一種三角架結(jié)構(gòu)的羅丹明-Cu2+ 比色探針研究＊

余 梅，牟 蘭，曾 晞*，衛(wèi) 鋼

(1.貴州大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，貴州省大環(huán)化學(xué)及超分子化學(xué)實驗室，貴州 貴陽 550025;2.澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織，制造業(yè)旗艦，新南威爾士州 悉尼2070)

以氮為中心原子的三角架結(jié)構(gòu)分子，由于其三條柔性鏈可自由翻轉(zhuǎn)，調(diào)控合適的空腔，以適應(yīng)不同分子、離子的結(jié)合。同時，三條側(cè)鏈通過縮合反應(yīng)很容易進行修飾，側(cè)鏈取代基的多樣性，使其具有豐富多變的立體配位結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出優(yōu)良的識別配位性能。文［1］報道由三氨乙基胺與三個羥基芘甲醛縮合得到的三角架探針，通過比率吸收識別釩酸四聚體;文［2］在三角架結(jié)構(gòu)中分別引入吡啶、8-氨基喹啉及蒽熒光團得到Zn2+的熒光探針。文［3］利用三氨乙基胺與羅丹明、丹酰氯或?qū)妆交酋Ｂ确植娇s合得到支鏈不同的三角架熒光探針，在含水10%的乙腈中性溶劑中識別Cu2+;文［4］在羅丹明二乙基三胺上引入2-羥基萘甲醛，得到同時響應(yīng)Cr3+和Fe3+的熒光探針。文［5］用親水的酰胺基連接2-氨基吡啶和羅丹明得到一種完全溶于水的Fe3+熒光探針。利用羅丹明的螺環(huán)和開環(huán)兩種互變結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對離子的可視檢測是該類探針的設(shè)計思想。本課題組也報道了以三乙醇胺構(gòu)建的系列羅丹明三角架型的Cu2+、Hg2+熒光探針［6－7］。

作為課題組在三角架熒光探針研究工作的延續(xù)，本文以三乙醇胺為三角架結(jié)構(gòu)平臺，在其三個側(cè)鏈上分別用2，4-二羥基苯甲醛將羅丹明B 酰肼連接，對三個側(cè)鏈羥基進行修飾，制備得到三角架結(jié)構(gòu)的羅丹明探針(s4)。作為檢測微量金屬離子的比色探針，表現(xiàn)出對Cu2+的高靈敏、高選擇識別，且在中性水溶性介質(zhì)中實現(xiàn)對合成水樣中微量Cu2+的檢測。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Ultrospec 5300 pro 紫外－可見分光光度計(Amersham Biosciences);JEOL ECX-500 核磁共振儀(日本電子株式會社);質(zhì)譜HP579-MSFD(美國惠普公司);Vertex 70 FT-IR 紅外光譜儀(德國Bruker);X-5 數(shù)字顯示顯微熔點測定儀(北京泰克儀器有限公司，溫度未校正)。

