新型熒光傳感器的合成及其對(duì)Al3+的特異性識(shí)別

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(海南大學(xué) 材料與化工學(xué)院， 海南 ?？?570228)

許多可行的檢測(cè)金屬離子的方法已經(jīng)陸續(xù)發(fā)展起來(lái)，例如原子吸收光譜法、電感耦合等離子體質(zhì)譜法、毛細(xì)管電泳法等，它們經(jīng)常被用于金屬離子高靈敏度的分析[7]。與傳統(tǒng)方法相比，熒光技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單、成本低、響應(yīng)瞬時(shí)、視覺(jué)直觀的優(yōu)點(diǎn)，光學(xué)傳感器就是利用傳感器與離子之間發(fā)生鍵合作用引起的熒光強(qiáng)度變化，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)離子的識(shí)別[8]。相關(guān)的研究[9-10]已經(jīng)證明，熒光技術(shù)對(duì)于感測(cè)和檢測(cè)非生物或生物系統(tǒng)中金屬離子、陰離子和分子非常有用。熒光傳感器分子主要由3個(gè)部分組成，即熒光基團(tuán)(熒光響應(yīng))、識(shí)別基團(tuán)(與被測(cè)物特異結(jié)合)和連接基團(tuán)(連接熒光基團(tuán)和識(shí)別基團(tuán))[11]。迄今為止，學(xué)者們已經(jīng)研發(fā)出基于不同熒光團(tuán)的化學(xué)傳感器并用于檢測(cè)Al3+，如8-羥基喹啉、蒽醌、香豆素、羅丹明等席夫堿分子，然而，它們大部分存在合成方法復(fù)雜、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)許多其他金屬離子交叉敏感的不足[12]。

本文中設(shè)計(jì)合成了一種簡(jiǎn)單的熒光傳感器2-羥基-1-萘甲醛草酰二腙(BHNOD)作為配體，該傳感器可以通過(guò)熒光“開(kāi)關(guān)”響應(yīng)來(lái)識(shí)別Al3+；為了檢驗(yàn)傳感器BHNOD對(duì)Al3+的特異性，探討了其他金屬離子對(duì)BHNOD熒光強(qiáng)度的干擾。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

主要試劑包括：2-羥基-1-萘甲醛、草酰二肼，分析純，阿拉丁試劑有限公司；甲醇，分析純，廣州化學(xué)試劑廠；乙酸，分析純，西隴化工股份有限公司；無(wú)水三氯化鐵(FeCl3)、六水合硝酸鈷(Co(NO3)2·6H2O)、六水合氯化鎂(MgCl2·6H2O)、氯化鈉(NaCl)、九水合硝酸鋁(Al(NO3)3·9H2O)、硝酸鋇(Ba(NO3)2)、氯化鉀(KCl)、氯化鋅(ZnCl2)、硝酸銀(AgNO3)、二水合氯化銅(CuCl2·2H2O)、四水合硝酸鈣(Ca(NO3)·4H2O)、硝酸錳(Mn(NO3)2)、濃鹽酸(HCl)、氫氧化鈉(NaOH)，分析純，阿拉丁試劑有限公司；二甲基亞楓(DMSO)，分析純，上海麥克林生化科技有限公司；三羥甲基氨基甲烷，優(yōu)級(jí)純，阿拉丁試劑有限公司。

主要儀器包括：UV-2550型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，河南省鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；Bruker Avance 400 MHz型核磁共振儀，德國(guó)Bruker公司；Cary Eclipse型熒光分光光度計(jì)，美國(guó)瓦里安公司；pH酸度計(jì)，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1.2.1 傳感器BHNOD的合成

將2-羥基-1-萘甲醛(2.5 mmol， 0.43 g)與草酰二肼(1 mmol， 0.118 g)溶解于10 mL甲醇中， 加入乙酸(0.1 mmol， 5.8 μL)催化， 再將混合液置于60 ℃的集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中攪拌30 min，得黃色粉末狀固體。固體用熱的甲醇洗滌3次，真空干燥，最終得到傳感器BHNOD。合成路線見(jiàn)圖1。

