一種基于肟的對次氯酸根離子的高效比色和熒光的化學(xué)傳感器的合成和性質(zhì)研究

陳夢雪，余柱，駱早利，李焰，任君

(湖北大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖北 武漢430062)

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一種基于肟的對次氯酸根離子的高效比色和熒光的化學(xué)傳感器的合成和性質(zhì)研究

陳夢雪，余柱，駱早利，李焰，任君

(湖北大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖北 武漢430062)

次氯酸作為一種不穩(wěn)定的弱酸，在日常生活中被廣泛應(yīng)用；而作為一種重要的活性氧物種，在眾多生理和病理的過程中也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用.本文中設(shè)計(jì)、合成以蒽為熒光發(fā)色基團(tuán)，以肟為識別基團(tuán)的對ClO-高效選擇性識別的熒光傳感器S.傳感器S對ClO-有很好的選擇性識別能力，而且其他大部分的ROS活性氧簇離子對次氯酸根離子的測定也無干擾，該探針分子對ClO-有很快的響應(yīng)速度，在2 min左右即可完成，而且探針分子S對ClO-的檢測限D(zhuǎn)L達(dá)到6.37×10-7mol/L.

蒽醛；肟；熒光傳感器；次氯酸根

0 引言

HClO作為ROS(reactive oxygen species，活性氧簇)的重要成員之一，與我們的日常生活也是息息相關(guān)的.例如漂白水、84消毒液的主要成分都是次氯酸鈉[1].次氯酸作為一種強(qiáng)親核非自由基氧化劑，在自然界中是各種生物用來防御的天然殺菌劑.其殺菌的機(jī)制是無論是哺乳動(dòng)物還是細(xì)菌細(xì)胞都缺少可以分解它的酶而不能避免它的作用.它集中分布在白血球中，包括中性粒細(xì)胞、巨噬細(xì)胞等，擔(dān)負(fù)著重要的生物學(xué)功能[2].在生物體內(nèi)，經(jīng)過氧化物酶(MPO)的催化，過氧化氫離子能夠與氯離子反應(yīng)生成次氯酸根離子.它是一種良好的抗菌劑，能有效阻止細(xì)菌的侵入，對人體的免疫系統(tǒng)具有非常重要的作用[3].但是過量的次氯酸引起的氧化過激而導(dǎo)致的白血病、腎炎等多種疾病是令人駭然的[4-6].

目前，常用的一些檢測HClO的方法包括：原子吸收光譜法、原子發(fā)射光譜法以及伏安法，這些分析手段在實(shí)際應(yīng)用中對于一些普通的金屬離子，可能具有一定的識別分析作用，但是對于人體內(nèi)的ROS來說，就毫無用武之地[7].另外，這些方法既昂貴又繁瑣，且常常需要特殊的實(shí)驗(yàn)儀器，不適用于實(shí)時(shí)和原位分析.近些年來，熒光分析法由于其一些特殊的優(yōu)點(diǎn)，逐漸進(jìn)入了化學(xué)研究者的視線，其特點(diǎn)包括：靈敏度高、選擇性高、空間分辨能力高及對細(xì)胞損傷小等[8].

本文中我們以簡單的以蒽醛為原料，與鹽酸羥反應(yīng)，合成以肟為識別基團(tuán)，以蒽為熒光基團(tuán)的特異性識別次氯酸根離子的傳感器S，并對其識別性能進(jìn)行了研究.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑和儀器 試劑：9-蒽醛；鹽酸羥胺；吡啶；三氯甲烷；鹽酸；碳酸氫鈉；無水硫酸鈉；次氯酸鈉；氟化鈉；氯化鈉；溴化鈉；碘化鈉；醋酸鈉；亞硝酸鈉；硝酸鈉；硫氰化鉀；硫酸鈉；亞硫酸氫鈉；磷酸鉀；磷酸氫二鈉；磷酸氫二鉀；亞硫酸鈉；硫代硫酸鈉；高氯酸；氯酸鉀.其他試劑均為市售分析純，使用前未經(jīng)純化.

儀器：核磁用美國 VARIAN Unity INOVA(600 MHz) 和中國科學(xué)院 WIPM (400 MHz) 核磁共振波譜儀測定，指定氘代試劑為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo)；紅外用FTIR-Spectrum one(美國Perkin-Elmer公司)紅外光譜儀測定；熒光用日本的Shimadzu RF-5301PC熒光光譜儀測定；質(zhì)譜用安捷倫1260-6224 LC-MS TOF ESI(EI)液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用測試儀測定.

圖1 從左到右依次是在紫外熒光照射下的照

2 結(jié)果與討論

2.2 探針分子對不同濃度的次氯酸的滴定實(shí)驗(yàn) 為進(jìn)一步研究傳感器S的識別性能，我們研究了在不同濃度的ClO-的存在下的熒光發(fā)射光譜.如圖2所示，隨著ClO-濃度的增加，其最大熒光發(fā)射強(qiáng)度逐漸減弱，當(dāng)加入1×10-4mol/L的ClO-時(shí)，最大熒光發(fā)射強(qiáng)度不再減小，繼續(xù)增加ClO-的濃度，熒光發(fā)射強(qiáng)度沒有明顯變化.而且在2×10-5mol/L到1×10-4mol/L范圍內(nèi)，最大熒光發(fā)射強(qiáng)度與ClO-吸收濃度有很好的線性關(guān)系，表明該傳感器分子可用于ClO-的定量檢測.熒光增強(qiáng)的原因可能為：傳感器分子S中肟基中的羥基具有很強(qiáng)的供電子能力，且碳氮雙鍵又具有拉電子能力，所以探針分子就具有明顯的“拉-推”效應(yīng)，從而發(fā)出較強(qiáng)的熒光.隨著次氯酸的加入，肟基被脫保護(hù)變回醛基，使分子內(nèi)ICT(分子內(nèi)電荷的轉(zhuǎn)移)過程受到抑制，導(dǎo)致熒光光譜減弱.

