一類反應(yīng)型氟離子熒光探針的合成與性能研究

楊永鑫，唐輝，王金，任君

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

0 引言

萘酰亞胺衍生物[1-6]是一類應(yīng)用十分廣泛的熒光發(fā)色團(tuán)，具有較大的共軛體系.萘酰亞胺本身的熒光十分微弱，但是可以在萘環(huán)上引入不同的供電子基團(tuán)，并與不同的胺類化合物進(jìn)行反應(yīng)，是整個(gè)分子形成一個(gè)大的推拉電子體系，使得共軛程度增加，更易被光激發(fā)，從而發(fā)射出強(qiáng)烈的熒光.而且，萘酰亞胺類結(jié)構(gòu)具有非常多的反應(yīng)位點(diǎn)，這意味著它的可修飾性十分好，在不同的位點(diǎn)引入不同的基團(tuán)就能夠得到熒光性能更好的熒光發(fā)色團(tuán).萘酰亞胺類熒光增白劑[7-12]很早就應(yīng)用于紡織工業(yè)，具有高熔點(diǎn)、高穩(wěn)定性、光學(xué)穩(wěn)定性及較強(qiáng)的熒光等待性.之前已經(jīng)有過很多研究出了不同類型的萘酰亞胺類熒光染料，并且與不同的識別基團(tuán)結(jié)合應(yīng)用于各種金屬離子包括小分子的檢測.

眾所周知，氟離子由于其在眾多陰離子中的特殊地位一直受到大家的關(guān)注.不僅僅是因?yàn)樗侨梭w不可缺少的微量元素，還因?yàn)檫^量的氟對環(huán)境和人體有巨大的傷害和隱患[13-20].因此，如何尋找簡單有效的方法去檢測氟離子是非常重要的研究問題.

基于萘酰亞胺類衍生物良好的性能和氟離子的特殊地位，本研究設(shè)計(jì)了一種以萘酰亞胺衍生物為熒光發(fā)色團(tuán)，叔丁基二甲基氯硅烷為識別基團(tuán)的反應(yīng)型氟離子探針.合成的探針分子不僅具有良好的熒光性能，更重要的是通過各種測試表明其對氟離子具有高選擇性的識別效果.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑和儀器試劑：4-溴-1,8-萘酐、正丁胺、80%水合肼、3-甲基-2-丁酮、對羥基苯甲醛、叔丁基二甲基氯硅烷(TBDMSCl)、無水乙醇、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、咪唑等試劑均為市售分析純，均勿需純化.

儀器：紅外用 FT IR-Spectrumone(美國 Perkin-Elmer 公司) 紅外光譜儀; 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；熒光用 LS-55(美國 Perkin-Elmer 公司) 熒光分光光度計(jì);質(zhì)譜用質(zhì)譜用安捷倫 1260-6224 LC-MS TOF 液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用測試儀測定.

1.2 合成步驟

1.2.1 化合物3的合成 將4-溴-1,8-萘酐(1.00 g，3.60 mmol)和正丁胺(1 mL，10 mmol)混合于100 mL單口瓶中，加入50 mL無水乙醇，在80 ℃下回流反應(yīng)4 h，反應(yīng)完成后靜置冷卻，抽濾，得到淡黃色固體，然后在40 ℃下真空干燥，得到化合物, 產(chǎn)率為97.2%.1H NMR (400 MHz, CDCl3):δ=8.19(d,J=8.00 Hz, 1H), 7.99(d,J=8.00 Hz, 1H), 7.92(d,J=8.00 Hz, 1H), 7.58(d,J=8.00 Hz, 1H), 7.43(t,J=8.00 Hz, 1H), 3.91(t,J=8.00 Hz, 2H), 1.55～1.50(m, 2H), 1.33～1.27(m, 2H), 0.85(t,J=8.00 Hz, 3H).13C NMR(100 MHz, CDCl3):δ=162.80, 132.34, 131.35, 130.56, 129.67, 128.01, 127.58, 122.49, 121.63, 40.17, 29.97, 20.32, 13.82.