1.2 合成

探針s4 的合成路線如圖1。中間體a 和羅丹明B 酰肼參照文獻［8－9］合成，探針s4 通過中間體a 和羅丹明B 酰肼分子間縮合反應(yīng)即可制得。

圖1 探針s4 的合成路線

氮氣保護下，于裝有30 mL 無水甲醇/無水氯仿(v/v，1/1)的100 mL 圓底燒瓶中加入中間體a(0.5 g，0.9 mmol)，攪拌下滴加過量的羅丹明B 酰肼(1.5 g，3.2 mmol)的30 mL 無水甲醇/無水氯仿(v/v，1/1)溶液，滴加完畢，加入1 mL 冰乙酸?；亓?4 h，TLC 跟蹤反應(yīng)進程。蒸干溶劑，得紅色粘稠物，向其中加入20 mL 甲醇，超聲波震蕩后產(chǎn)生沉淀。將沉淀物過濾，用甲醇洗滌，真空干燥，得淡紅色固體s4，產(chǎn)率78%。mp:184～187 ℃;1H NMR(500 MHz，CDCl3)，δ(ppm):1.14(t，36H，NCH2CH3，J=6.9 Hz)，3.01 (d，6H，NCH2CH2O，J=5.2 Hz)，3.32 (d，24H，NCH2CH3，J=6.9 Hz)，3.96 (d，6H，NCH2CH2O，J=5.2 Hz)，6.25～6.32(m，12H，Xanthene-H and ArH，J=8.6 Hz)，6.46～6.51(m，12H，Xanthene-H，J=8.6 Hz)，6.91(d，3H，ArH，J=8.6 Hz)，7.17 (d，3H，ArH，J=7.5 Hz)，7.51(t，6H，ArH，J=6.0 Hz)，7.96(d，3H，ArH，J=6.8 Hz)，9.18(s，3H，－CH=N)，10.99(s，3H，－OH);13C NMR (CDCl3)，δ(ppm):12.73，44.45，55.83，66.60，66.75，98.03，101.93，105.64，106.94，108.13，112.36，123.27，124.23，128.27，130.52，132.67，149.10，150.68，153.48，153.73，160.59，161.49，164.04;ESI-MS:m/z 1825.6［M+2H］+。

1.3 實驗方法

1.3.1 標準溶液配制

探針s4 儲備液(1.00×10－4mol·L－1):稱取17.8 mg s4 用DMF 溶解，配制成100 mL 溶液。Cu2+儲備液(1.00×10－2mol·L－1):稱取241.5 mg Cu(NO3)2·3H2O，DMF 溶解，配制成100 mL 溶液。其它金屬離子配制方法相同。實驗用水為二次蒸餾水。Tris-HCl 緩沖溶液(5.00×10－3mol·L－1，pH 6):取0.05 mol·L－1Tris 及適量的HCl相混合，調(diào)節(jié)pH 值至所需。

1.3.2 光譜測量

在10.0 mL 容量瓶中依次加入探針s4 儲備液(1.00×10－4mol·L－1，0～8.0 mL)，Tris-HCl 緩沖溶液(5.00×10－2mol·L－1，0～2.0 mL)，Cu2+儲備液(2.00×10－3mol·L－1，1mL)或其他金屬離子。用DMF/H2O(1/1，v/v)溶液稀釋至刻度，搖勻，超聲震蕩3 min，進行光譜測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 光譜性質(zhì)

通過考察不同溶劑中探針s4 的光譜性質(zhì)，篩選出DMF/H2O(1∶1，v/v，pH 6)為測試的最佳介質(zhì)條件。在此條件下進行紫外－可見光譜掃描，探針s4 溶液無明顯的紫外－可見吸收。金屬離子(40 μm)Cu2+，Cr3+，Ca2+，Cd2+，Mg2+，Na+，Co2+，Ni2+，Mn2+，Hg2+，F(xiàn)e3+，K+，Sr2+，Zn2+，Al3+分別加入探針s4(2 μm)溶液中，只有Cu2+的加入能使探針s4 溶液顏色立即由無色變?yōu)樽霞t色，在558 nm 處產(chǎn)生強烈吸收，探針對Cu2+表現(xiàn)出高選擇性識別作用，而其他金屬離子均不能引起探針s4 的顏色和吸光度變化(圖2)。

圖2 探針s4(2 μm)對金屬離子(40 μm)的紫外-可見吸收光譜(其他金屬離子X:Cr3+，Ca2+，Cd2+，Mg2+，Na +，Co2+，Ni2+，Mn2+，Hg2+，F(xiàn)e3+，K +，Sr2+，Zn2+，Al3+)

改變Cu2+濃度對探針s4 溶液進行的光譜滴定顯示，隨著Cu2+濃度的增大，探針s4 溶液的紫紅色逐漸加深，在558 nm為最大吸收波長下測定的吸光度值逐漸增大。測定Cu2+濃度對探針s4溶液(2 μm)的吸收增強校準曲線，在Cu2+濃度為2.0×10－7～1.6×10－5mol·L－1范圍內(nèi)，吸光度與Cu2+濃度呈線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R=0.9985(n=12)，檢出限為1.052×10－7mol·L－1(n=10)，平行測定5 次1.40×10－5mol·L－1Cu2+與探針s4(2.00×10－6mol·L－1)溶液的相對標準偏差為3.57%。