圖1 傳感器S(2×10-5 mol/L)中加2×10-5 mol/L的不同陰離子的熒光吸收光譜圖DMSO-H2O(1∶1，體積比)

圖3 傳感器S(2×10-5 mol/L)中加不同物質(zhì)量濃度的

為計(jì)算傳感器S對ClO-的檢測限(DL)，以熒光吸收強(qiáng)度F對ClO-濃度作圖，線性擬合得線性回歸方程：F=-358.0[ClO-]+752.3，上式中F為最大熒光吸收波處的吸光強(qiáng)度，相關(guān)系數(shù)R2=0.995 4.如圖3所示.

根據(jù)Stern-Volmer[11]方程，檢測限D(zhuǎn)L=Kδ/S，式中δ為空白溶液熒光吸收強(qiáng)度多次測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差，本實(shí)驗(yàn)10次平行測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差δ為3.801；K是根據(jù)一定置信水平確定的次數(shù)，一般取3；S是靈敏度，即上述線性回歸方程的斜率的絕對值，計(jì)算得探針分子S的檢測限D(zhuǎn)L為6.37×10-7mol/L.這表明探針分子S對ClO-的檢測具有較高的靈敏度.

圖4 傳感器S(2×10-5 mol/L)對不同物質(zhì)量濃度的ClO-的熒光吸收強(qiáng)度變

圖5 其他離子對ClO-的干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果DMSO-H2O(1∶1，體積比)

圖6 傳感器S(2×10-5 mol/L)對ClO-的響應(yīng)時(shí)間DMSO-H2O(1∶1，體積比)

2.4 探針分子與目標(biāo)離子的反應(yīng)時(shí)間實(shí)驗(yàn) 響應(yīng)時(shí)間也是考察一個(gè)傳感器性能的重要指標(biāo)之一.我們通過熒光動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究了了探針分子S(2×10-5mol/L)對目標(biāo)離子ClO-的響應(yīng)時(shí)間，記錄反應(yīng)時(shí)間對體系熒光強(qiáng)度的影響.如圖5所示，結(jié)果表明體系在反應(yīng)2 min左右達(dá)到穩(wěn)定，且熒光強(qiáng)度能至少穩(wěn)定20 min.結(jié)果表明，探針S對ClO-有很快響應(yīng)，有望用于活細(xì)胞的熒光成像和生物體系的檢測.

圖7 9-蒽醛肟的核磁譜圖

圖8 蒽醛的核磁譜

3 結(jié)論

本文中我們通過一步簡單的化學(xué)反應(yīng)高效地合成了熒光探針S.該探針分子對ClO-有很好的選擇性識別能力，隨著ClO-的加入，熒光逐漸減弱，而其他常見陰離子加入后熒光強(qiáng)度未發(fā)生明顯的變化.熒光增強(qiáng)的原因可能為：傳感器分子S中肟基中的羥基具有很強(qiáng)的供電子能力，且碳氮雙鍵又具有拉電子能力，所以探針分子就具有明顯的“拉-推”效應(yīng)，從而發(fā)出較強(qiáng)的熒光.隨著次氯酸的加入，肟基被脫保護(hù)變回醛基，使分子內(nèi)ICT(分子內(nèi)電荷的轉(zhuǎn)移)過程受到抑制，導(dǎo)致熒光光譜減弱.該探針S對次氯酸根離子的檢測限D(zhuǎn)L也達(dá)到 6.37×10-7mol/L .因此該傳感器在生物分析和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域有一定的應(yīng)用潛在價(jià)值，為次氯酸根離子的識別提供了一種選擇性好、靈敏度高、檢測迅速的簡便方法.

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(責(zé)任編輯 胡小洋)

The synthesis and properties research of efficient colorimetric and fluorescent chemical sensor for hypochlorite ion based on deoximation reaction

CHEN Mengxue，YU Zhu，LUO Zaoli，LI Yan，REN Jun

(School of Chemistry and Chemical Engineering，Hubei University，Wuhan 430062，China)

Hypochlorous acid，as an unstable weak acid，is widely used in daily life,and also play a crucial role in many physiological and pathological processes as an important reactive oxygen species.Therefore，a new efficient fluorescent chemosensor S based on anthracene as the chromphore and oxime as the recognition site ClO-is designed and synthesized.Sensor S has good selective recognition ability for ClO-， and other of most of ROS activity oxygen cluster ion on hypochlorite root ion of determination also no interference， the probe molecular on ClO-has a quick response speed，in 2 min around can completed，and probe molecular S on ClO-of detection limited DL can reach to 6.37×10-7mol/L.

9-anthraldehyde；oxime；fluorescent sensor；hypochlorite

2016-05-28

湖北省自然科學(xué)基金(2013CFB005)資助

陳夢雪(1990-)，女，碩士生；任君，通信作者，副教授，E-mail: rj77lll@126.com

1000-2375(2016)06-0533-05

O657.3;TP212

A

10.3969/j.issn.1000-2375.2016.06.011