1.2.2 化合物4的合成 稱取化合物3(1.01 g，2.60 mmol)于50 mL單口瓶中，加入80%水合肼(30 mL)，回流反應(yīng)5 h.反應(yīng)完成后，冷卻至室溫，然后向溶液中加入大量的水，析出黃色沉淀，抽濾得到黃色固體產(chǎn)物，然后在50 ℃下真空干燥，得到化合物4，產(chǎn)率為92.3%.1H NMR (400 MHz, DMSO):δ=9.11(s, 1H)，8.60(d,J=8.00 Hz, 1H),8.40(d,J=8.00 Hz, 1H), 8.29(d,J=8.00 Hz, 1H), 7.63(t,J=8.00 Hz, 1H), 7.24(d,J=8.00 Hz, 1H), 4.70(d,J=8.00 Hz, 2H), 4.02(d,J=8.00 Hz, 2H), 1.56～1.61(m, 2H), 1.30～1.36(m, 2H), 0.92(t,J=8.00 Hz, 3H).13C NMR(100 MHz, DMSO):δ=164.19, 153.59, 134.60, 128.65, 127.68, 124.51,122.12, 122.05, 118.84, 104.56, 104.41, 30.30, 30.01, 20.32, 14.22.

1.2.3 化合物5的合成 根據(jù)已有的文獻(xiàn)，將化合物4(283 mg，1 mmol)溶解于20 mL 3-甲基-2-丁酮，然后加入0.5 mL濃硫酸，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下回流反應(yīng)4 h.反應(yīng)完成后，將多余的3-甲基-2-丁酮旋干得到固體，用二氯甲烷/甲醇(V∶V=50∶1)為洗脫液經(jīng)柱層析提純得到黃色晶體.直接用于下一步實(shí)驗(yàn).

1.2.4 化合物6的合成 將對羥基苯甲醛(0.61 g，5 mmol)和咪唑(0.544 g，8 mmol)溶解于10 mL DMF，室溫下攪拌30 min，然后加入叔丁基二甲基氯硅烷(TBDMSCl)(1.2 g，8 mmol)，繼續(xù)攪拌反應(yīng)4 h.反應(yīng)完成后加入20 mL乙酸乙酯，然后用飽和食鹽水洗滌有機(jī)相3次(30 mL×3)，用無水硫酸鈉干燥有機(jī)相，抽濾，減壓旋蒸，旋干后用石油醚/乙酸乙酯(V∶V=10∶1)為洗脫液經(jīng)柱層析提純得到白色固體1.50 g，產(chǎn)率為92%.1H NMR (400 MHz, CDCl3):δ=9.91(t,J=4.00 Hz, 1H), 7.79～7.83(m, 2H), 6.946.99(m, 2H), 1.01(t,J=4.00 Hz, 9H), 0.27(t,J=4.00 Hz, 6H).13C NMR(100 MHz, CDCl3):δ=190.92, 161.50, 131.93, 130.41, 120.49, 25.57, 18.26, 4.34 ppm.

1.2.5 化合物B的合成 將化合物5(0.1 mmol，39.2 mg)和化合物6(0.1 mmol，23.55 mg)溶解于10 mL的甲苯溶液中，再加入0.01 mL的冰乙酸和0.03 mL的哌啶，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下回流反應(yīng)12 h.反應(yīng)結(jié)束后，將溶劑旋干，得到的固體用石油醚/乙酸乙酯(V∶V=5∶1)為洗脫液經(jīng)柱層析提純得到橙紅色固體粉末，產(chǎn)率為53%.1H NMR (600 MHz, CDCl3):δ=8.99(d,J=6.00 Hz 1H)，8.66(d,J=12.00 Hz, 1H), 8.61(s, 1H), 7.93(d,J=18.00 Hz, 1H), 7.84(t,J=6.00 Hz, 1H), 7.60(d,J=6.00 Hz, 2H), 7.12(d,J=18.00 Hz, 1H), 6.92(d,J=6.00 Hz, 2H), 4.22(t,J=6.00 Hz, 2H), 1.71～1.77(m, 2H), 1.59(s, 6H), 1.43～1.51(m, 2H), 1.25(s, 3H), 1.01 (s, 9H), 0.25(s, 6H).HR-MS(ESI): Calcd for C34H40N2O3Sim/z[M+H]+553.280 8, Found 553.276 5.

