羅丹明-乙二胺類熒光探針的合成及對Hg2+識別研究*

楊 楊，高超穎，鄭秋穎，張 麗，陳 靜，劉景林

（內(nèi)蒙古民族大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，內(nèi)蒙古通遼028000）

羅丹明-乙二胺類熒光探針的合成及對Hg2+識別研究*

楊 楊*，高超穎，鄭秋穎，張 麗，陳 靜，劉景林

（內(nèi)蒙古民族大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，內(nèi)蒙古通遼028000）

基于羅丹明螺內(nèi)酰胺在金屬離子誘導(dǎo)下發(fā)生開環(huán)的機(jī)理，以羅丹明B和乙二胺縮合反應(yīng)得到一種羅丹明酰乙二胺類探針分子RbEA。通過紫外光譜法和熒光光譜法研究了探針RbEA在乙醇-Tris緩沖溶液中與金屬離子的識別特性。結(jié)果表明探針RbEA可選擇性比色和熒光識別汞離子，體系的吸收和熒光強(qiáng)度與汞離子濃度具有較好的線性關(guān)系，等物質(zhì)的量連續(xù)變化法實(shí)驗(yàn)顯示探針與汞離子形成1：1的配合物。

熒光探針；汞離子識別；比色響應(yīng)；熒光響應(yīng)

隨著工業(yè)化尤其是電子業(yè)的發(fā)展，大量含Hg2+、Pb2+、Cd2+、Cr3+等重金屬離子的污染物被排放到環(huán)境中，已經(jīng)成為危害人類的一個世界問題。雖然現(xiàn)代儀器分析手段已經(jīng)很成熟的檢測上述離子，但是由于儀器運(yùn)行成本較高、使用維護(hù)繁瑣，只被專業(yè)檢測機(jī)構(gòu)所采用［1，2］。熒光探針技術(shù)具有靈敏度高、選擇性好、檢測方便、成本低廉等特點(diǎn)，在眾多檢測手段中脫穎而出，成為環(huán)境分析和生命科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)［3］。羅丹明類熒光染料具有光穩(wěn)定性好、量子產(chǎn)率高、對酸堿不敏感等特點(diǎn)，成為熒光探針的設(shè)計(jì)的首選材料［4-8］。本文在前期離子型熒光傳感器研究工作的基礎(chǔ)上［9，10］，利用羅丹明螺內(nèi)酰胺母體在金屬離子誘導(dǎo)下發(fā)生開環(huán)的機(jī)理，將羅丹明B和乙二胺縮合得到了羅丹明探針分子RbEA。通過與汞離子配位前后的紫外-可見吸收光譜和熒光發(fā)射光譜的波長變化，實(shí)現(xiàn)了對環(huán)境中汞離子目視比色分析和熒光定性、定量分析檢測。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

儀器：TU-1901型雙光束紫外可見分光光度計(jì)，譜析通用儀器；JASCO FP-6500型熒光分光光度計(jì)，日本分光公司；Nicolete-5700型紅外光譜儀，美國熱電尼高力儀器；Bruker AVANCE-300M核磁共振光譜儀，德國布魯克分析儀器。

實(shí)驗(yàn)材料：羅丹明B，乙二胺，無水乙醇均為市售分析純，金屬硝酸鹽為結(jié)晶水合物，蒸餾水為二次蒸餾制得。

1.2 探針的制備

1.2.1 熒光探針RbEA的合成

按照文獻(xiàn)報(bào)道的方法［11］合成了探針RbEA。準(zhǔn)確稱量羅丹明B（2.22 g，5 mmol）于50 mL的圓底燒瓶中，加入30 mL無水乙醇將其溶解，加入2 mL乙二胺，磁力攪拌下將反應(yīng)液回流過夜。當(dāng)羅丹明顏色褪去后，停止反應(yīng)。將反應(yīng)液逐漸冷卻至室溫，傾倒入飽和食鹽水中，二氯甲烷萃取，無水硫酸鎂干燥濃縮后進(jìn)行柱層析分離（展開劑為石油醚：乙酸乙酯=5∶1）得白色粉末，即為羅丹明酰乙二胺RbEA，產(chǎn)率約為65%。1H NMR（300 MHz，CDCl3）δ 7.89（d，J= 10.9 Hz，1H），7.52-7.38（m，2H），7.09（d，J=3.4 Hz，1H），6.42（d，J=8.8 Hz，2H），6.36（d，J=2.5 Hz，2H），6.27（dd，J=8.9，2.6 Hz，2H），3.33（q，J=7.1 Hz，8H），3.26（d，J=5.8 Hz，2H），2.71（t，2H），1.16（t，J=7.0 Hz，12H）.IR（KBr，cm-1）：ν=3426，2967，2925，1690，1634，1614，1515，1380，1218，1118，820，787。

1.2.2 羅丹明熒光探針溶液制備和檢測

將化合物RbEA用乙醇配成1.0×10-4mol/L儲備溶液，測試前用乙醇-Tris（體積比為8∶2，pH=7.4）混合液將上述儲備液稀釋為1.0×10-5mol/L；金屬鹽用去離子水配成1×10-2mol/L溶液。取3 mL樣品液于比色皿中，測定紫外-可見吸收光譜和熒光光譜。