圖1 傳感器2-羥基-1-萘甲醛草酸二胺合成路線

1.2.2 傳感器BHNOD儲(chǔ)備溶液的制備

準(zhǔn)確稱取0.001 7 g的BHNOD移至250 mL容量瓶，再向容量瓶加入250 mL三羥甲基氨基甲烷-鹽酸(Tris-HCl)緩沖液(10 mmol/L，pH=7.0)與DMSO的混合溶劑，兩者的體積比為8∶2，最終得到濃度為10 μmol/L的傳感器BHNOD溶液。

1.2.3 熒光滴定檢測(cè)

將Al(NO3)3·9H2O(1 mmol)溶解在超純水中(100 mL)，將2～50 μL的Al3+溶液(濃度為10 mmol/L)依次分別轉(zhuǎn)移至上述配好的傳感器BHNOD溶液中(濃度為10 μmol/L)， 混合數(shù)秒后， 分別對(duì)加入不同量Al3+的混合溶液進(jìn)行熒光檢測(cè)。 同樣分別將1 mmol的FeCl3、 Co(NO3)2·6H2O、 MgCl2·6H2O、NaCl、Ba(NO3)2、 KCl、ZnCl2、AgNO3、CuCl2·2H2O、Ca(NO3)·4H2O、 Mn(NO3)2溶于100 mL Tris-HCl緩沖液與DMSO混合溶劑中，兩者的體積比為8∶2,再分別移取40 μL上述配好的金屬離子溶液至4 mL的BHNOD溶液(濃度為10 μmol/L)， 幾秒鐘后，室溫下分別對(duì)其進(jìn)行熒光強(qiáng)度檢測(cè)。

1.2.4 核磁檢測(cè)

分別將等質(zhì)量的傳感器BHNOD(15 mg)加入到2個(gè)盛有1.5 mL氚代二甲基亞砜(DMSO-d6)的核磁管中，然后再分別向2只核磁管加入0、 66 mg的Al(NO3)3·9H2O，振蕩使其充分溶解，室溫下對(duì)其進(jìn)行核磁檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 Al3+的熒光檢測(cè)

通過(guò)熒光滴定傳感器BHNOD(濃度為6 μmol/L)來(lái)闡明BHNOD與Al3+的定量關(guān)系，結(jié)果如圖2所示。隨著Al3+濃度的不斷增加，BHNOD在波長(zhǎng)為486 nm處的熒光強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，且當(dāng)加入的Al3+濃度小于60 μmol/L時(shí)，BHNOD熒光的增強(qiáng)與Al3+濃度呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，所繪制工作曲線為Y=2.4+72.9X，見(jiàn)圖3，線性相關(guān)系數(shù)為0.994 34。計(jì)算得出該方法檢出限為1.6×10-7mol/L。

圖2 2-羥基-1-萘甲醛草酰二腙隨Al3+濃度增加熒光強(qiáng)度變化

圖3 傳感器2-羥基-1-萘甲醛草酰二腙(BHNOD)熒光強(qiáng)度與Al3+濃度的線性關(guān)系

2.2 金屬離子的干擾

為了檢測(cè)傳感器BHNOD對(duì)Al3+的特異性，本文中對(duì)加入不同金屬離子后的BHNOD溶液進(jìn)行了熒光檢測(cè)，結(jié)果如圖4所示。與其他金屬離子相比，傳感器BHNOD在加入Al3+后，熒光強(qiáng)度在波長(zhǎng)為486 nm處明顯增強(qiáng)。將Zn2+、Na+、K+、Ag+、Co2+、Cu2+、Ca2+、Fe3+、Hg2+、Mg2+、Mn2+和Al3+分別依次加入到傳感器BHNOD溶液中后，BHNOD的熒光光譜圖譜無(wú)明顯變化，表明這些陽(yáng)離子和BHNOD之間相互作用非常弱。只有靶離子Al3+才能誘導(dǎo)顯著的熒光變化，其他競(jìng)爭(zhēng)離子的共存沒(méi)有干擾目標(biāo)離子的檢測(cè)。這些結(jié)果表明，傳感器BHNOD對(duì)金屬離子Al3+具有優(yōu)異的選擇性。