在2 μm 的探針s4 和40 μm 的Cu2+混合溶液中分別加入其它金屬離子作為共存干擾離子，測定共存離子加入前后對探針s4 檢測Cu2+吸光度值的影響(圖3)。結(jié)果表明，吸光度的偏差在5%以內(nèi)時，探針s4 對Cu2+的檢測幾乎不受其它實驗金屬離子的干擾。共存金屬離子量相當于Cu2+濃度倍數(shù)分別為:Ca2+，Mg2+，Na+，K+為100 倍;Mn2+，Hg2+，Sr2+，Ni2+為50 倍;Fe3+，Al3+為5 倍;Cr3+，Cd2+，Co2+，Zn2+為1 倍。

圖3 干擾離子影響(灰色條代表探針s4(2 μm)中加入Cu2+離子(40 μm)的吸光度變化，黑色條代表在探針s4-Cu2+配合物中，再分別加入其他金屬離子的吸光度強度變化。其他金屬離子:Cr3+，Ca2+，Cd2+，Mg2+，Na +，Co2+，Ni2+，Mn2+，Hg2+，F(xiàn)e3+，K +，Sr2+，Zn2+，Al3+)

用EDTA 考察了探針識別Cu2+的可逆性質(zhì)。由圖4 可見，在558 nm 處探針s4(2 μm)溶液本身基本無可見吸收，呈無色透明，加入3 倍量的Cu2+后在該波長處有強吸收，溶液立即變?yōu)樽霞t色，表明探針Cu2+對有良好響應(yīng);再加入與Cu2+等量的EDTA 后溶液再次變?yōu)闊o色透明，可見吸收消失，表明Cu2+已被EDTA 全部絡(luò)合，探針重新游離出來;在該溶液中再次加入3 倍量的Cu2+后，溶液再次變?yōu)樽霞t色，說明重新游離出來的s4 仍可以與Cu2+作用形成配合物。結(jié)果證明，該探針與Cu2+的結(jié)合是一個可逆過程，探針具備循環(huán)使用的特征。

2.2 配合作用的機理

圖4 配合物s4-Cu2+(DMF/H2O，1/1，v/v，pH 6)溶液中加入絡(luò)合劑EDTA 前后的光譜圖((a)s4(2 μm);(b)s4(2 μm)+Cu2+(6 μm);(c)s4(2 μm)+Cu2+(6 μm)+EDTA(6 μm);(d)s4(2 μm)+Cu2+(6 μm)+EDTA (6 μm)+Cu2+(6 μm))

用KBr 壓片法分別測定了探針s4、s4-Cu2+的紅外光譜圖。Cu2+的加入使得s4 中的酰胺基氧吸收峰(1693 cm－1)移動到1592 cm－1處，說明酰胺基氧原子參與了s4 對Cu2+的配合。1H NMR 核磁測定譜如圖5，加入Cu2+后探針s4 分子中的羅丹明基團的質(zhì)子峰(Hc，Hd，He，Hf，Hg，Hh和Hi)均變寬，且均向低場移動(Δδ=0.071，0.049，0.043，0.117，0.077，0.146 ppm)，說明羅丹明基團的電子密度降低，證明Cu2+與探針s4 中的酰胺基作用，引起了羅丹明螺環(huán)開環(huán)，從而引起吸收強度變化;苯環(huán)上的羥基質(zhì)子峰(Ha)及CH=N 上的質(zhì)子峰(Hb)均顯著減小，說明探針s4 結(jié)構(gòu)中的羥基及CH=N 均在s4-Cu2+配合物的形成過程中發(fā)揮作用。識別機理與前期文獻［7］報道一致。

圖5 探針s4(a)及s4-Cu2+(b)在CDCl3/CD3CN(4/1，v/v)中的1H NMR 譜圖

2.3 水樣中Cu2+的測定

在上述測試條件下，用探針s4 對自來水、湖水等合成樣品中Cu2+進行標準加入法測試，見表1。結(jié)果顯示各樣品的檢測回收率在95%～105%之間，回收率良好，可作為實際樣品中Cu2+的檢測方法。

