苯并噻唑類探針取代基結(jié)構(gòu)對金屬離子識別性能的影響

賈慧劼，竺 寧，高媛媛，王亞琦，索全伶

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051

引 言

近十幾年來，熒光探針因其對金屬離子的選擇性識別具有靈敏度高、選擇性好和瞬時響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，因此在分析檢測和環(huán)境工程等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。金屬離子進(jìn)入人體內(nèi)的主要途徑是通過食物鏈和飲用水，若能在水中快速檢測出金屬離子的存在，就可有效地監(jiān)測水中的金屬離子種類和濃度[3-6]。與復(fù)雜昂貴的金屬離子檢測設(shè)備和技術(shù)相比，熒光探針以其操作簡單、選擇性好、響應(yīng)時間快等優(yōu)點(diǎn)，成為了快速檢測金屬離子的簡單有效方法。

熒光探針分子由熒光基團(tuán)和識別基團(tuán)兩部分組成，是具有光電特征的化合物。苯并噻唑共軛環(huán)具有良好的平面剛性結(jié)構(gòu)和π電子共軛體系，是設(shè)計(jì)熒光探針分子優(yōu)先選擇的熒光基團(tuán)[7-9]?？茖W(xué)工作者將苯并噻唑共軛環(huán)與羅丹明等大共軛基團(tuán)相連接，或者將含有N，O，S等原子的基團(tuán)引入到苯并噻唑環(huán)上進(jìn)行熒光探針設(shè)計(jì)，不僅提升了苯并噻唑衍生物的光電特性[10-11]，同時這些雜原子還可作為金屬離子的識別位點(diǎn)，更有利于金屬離子的熒光識別。由于含有苯并噻唑環(huán)的熒光探針分子在識別金屬離子中的獨(dú)特作用，這類衍生物已成為熒光探針設(shè)計(jì)合成領(lǐng)域的熱點(diǎn)化合物[12-14]。

基于識別基團(tuán)的結(jié)構(gòu)變化，構(gòu)建了開啟式熒光探針L4和關(guān)閉式熒光探針L5兩種類型探針分子。利用紫外和熒光兩種通道，研究了它們對18種金屬離子的識別性能。結(jié)果表明，利用紫外通道，在有機(jī)溶劑媒介中，探針L4有效識別出三價Al3+，F(xiàn)e3+和二價Cu2+，而探針L5僅能識別三價Al3+，F(xiàn)e3+，不能識別二價Cu2+。在有機(jī)溶劑媒介中，通過熒光通道，開啟式熒光探針L4識別出三價Al3+，F(xiàn)e3+和二價Cu2+，并表現(xiàn)出熒光猝滅；關(guān)閉式熒光探針L5識別出三價Al3+，F(xiàn)e3+，Cr3+和二價Cu2+，并出現(xiàn)熒光增強(qiáng)現(xiàn)象。在含水乙腈媒介中，利用紫外和熒光雙通道，研究了探針L4與各種金屬離子的識別作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，探針L4高選擇性地識別出Cu2+。利用含探針L4的試紙，通過便攜式紫外燈可裸眼檢測純水中的二價銅離子，這一結(jié)果為探針L4的實(shí)際應(yīng)用提供了一種簡單快速的檢測方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

核磁共振儀(美國Agilent公司，Agilent 500 MHz，TMS為內(nèi)標(biāo))，紫外-可見分光光度計(jì)(日本島津公司，UV-2450型)，熒光光譜儀(美國Agilent公司，Agilent G9800A型)，高分辨質(zhì)譜儀(美國Waters公司，MALDI-TOF)，Bruker D8 VENTURE X射線單晶衍射儀。

所有試劑均為市售分析純試劑，所有藥品購于阿拉丁試劑公司。

1.2 探針分子合成及晶體結(jié)構(gòu)

苯并噻唑類探針分子6-(3,5-二甲基苯氧基)-5-胺基-2-苯基苯并噻唑(L4)和6-(3,5-二甲基苯氧基)-5-苯甲酰胺基-2-苯基苯并噻唑(L5)的合成方法及路線參見文獻(xiàn)[15]，探針L5的晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)(劍橋晶體數(shù)據(jù)庫CCDC：1966397)。