測試條件：室溫，樣品池為1 cm×1 cm×4 cm石英比色皿，熒光光譜以λex=550 nm為激發(fā)波長，掃描560 nm～680 nm波長范圍內(nèi)的熒光發(fā)射光譜，狹縫為1 nm。

1.3 樣品測定

1.3.1 探針對汞離子的比色檢測

為測試探針RbEA對金屬離子的選擇性，首先進(jìn)行裸眼比色檢測實(shí)驗(yàn)。探針RbEA本體溶液無色，無熒光發(fā)射。當(dāng)加入Hg2+后，溶液顏色迅速變?yōu)榉奂t色，在365 nm紫外燈照射下，出現(xiàn)較強(qiáng)的紅色熒光。在相同條件下，其它金屬離子如：Mg2+、Ca2+、Fe2+、Fe3+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+，Cd2+、Pb2+、Ag+均無明顯響應(yīng)。

1.3.2 探針檢測條件

通過對探針在580 nm處熒光強(qiáng)度的時間掃描光譜測試，發(fā)現(xiàn)加入Hg2+后探針溶液熒光強(qiáng)度與反應(yīng)時間成正比關(guān)系，在20 min后熒光強(qiáng)度達(dá)到最大值。這表明探針RbEA對Hg2+的選擇性檢測最佳時間為20 min。因此，在吸收和發(fā)射光譜的選擇性和干擾、滴定測試中，一般加入金屬離子20 min后記錄光譜數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 測定結(jié)果

2.1.1 紫外-可見光譜法研究結(jié)果

為了定量分析探針對相關(guān)離子的選擇性，選取可見光區(qū)（450 nm～650 nm）進(jìn)行了吸收光譜選擇性的測定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，空白探針溶液和在加入Mg2+、Ca2+、Fe2+、Fe3+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+、Pb2+、Ag+等離子時，557 nm處的吸收強(qiáng)度均低于0.05，此時探針溶液無明顯顏色變化。當(dāng)加入Hg2+后，探針RbEA在557 nm處的吸收強(qiáng)度迅速增加到0.4，溶液的顏色由無色變?yōu)榉奂t色，這是由于Hg2+誘導(dǎo)探針螺環(huán)結(jié)構(gòu)打開所致。

圖1 探針RbEA的吸收選擇性和干擾實(shí)驗(yàn)

探針的吸收光譜干擾試驗(yàn)如圖1插圖所示：當(dāng)Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+、Pb2+、Ag+離子存在時（黑色柱狀圖），再向混合體系中加入Hg2+（紅色柱狀圖），557 nm處的吸收強(qiáng)度均接近0.4，溶液顏色迅速變?yōu)榉奂t色。該結(jié)果表明在其他離子共存條件下，探針RbEA對Hg2+的識別幾乎不產(chǎn)生干擾，探針RbEA可高選擇性的識別Hg2+并具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

圖2 探針RbEA的吸收滴定光譜

為了更好研究探針RbEA對不同濃度的Hg2+的響應(yīng)能力，進(jìn)行了紫外-可見吸收光譜的汞離子滴定實(shí)驗(yàn)（圖2）。當(dāng)Hg2+體積為0時，探針螺環(huán)結(jié)構(gòu)未開啟，此時溶液無色、無吸收。隨著加入Hg2+體積的逐漸增大（1 μL～120 μL），在556 nm處的吸收光譜強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，并隨汞離子濃度的改變呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，通過擬合得到線性回歸方程y=0.003 56x-0.003 8（線性相關(guān)系數(shù)：R=0.997 5）。這表明探針RbEA可用來定量檢測Hg2+的濃度。

2.1.2 熒光光譜法研究結(jié)果

探針RbEA的熒光選擇性實(shí)驗(yàn)在550 nm的光源激發(fā)下測定探針溶液熒光光譜的變化。結(jié)果如圖3所示，空白探針溶液的波長大于500 nm處無明顯熒光發(fā)射，而當(dāng)溶液中存在Hg2+時，探針在578 nm處熒光強(qiáng)度迅速增強(qiáng)至370。在相同條件下，除了Fe3+加入后出現(xiàn)了微弱的熒光變化（強(qiáng)度約為30），其它金屬離子均無響應(yīng)。這些數(shù)據(jù)表明探針RbEA在排除Fe3+產(chǎn)生的熒光干擾后，對Hg2+具有較高的識別能力。

