基于席夫堿的檢測Cd2+的熒光探針的合成及性能

李志健， 李俊煒， 張 微， 姜慧娥， 孟卿君， 楊麗紅

(陜西科技大學(xué) 輕工科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引言

近幾年，鎘被廣泛地運(yùn)用于化工、電鍍、電子和核工業(yè)等各個技術(shù)領(lǐng)域[1-3].隨著工業(yè)和科技的發(fā)展，鎘在人類周圍環(huán)境中不斷富集，能夠通過大氣、水、食品等進(jìn)入人體，并在有機(jī)體內(nèi)和生物體的器官(腎、甲狀腺、脾等)中累積，造成慢性中毒[4,5].長期接觸鎘，可增加多種疾病發(fā)病率，例如腎功能紊亂、肺活量減少和肺氣腫等，危害人體健康[6,7].因此，如何能夠快速簡潔的檢測各種環(huán)境樣品、工業(yè)廢水以及生物組織中Cd2+的含量引起了人們的廣泛關(guān)注.

傳統(tǒng)的檢測金屬離子的方法有很多，如紫外-可見分光光度法(UV-vis)、原子吸收法(AAS)、高效液相色譜法(HPLC)、發(fā)射光譜法(AES)、電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)、化學(xué)發(fā)光法、電化學(xué)法等[8-10].對比這些方法，熒光分析法具有檢測方便，快捷，成本低廉等優(yōu)點(diǎn).利用熒光分析法發(fā)展的熒光探針具有選擇性高，靈敏度高，制作成本低，響應(yīng)時間短，不易破壞樣品以及可以實(shí)現(xiàn)在線檢測等特點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景[11-13].

席夫堿化合物中含有由胺和活性羰基縮合而成的亞胺基團(tuán)(-RC=N-)，亞胺基團(tuán)中的 N 原子有未成鍵的孤對電子，容易和金屬離子結(jié)合生成配合物[14].席夫堿化合物合成的熒光探針具有好的發(fā)光性質(zhì)，可通過調(diào)節(jié)亞胺基團(tuán)(-RC=N-)的C=N 異構(gòu)化，調(diào)節(jié)其熒光發(fā)射光譜[15].本文以2,4-二羥基苯甲醛與2-氨基吡啶為原料，合成一個基于席夫堿的檢測Cd2+的探針L，該探針對Cd2+有良好的選擇性.Cd2+與L可形成配合物，抑制了C=N 異構(gòu)化和N原子的PET效應(yīng)，使熒光增強(qiáng).本文旨在合成具有高靈敏度，高選擇性識別的金屬離子熒光探針，實(shí)現(xiàn)對Cd2+方便快捷的檢測.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器及試劑

(1)實(shí)驗(yàn)儀器：Lambda 25型紫外分光光度計，美國Perkinelmer公司；FS5型熒光光譜儀，英國愛丁堡；ADVANCEⅢ 400 MHz型核磁共振儀，德國布魯克公司；RE-52 AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，上海亞榮生化儀器廠；ICP電感耦合等離子發(fā)射光譜，美國THEM；AR 1230型電子分析天平；紫外光燈.

(2)實(shí)驗(yàn)試劑：2,4-二羥基苯甲醛，2-氨基吡啶，乙腈(GR)，純凈水，自來水，河水，無水乙醇(AR)； NaCl、Mg(ClO4)2、Al(ClO4)3、KCl、Cr(NO3)3、Mn(ClO4)2、Cu(ClO4)2、Zn(ClO4)2、AgNO3、HgCl2、Pb(ClO4)2等，金屬鹽的濃度均為10 mM.

1.2 熒光探針L的合成

探針L的合成路線如圖1所示.