1.3 光譜測試條件

選用乙腈/二氯甲烷(V/V=9∶1)和乙腈/水(V/V=8∶2)為溶劑，分別配制濃度為2.0×10-5mol·L-1的化合物L(fēng)4溶液；選用乙腈/二氯甲烷(V/V=9∶1)為溶劑，配制濃度為2.0×10-5mol·L-1的化合物L(fēng)5溶液。選用金屬離子(Ag+，Al3+，Ba2+，Ca2+，Cd2+，Co2+，Cr3+，Cu2+，F(xiàn)e3+，F(xiàn)e2+，Hg2+，Mg2+，Mn2+，Na+，Pd2+，Ni2+，Sr2+，Zn2+)的高氯酸鹽，用乙腈為溶劑配制濃度為2.0×10-3mol·L-1的溶液；用去離子水為溶劑，配制濃度為2.0×10-3mol·L-1金屬離子(Al3+，Cr3+，F(xiàn)e3+，Cu2+)的高氯酸鹽水溶液。在室溫下，將配置好的溶液放置2 h后進(jìn)行紫外-可見吸收光譜和熒光光譜的測定。

熒光光譜測定的樣品池為1 cm×1 cm×4 cm石英比色皿，靈敏度為3，激發(fā)和發(fā)射狹縫寬5 nm，激發(fā)波長λex=360和380 nm，波長范圍370～700 nm。

2 結(jié)果與討論

2.1 金屬離子對探針紫外-可見光譜性能的影響

在探針L4有機(jī)溶劑(乙腈/二氯甲烷=9∶1，V/V)溶液中分別加入上述18種金屬離子后，只有Al3+，F(xiàn)e3+，Cu2+溶液的紫外吸收峰有明顯變化[圖1(a)]。在探針L4的含水乙腈(乙腈/水=8∶2，V/V，pH=7.0)溶液中，只有加入Cu2+后，L4的紫外吸收峰從248 nm明顯藍(lán)移至207 nm，而且吸收強(qiáng)度增加[圖1(b)]。推測，探針L4結(jié)構(gòu)中的氨基氮原子和二甲基苯氧基氧原子分別與水中氫原子形成了分子間氫鍵，導(dǎo)致L4-Al3+和L4-Fe3+的弱相互作用被破壞，而L4-Cu2+的強(qiáng)配位作用受水與探針L4分子間氫鍵作用的影響很小，因此，在含水乙腈溶液中，探針L4只表現(xiàn)出對Cu2+的高選擇性識別。

圖1 L4與識別離子的紫外-可見光譜(a)：CH3CN/CH2Cl2=9∶1, V/V；(b)：CH3CN/H2O=8∶2, V/V, pH=7.0Fig.1 UV-Vis spectra of L4 with recognition metal ions(a)：CH3CN/CH2Cl2=9∶1, V/V；(b)：CH3CN/H2O=8∶2, V/V, pH=7.0

在探針L5有機(jī)溶劑(乙腈/二氯甲烷=9∶1，V/V)溶液中分別加入上述18種離子后，加入Al3+，F(xiàn)e3+的L5溶液紫外吸收峰發(fā)生了紅移(圖2)，加入其他金屬離子的L5溶液紫外吸收峰均沒有明顯變化。由于探針L5在含水體系中溶解性較差，因此，在含水乙腈溶液中沒有研究探針L5的離子識別性能。

圖2 L5與識別離子的紫外可見光譜Fig.2 UV-Vis spectra of L5 with recognition metal ions

2.2 金屬離子對探針熒光發(fā)射性能的影響

在探針L4有機(jī)溶劑溶液中，加入Al3+，F(xiàn)e3+，Cu2+的溶液發(fā)生了明顯的熒光猝滅，加入其他金屬離子的L4溶液，熒光強(qiáng)度基本沒有變化[圖3(a)]。但是，在探針L4含水乙腈溶液中，只有加入Cu2+后，L4的熒光光譜才發(fā)生熒光猝滅[圖3(b)]。