圖1 探針分子B的合成路線

2 結(jié)果與討論

2.1 溶液的配置與準(zhǔn)備為了檢驗(yàn)探針分子B對F-的檢測性能，我們對探針分子B進(jìn)行了選擇性分析、抗干擾能力分析、滴定分析、響應(yīng)時(shí)間分析等，本次實(shí)驗(yàn)所用的溶劑為THF/PBS buffer(V∶V=1∶1)，熒光分光光度計(jì)中設(shè)置470 nm為激發(fā)波長，狹縫寬度為5.0 nm.探針分子用分析純的THF試劑配置成2×10-5mol/L備用，11種常見的陰離子(F-、Cl-、Br-、I-、HSO4-、ClO4-、H2PO4-、NO3-、AcO-、HCO3-、CN-)用PBS buffer配置成2×10-4mol/L備用.

2.2 探針分子B的選擇性分析為了探究探針分子B的選擇性，首先，取12份體積相同的探針分子B的THF溶液(2×10-5mol/L)，其中一份作為空白樣，在其余的11份探針溶液中，分別加入等體積的2×10-4M的11種陰離子(F-、Cl-、Br-、I-、HSO4-、ClO4-、H2PO4-、NO3-、AcO-、HCO3-、CN-)的PBS溶液，先通過裸眼識別來觀察，如圖2所示，在12個(gè)樣品瓶中，只有加入氟離子的樣品瓶中的溶液顏色為紅色，其余的樣品瓶中溶液顏色均為黃色，隨后在波長為365 nm的熒光燈下觀察，如圖3所示，其余的陰離子溶液的熒光是橙黃色，而加入氟離子的樣品瓶中熒光為暗紅色，并且熒光強(qiáng)度明顯減弱.重新取12份體積相同的傳感器B的THF溶液(2×10-5mol/L)，其中一份作為空白樣，在其余的11份探針溶液中，分別加入等體積的2×10-4mol/L的11種陰離子(F-、Cl-、Br-、I-、HSO4-、ClO4-、H2PO4-、NO3-、AcO-、HCO3-、CN-)的PBS溶液，通過熒光分光光度計(jì)測試得到圖4，可以看出加入氟離子的探針的熒光強(qiáng)度低于其余離子的熒光強(qiáng)度，并且加入氟離子以后探針的最大發(fā)射波長發(fā)生了紅移.這說明探針分子B對F-具有高選擇性的識別能力.

圖2 探針分子B在不同離子下的比色變化圖

圖3 探針分子B在不同離子下的熒光變化圖

2.3 探針分子B的抗干擾能力研究前面我們只是測試了探針分子B對氟離子的選擇性，接下來需要測試在對氟離子進(jìn)行檢測時(shí)，其余離子是否會對檢測效果造成影響.因此，我們進(jìn)行了抗干擾能力實(shí)驗(yàn)分析.干擾離子使用Cl-、Br-、I-、HSO4-、ClO4-、NO3-、AcO-、H2PO4-、HCO3-、CN-，配置2×10-5mol/L的探針分子溶液和不同濃度的干擾離子以及氟離子溶液，確保在VTHF∶VPBS=1∶1的體系中探針分子B當(dāng)量∶氟離子當(dāng)量∶干擾離子當(dāng)量=1∶10∶100，先取11份1 mL探針分子B的THF溶液，向其中10份分別加入1 mL不同的干擾離子的PBS溶液(干擾離子與探針分子B的當(dāng)量比為1∶100)，剩下一份作為空白樣，加入1 mL純PBS溶液，然后用熒光分光光度計(jì)掃描.重新取11份1 mL探針分子B的THF溶液，向其中10份分別加入0.5 mL不同的干擾離子的PBS溶液，同樣，空白樣中加入0.5 mL純PBS溶液，再在每一份中都加入0.5 mL F-的PBS溶液，再次掃描.如圖5所示，探針分子B對F-的識別效果在干擾離子的存在下，完全沒有受到影響，說明探針分子B對F-的檢測不受其它離子的影響，具有良好的抗干擾性能.

