實(shí)驗(yàn)方法采取等摩爾連續(xù)變化法(保持主體2-BBHSNH與Pb(NO3)2溶液的總濃度為5.0×10-5mol·L-1，從0.0到1.0逐漸增加Pb2+的摩爾分?jǐn)?shù)配制不同的溶液，測(cè)定熒光光譜，繪制Job-plot曲線)測(cè)定結(jié)果一致。故認(rèn)為識(shí)別過程中主客體間形成了1∶1型配合物；結(jié)合常數(shù)為43 028.16 L·mol-1，由于鄰位硼酸基團(tuán)參與鉛配合物的配位，故使其配位能力增強(qiáng)，該配合物可能的結(jié)合模式如圖5所示。

2.3 2-BBHSNH用于Pb2+的測(cè)定

2.3.1工作曲線在pH=6.0的KH2PO4-NaOH緩沖溶液中，以激發(fā)波長(zhǎng)為450 nm，發(fā)射波長(zhǎng)為568 nm，其相對(duì)熒光強(qiáng)度△F(△F=F-F0,F為配合物熒光強(qiáng)度，F(xiàn)0為試劑的熒光強(qiáng)度)與Pb2+濃度呈線性關(guān)系，Pb2+的線性范圍為5.0×10-7～1.0×10-4mol·L-1，校正方程為：△F=1.890c(μmol·L-1)+1.977，相關(guān)系數(shù)R=0.9983，檢出限為9.7×10-8mol·L-1。

2.3.3水樣中Pb2+的檢測(cè)采用標(biāo)準(zhǔn)加入法，運(yùn)用本實(shí)驗(yàn)方法對(duì)前湖校區(qū)湖水樣品中的Pb2+進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見表1，回收率在111%～116%范圍內(nèi)。

表1 前湖校區(qū)湖水樣品中的Pb2+ 測(cè)定結(jié)果(n=5)

3 結(jié)論

合成了2-硼酸基苯甲醛-(2′-羥基-4′-磺酸基)萘腙衍生物(2-BBHSNH)，該化合物顯示出對(duì)Pb2+高選擇性光譜響應(yīng)，兩者形成1∶1型發(fā)光配合物。采用熒光光譜法和紫外吸收法研究了主體2-BBHSNH與Pb2+的相互作用。采用紫外-可見光譜滴定數(shù)據(jù)計(jì)算了主體2-BBHSNH與Pb2+的結(jié)合常數(shù)，結(jié)合常數(shù)顯示出主體2-BBHSNH與Pb2+的結(jié)合能力強(qiáng)，可能源于鄰位硼酸基團(tuán)參與了Pb2+的配位作用，使得配合物穩(wěn)定性增強(qiáng)，據(jù)此建立了測(cè)定Pb2+的新方法。該研究不僅拓展了硼酸類熒光傳感器在測(cè)定金屬離子方面的應(yīng)用,而且因主體分子具有極好的水溶性，抗菌、抗病毒等生物活性，把它作為一種對(duì)環(huán)境友好型的Pb2+熒光傳感器，具有很好的應(yīng)用前景。