圖1 探針L的合成路線

向100 mL 圓底燒瓶中加入2,4-二羥基苯甲醛(1 g，7.2 mmol)，2-氨基吡啶(0.79 mL，7.2 mmol)，并加入乙醇溶解，在80 ℃油浴中，磁力攪拌器攪拌回流6 h，待反應(yīng)完全后，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，待溶液揮發(fā)完后放入真空干燥箱中干燥12 h.得到探針L(黃色粉末)，0.96 g，產(chǎn)率：54%.1H NMR(d6-DMSO，400 MHz)，δ8.53 (d，J=3.5 Hz，2H)，7.79 (td，J=7.7，1.8 Hz，1H)，7.39-7.19(m，3H)，6.29(dd，J=8.4，2.3 Hz，1H)，6.17(d，J= 2.3 Hz，1H)，4.80(s，2H).探針L的氫譜圖如圖2所示.

圖2 探針L的氫譜圖

2 結(jié)果與討論

2.1 探針L的激發(fā)光譜和發(fā)射光譜

(a) 探針L的激發(fā)光譜

(b)探針L的發(fā)射光譜圖3 探針L的激發(fā)和發(fā)射光譜

圖4 探針L添加Cd2+后的熒光光譜

2.2 探針L的選擇性實(shí)驗(yàn)

2.2.1 紫外燈照射下熒光分析

如圖5所示，在CH3CN-H2O (7∶3，v/v)溶液中，向0.1 mM 探針L中分別加入0.1 mM金屬離子(從左至右依次為L、Cd2+、Na+、Mg2+、Al3+、K+、Cr3+、Mn2+、Cu2+、Zn2+、Ag+、Hg2+、Pb2+).當(dāng)加入Cd2+時，在365 nm的紫外燈照射下展現(xiàn)出明顯的熒光增強(qiáng)，發(fā)射出較強(qiáng)藍(lán)色熒光，而加入其他金屬離子，熒光強(qiáng)度基本沒有明顯變化.以上實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，探針L對Cd2+有良好的選擇性識別.

圖5 在365 nm紫外燈照射下，探針L在不同金屬離子存在時的熒光照片

2.2.2 紫外-可見光譜分析

為了進(jìn)一步深入研究探針L對眾多金屬離子的選擇性，研究了探針L的紫外-可見吸收性質(zhì).如圖6所示，在CH3CN-H2O (7∶3,v/v)的溶液中，探針 L(0.1 mM)在302 nm和385 nm處有兩個較強(qiáng)的吸收峰，加入Cd2+(0.1 mM)后，385 nm 處的吸收峰降低，340 nm處出現(xiàn)一個新的強(qiáng)吸收峰.而加入其它金屬離子，如 Na+、Mg2+、K+、Ca2+、Mn2+、Zn2+、Ag+、Hg2+、Pb2+、Ba2+(0.1 mM)吸收光譜基本沒有變化.由紫外-可見吸收光譜的變化可證明，探針L對Cd2+有選擇性識別.

圖6 探針L在不同金屬離子存在時的紫外-可見吸收光譜

2.3 探針L對Cd2+的滴定實(shí)驗(yàn)

為了更好地了解探針L的性質(zhì)，對探針L加入不同濃度的Cd2+后紫外-可見吸收光譜的變化進(jìn)行了研究.如圖7所示，當(dāng)向含有0.1 mM的探針L的CH3CN-H2O (7∶3,v/v)的溶液中逐漸滴加Cd2+(0～0.2 mM)，體系原本處于385 nm處的吸收峰逐漸降低，而在340 nm處出現(xiàn)一個新的吸收峰，逐漸增強(qiáng).同時，在362 nm處出現(xiàn)了一個等吸收點(diǎn)，由此證明探針L和Cd2+形成了新的配合物(L-Cd)[16-18].如圖7中插圖所示，385 nm處的吸光度與362 nm 處的吸光度的比值(Abs385nm/Abs362nm)隨著Cd2+(0～0.2 mM)濃度的不斷增大而不斷減小，在Cd2+濃度達(dá)0.1 mM時，吸光度的大小不再變化，達(dá)到飽和.