圖4 在THF/PBS buffer(V∶V=1∶1)體系下 探針分子B對F-的選擇性分析圖

圖5 在THF/PBS buffer(V∶V=1∶1)體系下 探針分子B識別F-干擾實(shí)驗(yàn)的熒光強(qiáng)度對照圖

2.4 探針分子B的滴定圖譜分析我們對探針分子B對氟離子的識別性能做了滴定分析，在VTHF∶VPBS=1∶1的體系中，配置6份體積相同的探針分子B的THF溶液，向其中分別加入不同濃度的氟離子(0～2×10-5mol/L)，然后對不同氟離子濃度下的探針分子進(jìn)行掃描，得到如圖6所示的熒光發(fā)射光譜，可以看到隨著氟離子濃度的不斷增加，整個(gè)體系的熒光強(qiáng)度不斷降低，并且有些許的紅移，當(dāng)氟離子濃度為2×10-5mol/L時(shí)，熒光強(qiáng)度達(dá)到最低，繼續(xù)增加氟離子濃度，熒光不變，說明探針分子B與F-是按照1∶1比例反應(yīng)的.

為了探究探針分子B對于F-的檢測限，我們通過Origin對不同氟離子濃度下的熒光強(qiáng)度線性擬合得到圖7，線性回歸方程為y=-200.045 5x+406.68，y為最大熒光發(fā)射峰的熒光強(qiáng)度，x為氟離子的濃度，相關(guān)系數(shù)R2=0.996 68，根據(jù)公式DL=3σ/K算得檢測限為6.167×10-8mol/L(σ是空白溶液熒光強(qiáng)度多次測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差，此處為2.27).這說明探針分子B對F-具有較低的檢測限，達(dá)到了10-6級.

圖6 在THF/PBS buffer(V∶V=1∶1)體系下探針分子B對F-的滴定分析圖譜

2.5 探針分子B的響應(yīng)時(shí)間傳感器的響應(yīng)時(shí)間也是我們需要關(guān)注的一個(gè)性能之一.用熒光分光度計(jì)對加入氟離子之后的探針分子進(jìn)行循環(huán)掃描，得到圖8所示結(jié)果.隨著時(shí)間增加，熒光強(qiáng)度逐漸降低，當(dāng)?shù)竭_(dá)60 s時(shí)，熒光強(qiáng)度沒有明顯變化，可以看到探針分子B對氟離子的響應(yīng)迅速，響應(yīng)時(shí)間只有60 s.

圖7 在THF/PBS buffer(V∶V=1∶1)體系下探針 分子B的熒光強(qiáng)度與F-濃度的線性關(guān)系圖

圖8 在THF/PBS buffer(V∶V=1∶1)體系下 探針分子B對F-的響應(yīng)時(shí)間

2.6 探針分子B的識別機(jī)理分析為了驗(yàn)證探針分子B對氟離子的識別機(jī)理，我們將探針分子B溶液與四丁基氟化銨混合后，進(jìn)行質(zhì)譜測試.通過質(zhì)譜發(fā)現(xiàn)，混合后出現(xiàn)了[C28H25N2O3]—這個(gè)碎片.為探針分子B的相對分子質(zhì)量與脫去含硅部分的相對分子質(zhì)量之差，符合設(shè)計(jì)理念.

圖9 探針分子B對F-的識別機(jī)理圖

圖10 探針分子B與四丁基氟化銨混合后的質(zhì)譜圖

3 結(jié)論

本研究我們以萘酰亞胺為熒光母體，以叔丁基二甲基氯硅烷為識別基團(tuán)，設(shè)計(jì)合成出了一種對氟離子有著高選擇性的熒光化學(xué)探針B.熒光探針B對氟離子的裸眼識別能力強(qiáng)，加入氟離子以后，溶液由黃色變成橙色.在365 nm紫外燈下觀察，熒光也由橙黃色變?yōu)槌燃t色.經(jīng)過熒光分光光度計(jì)檢測其熒光性能，其檢測限達(dá)到6.167×10-8mol/L，對氟離子的檢測響應(yīng)時(shí)間只需60 s,且熒光探針B對氟離子的識別有著很好的選擇性和抗干擾能力，是一種高效、高性能的紅移猝滅型熒光探針.