注：BHNOD濃度為6 μmol/L，金屬離子濃度為60 μmol/L，激發(fā)波長(zhǎng)為365 nm。圖4 2-羥基-1-萘甲醛草酰二腙(BHNOD)對(duì)不同金屬離子熒光響應(yīng)

2.3 pH對(duì)傳感器BHNOD的影響

為了進(jìn)一步證實(shí)BHNOD對(duì)Al3+檢測(cè)的實(shí)用性，深入研究了對(duì)含與不含Al3+、不同pH下的BHNOD溶液熒光變化，結(jié)果如圖5所示。加入Al3+的BHNOD(濃度為6 μmol/L)溶液在強(qiáng)酸或強(qiáng)堿的pH范圍內(nèi)，表現(xiàn)出弱的熒光發(fā)射。這可能是因?yàn)樵趶?qiáng)酸性條件下，傳感器BHNOD會(huì)發(fā)生質(zhì)子化，所以降低了其與Al3+的結(jié)合能力； 在堿性條件下，OH-會(huì)與Al3+輕微反應(yīng)，同樣抑制探針BHNOD與Al3+的結(jié)合[13]。

圖5 2-羥基-1-萘甲醛草酰二腙(BHNOD)熒光強(qiáng)度受pH影響

2.4 時(shí)間及溫度對(duì)傳感器的影響

為了探究傳感器BHNOD(濃度為6 μmol/L)與Al3+絡(luò)合產(chǎn)物的穩(wěn)定性，分別對(duì)不同反應(yīng)時(shí)間和不同溫度的絡(luò)合物溶液進(jìn)行熒光檢測(cè)。將剛加入Al3+時(shí)的BHNOD溶液熒光強(qiáng)度記為F0，每隔12 h取一次樣品檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)圖6。由圖可知，在相同時(shí)間間隔內(nèi)，熒光強(qiáng)度幾乎沒(méi)有變化。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)探究了溫度對(duì)絡(luò)合物的影響，結(jié)果見(jiàn)圖7。由圖可見(jiàn)，隨著溫度的改變，絡(luò)合物熒光強(qiáng)度幾乎不變。以上分析表明，傳感器BHNOD與Al3+絡(luò)合后的產(chǎn)物穩(wěn)定性好，溫度與時(shí)間對(duì)絡(luò)合物沒(méi)有影響。

2.5 反應(yīng)機(jī)理探討

注：F0為絡(luò)合物初始熒光強(qiáng)度，F(xiàn)為不同響應(yīng)時(shí)間的絡(luò)合物熒光強(qiáng)度。圖6 不同時(shí)間間隔下絡(luò)合物熒光光譜圖

圖7 不同溫度的絡(luò)合物熒光光譜圖

圖8 傳感器2-羥基-1-萘甲醛草酰二腙與Al3+的擬合絡(luò)合模式

(a)不存在鋁離子

(b)存在鋁離子圖9 傳感器2-羥基-1-萘甲醛草酰二腙(DMSO-d6)的部分核磁共振氫譜

3 結(jié)論

本文中設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一種新的小分子熒光傳感器BHNOD。基于絡(luò)合效應(yīng)，加入Al3+后的BHNOD溶液在發(fā)射波長(zhǎng)486 nm處有顯著的熒光增強(qiáng)。在pH= 5.5～7.5環(huán)境中，BHNOD對(duì)Al3+顯示出了一個(gè)高選擇性和特異性敏感的比率熒光。同時(shí)，BHNOD與Al3+絡(luò)合具有反應(yīng)速率快、穩(wěn)定性好且具有一定水溶性的優(yōu)點(diǎn)，這些使新型熒光傳感器BHNOD在環(huán)境和生命科學(xué)對(duì)Al3+的監(jiān)測(cè)中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值和重要的理論意義。

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