圖7 探針L在不同濃度的Cd2+存在時的紫外吸收光譜的變化(插圖為 Abs385 nm/Abs362 nm的比值隨Cd2+ 濃度變化的曲線圖)

2.4 探針L定量檢測Cd2+

鑒于Cd2+對環(huán)境和人們的生活造成的不良影響，所以檢測水中的 Cd2+的濃度具有非常重要的意義.由圖8可知，在CH3CN-H2O (7∶3,v/v) 的溶液中，加入0～13μM不同濃度的 Cd2+，385 nm處的吸光度與362 nm 處的吸光度的比值不斷減小，并與 Cd2+含量呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系(R= 0.989 2)，因此可用探針L定量檢測Cd2+.

圖8 Abs385 nm/Abs362 nm的比值和Cd2+的含量(0～13 μM)的線性關(guān)系

2.5 探針L對Cd2+響應(yīng)的機(jī)理研究

為了證明Cd2+和L的結(jié)合方式，用Job曲線對L-Cd的配合物進(jìn)行了研究[19-21].保持L和Cd2+的總濃度和為1.0×10-4M不變，連續(xù)改變L和Cd2+的百分含量比進(jìn)行測定.由圖9可知，L和Cd2+的配位比為1∶1.據(jù)此可以推測，熒光增強(qiáng)的原因是Cd2+與2-氨基吡啶上的N、2,4-二羥基苯甲醛中的O配位，形成配合物，抑制了沒有橋連的C=N雙鍵異構(gòu)化.同時，Cd2+與L的配位降低了2-氨基吡啶中氨基N的給電子能力，PET效應(yīng)被阻止，增大了熒光團(tuán)的共軛程度，使熒光發(fā)射增強(qiáng)[22，23]，如圖10所示.

圖9 探針L和 Cd2+在CH3CN-H2O (7∶3,v/v)的溶液中的Job′s plot工作曲線

圖10 探針L對Cd2+的響應(yīng)機(jī)理

2.6 探針L在不同測試體系中的檢測

從上述選擇性實(shí)驗(yàn)和滴定實(shí)驗(yàn)，可以得到探針L在純凈水體系中對Cd2+有良好的選擇性響應(yīng).為了進(jìn)一步探究L的測試體系，分別在自來水和河水中研究了探針L對Cd2+的響應(yīng)，并在365 nm紫外燈下觀察熒光變化.利用ICP對純凈水，采集的自來水和河水分別進(jìn)行了兩次實(shí)驗(yàn)，每次進(jìn)行三組平行實(shí)驗(yàn)，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，純凈水、自來水和河水中平均Cd2+含量依次為1.78 nM，8.59 nM，2.37 nM.測定結(jié)果如表1所示.其中自來水采集自陜西科技大學(xué)實(shí)驗(yàn)室自來水，河水采集自灞河，采集的水樣沉淀一天后進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

表1 不同水樣中Cd2+含量

分別在CH3CN-H2O (7∶3,v/v，其中水分別取自純凈水、自來水和河水)溶液中加入探針L(0.1 mM)，并在對照實(shí)驗(yàn)中分別加入Cd2+(0.1 mM)，在365 nm的紫外燈下觀察，可以看到，加Cd2+后，產(chǎn)生明顯的藍(lán)色熒光,如圖11所示.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明探針L可用于此實(shí)驗(yàn)中所取水樣作為測試體系檢測Cd2+.

圖11 探針L在CH3CN-H2O(7∶3,v/v溶液中，其中水分別是純凈水、自來水和河水)對Cd2+的響應(yīng)

3 結(jié)論

本文成功地合成了一個基于席夫堿的檢測Cd2+的熒光探針，對熒光性質(zhì)和紫外-可見吸收性質(zhì)進(jìn)行了研究.探針L對Cd2+具有熒光增強(qiáng)型選擇性識別，在365 nm的紫外燈照射下產(chǎn)生較強(qiáng)藍(lán)色熒光.L可與Cd2+形成 1∶1 的穩(wěn)定配合物，機(jī)理研究表明Cd2+與L的配位，抑制了C=N異構(gòu)化和N原子的PET效應(yīng)，增大了整個分子的共軛程度，使熒光增強(qiáng).L能對純凈水中低含量的Cd2+(0～13μM)定量檢測.更重要的是，該探針可用于在自來水和河水中檢測Cd2+，具有一定的潛在應(yīng)用價值.