圖3 探針RbEA的熒光選擇性

圖4為熒光探針RbEA隨Hg2+體積逐漸增大熒光發(fā)射光譜的變化。光譜數(shù)據(jù)顯示，隨著Hg2+濃度的逐漸增大，熒光強(qiáng)度在578 nm處不斷增強(qiáng)，溶液顏色也從無色逐漸變?yōu)榉奂t色，裸眼即可方便地定性分辨出溶液中是否含有Hg2+。當(dāng)過量的Hg2+存在時，RbEA溶液的熒光發(fā)射強(qiáng)度仍有所增加，但其增加趨勢逐漸減弱，表明探針與Hg2+存在著良好的絡(luò)合作用。利用578 nm處的光譜滴定數(shù)據(jù)進(jìn)行Poly?nomial擬合，其線性相關(guān)系數(shù)R=0.996，如圖4插圖所示，當(dāng)Hg2+體積為0～200 μL范圍內(nèi)，與熒光強(qiáng)度具有良好的線性關(guān)系。

圖4 探針RbEA的熒光滴定光譜

2.2 熒光探針檢測機(jī)理

為了進(jìn)一步確定Hg2+與探針RbEA之間的配位比，采用等物質(zhì)的量連續(xù)變化法［12］（Job’s plot）進(jìn)行分析。試驗(yàn)中將探針RbEA與Hg2+的總濃度保持10-4mol/L不變。從圖5可以看出，隨著Hg2+摩爾分?jǐn)?shù)的不斷變化，探針RbEA在最大發(fā)射波長處的熒光強(qiáng)度隨之變化。當(dāng)Hg2+的摩爾分?jǐn)?shù)為0.5時，探針溶液熒光響應(yīng)強(qiáng)度最大，表明探針RbEA與Hg2+的絡(luò)合比是1∶1。

圖5 探針RbEA和Hg2+的工作曲線測試

根據(jù)探針與汞離子作用的現(xiàn)象，我們推測其識別過程為：在加入Hg2+之前，探針分子為螺內(nèi)酰胺結(jié)構(gòu)，整個分子的平面性較高，此時溶液無色、無熒光。當(dāng)探針檢測到汞離子后，酰胺的N和O結(jié)合位點(diǎn)與Hg2+進(jìn)行配位，分子的螺內(nèi)酰胺環(huán)打開，光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移過程受阻，溶液顏色由無色變?yōu)榉奂t，同時產(chǎn)生明顯的熒光變化。

圖6 探針RbEA與Hg2+可能的配位機(jī)理

3 結(jié)論

本文基于金屬離子誘導(dǎo)羅丹明螺內(nèi)酰胺開環(huán)反應(yīng)特性，合成了羅丹明酰乙二胺類熒光探針分子RbEA，并利用核磁共振氫譜和紅外光譜對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。在乙醇-Tris（V∶V=8∶2，pH=7.4）溶液中，探針RbEA與汞離子配位后紫外-可見吸收光譜和熒光發(fā)射光譜發(fā)生明顯變化，溶液顏色由無色變?yōu)榉奂t并伴隨著紅色熒光發(fā)射。通過等物質(zhì)的量連續(xù)變化法實(shí)驗(yàn)測試，當(dāng)Hg2+摩爾分?jǐn)?shù)為0.5時熒光出現(xiàn)最大值，說明RbEA-Hg2+的絡(luò)合比為1∶1。該探針能快速、高效地比色和熒光識別Hg2+，在土壤和水體中的汞離子檢測具有一定的價(jià)值。

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楊 楊（1981-），男，內(nèi)蒙古民族大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院講師。2013年在中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室獲博士學(xué)位，主要從事有機(jī)熒光染料和熒光探針的設(shè)計(jì)合成，yangyang-000@163.com；

劉景林（1969-），男，內(nèi)蒙古民族大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教授，2006年畢業(yè)于吉林大學(xué)獲博士學(xué)位，研究方向?yàn)樘烊划a(chǎn)物化學(xué)及有機(jī)合成方法學(xué)，jlliu2000@126.com。

Synthesis of Rhodamine-Ethylenediamine Fluorescent Probe for Hg2+Ions*

YANG Yang*，GAO Chaoying，ZHENG Qiuying，ZHANG Li，CHEN Jing，LIU Jinglin
（College of chemistry and chemical Engineering，Inner Mongolia University for the Nationalities，Tongliao Neimenggu 028000，China）

Based on the metal ion induced rhodamnine spirolactam ring opening mechanism，the rhodamine fluores?cent probe RbEA have been synthesized by the condensation reaction of rhodamine B and Ethylenediamine.The recognition properties of RbEA with metal ions had been investigated in EtOH-Tris solution by fluorescence and UV-vis spectrophotometry.The results showed that the probe RbEA exhibits highly selectivity to Hg2+with colori?metric and fluorogenic responses.There was a good linear relationship between the absorbance and fluorescence in?tensity of RbEA and the concentration of Hg2+.The job’s analysis indicated a 1∶1 ligand-Hg2+complex was formed.

fluorescent probes；Hg2+recognition；colorimetric response；fluorescent response

O657.3

A

1004-1699(2015)10-1438-04

??7230L

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.10.003

項(xiàng)目來源：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21362020）；內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2014BS0205）；內(nèi)蒙古民族大學(xué)科學(xué)研究基金項(xiàng)目（NMD1311，NMDGP1403）；內(nèi)蒙古民族大學(xué)博士科研啟動基金（BS311）

2015-04-03 修改日期：2015-08-07