表1 污染水樣品中檢測Cu2+

(A)自來水和湖水樣品的合成:Cu2+(10 μm)，s4(2 μm);(B)自制樣品1 的合成:Cu2+(10 μm)，s4(2 μm)，樣品中各離子濃度:Cd3+(10 μm);Fe3+(50 μm);Al3+(50 μm);Ni2+(200 μm);Mn2+(500 μm);Hg2+(500 μm);Ca2+(1000 μm);(C)自制樣品2 的合成:Cu2+(10 μm)，s4(2 μm)，樣品中各離子濃度:Cr3+(10 μm);Al3+(50 μm);Ni2+(200 μm);Mn2+(500 μm);Sr2+(500 μm);Mg2+(1000 μm)。條 件:DMF/H2O，1/1，v/v，pH 6。

3 結(jié)果與討論

三角架結(jié)構(gòu)的探針由于三個柔性臂及連接的基團，提供了與特定金屬離子配合的適合空間及作用位點，因而能夠獲得不同性能的探針。本文報道的三角架型羅丹明探針在分子結(jié)構(gòu)上與前期研究報道有相似性，但由于羥基與羅丹明基團之間連接中間體的結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)致識別性能與已報道的探針相比呈現(xiàn)差異。(1)作為Cu2+比色探針表現(xiàn)出了非常優(yōu)越的選擇性，包括Hg2+、Fe3+及Co2+等離子的共存干擾均很小;(2)作為裸眼可視檢測的比色探針，顏色變化敏銳且響應(yīng)極快?？梢娢諜z測靈敏性高，檢測限達1.052×10－7mol·L－1;(3)良好的水溶性及中性介質(zhì)測量條件，且可循環(huán)使用，將在實際樣品檢測上顯示良好的應(yīng)用潛力。

［1］Ying Zhou，Ji Young Jung，Hye Ryeong Jeon，et al.A Novel Supermolecular Tetrameric Vanadate-Selective Colorimetric and“Off-On”Sensor with Pyrene Ligand［J］.Org Lett，2011，13(10):2742－2745.

［2］Yang Ma，Haiyan Chen，F(xiàn)ang Wang，et al.A highly sensitive and selective ratiometric fluorescent sensor for Zn2+ion based on ICT and FRET［J］.Dyes and Pigments，2014，102:301－307.

［3］Min Hee Lee，Hyun Jung Kim，Sangwoon Yoon，et al.Metal Ion Induced FRET OFF-ON in Tren/Dansyl-Appended Rhodamine［J］.Org Lett，2008，10(2):213－216.

［4］Lohar S，Banerjee A，Sahana A，et al.A rhodamine-naphthalene conjugate as a FRET based sensor for Cr3+and Fe3+with cell staining application［J］.Anal.Methods，2013，5:442－445.

［5］Ji S Z，Meng X M，Ye W P，et al.A rhodamine-based“turn-on”fluorescent probe for Fe3+in aqueous solution［J］.Dalton Trans.，2014，43:1583－1588.

［6］Xi Zeng，Chong Wu，Lei Dong，et al.A new tripodal rhodamine fluorescent chemosensor for Cu2+［J］.Sci.China Ser B:Chem，2009，39(4):350－356.

［7］Xi Zeng，Lei Dong，Chong Wu，et al.Highly sensitive chemosensor for Cu(II)and Hg(II)based on the tripodal rhodamine receptor［J］.Sensors and Actuators B，2009，141:506－510.

［8］Dillip K C，Kaliappa G R，Thomas C W M，et al.Tetrahedral recognition of a water molecule by heteroditopic cryptands:X-ray structural studies［J］.J.Org.Chem，1996，61(3):1169－1171.

［9］Yang X F，Guo X Q，Zhao Y B.Development of a novel rhodamine-type fluorescent probe to determine peroxynitrite［J］.Talanta，2002，57(5):883－890.