圖3 L4與各種離子的熒光光譜(a)：CH3CN/CH2Cl2=9∶1, V/V；(b)：CH3CN/H2O=8∶2, V/V, pH=7.0Fig.3 Fluorescence spectra of L4 with various metal ions(a)：CH3CN/CH2Cl2=9∶1, V/V；(b)：CH3CN/H2O=8∶2, V/V, pH=7.0

在探針L5有機(jī)溶劑溶液中，探針L5的熒光強(qiáng)度按Cr3+，F(xiàn)e3+，Al3+，Cu2+的順序逐漸增強(qiáng)，加入其他金屬離子，探針L5的熒光強(qiáng)度基本沒有變化(圖4)。

熒光通道離子識別的研究結(jié)果表明，探針L4不僅能夠靈敏地識別三價金屬離子Al3+，F(xiàn)e3+和二價金屬離子Cu2+，而且可在含水乙腈溶液中高選擇性地識別Cu2+。探針L5靈敏地識別出三價金屬離子Al3+，F(xiàn)e3+，Cr3+和二價金屬離子Cu2+。

探針L5的苯并噻唑剛性環(huán)與2位的苯基具有較好的共平面性，可形成共軛性良好的熒光基團(tuán)。苯并噻唑剛性環(huán)上的苯甲酰胺取代基和二甲基苯氧取代基共同構(gòu)成了探針L5的識別基團(tuán)。當(dāng)客體金屬離子不存在時，探針L5受紫外光照射時，由于苯甲酰胺取代基的共軛作用，容易發(fā)生光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移(PET)過程，使L5成為關(guān)閉式熒光探針。當(dāng)客體金屬離子與探針L5同時存在時，探針L5識別基團(tuán)中的氧原子和氮原子將與金屬離子發(fā)生相互作用，苯甲酰胺取代基的大共軛性受到破壞，導(dǎo)致PET過程受阻，熒光基團(tuán)的熒光得以恢復(fù)。探針L4受紫外光照射時，由于胺基與苯并噻唑基團(tuán)僅存在p-π共軛作用，導(dǎo)致識別基團(tuán)胺基不易發(fā)生PET過程，從而使L4成為開啟式熒光探針。當(dāng)客體金屬離子與探針L4同時存在時，探針L4識別基團(tuán)中二甲基苯氧基上的氧原子和胺基上的氮原子將與金屬離子發(fā)生配位作用，通過熒光基團(tuán)與配位金屬離子之間的光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移作用，PET過程得以實(shí)現(xiàn)，從而導(dǎo)致熒光猝滅現(xiàn)象發(fā)生。

圖4 L5與各種離子的熒光光譜Fig.4 Fluorescence spectra of L5 with various metal ions

對照化合物2-苯基苯并噻唑(PhS)的紫外和熒光雙通道離子識別結(jié)果表明，沒有識別取代基(二甲基苯氧基和苯甲酰胺基或胺基)存在時，對照化合物2-苯基苯并噻唑?qū)饘匐x子Cr3+，F(xiàn)e3+，Al3+，Cu2+沒有識別作用，說明不含識別基團(tuán)的2-苯基苯并噻唑不能作為探針使用。

2.3 金屬離子的滴定實(shí)驗(yàn)和抗干擾實(shí)驗(yàn)

為了檢測探針L4和探針L5對識別離子的靈敏度，進(jìn)行了金屬離子的熒光滴定實(shí)驗(yàn)。評價了探針L4和探針L5識別指定金屬離子時的抗干擾能力。

結(jié)果表明，探針L4和L5的抗干擾能力較強(qiáng)，識別指定金屬離子時基本不受干擾金屬離子影響。

2.4 響應(yīng)時間和pH值影響實(shí)驗(yàn)

在0～240 s的范圍內(nèi)，考察了探針L4和L5識別金屬離子的熒光強(qiáng)度變化。結(jié)果表明，探針L4和L5可快速地識別指定金屬離子。

pH值實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在溶液pH值小于8時，探針L4對Cu2+的選擇性識別不受溶液pH值影響。

2.5 試紙實(shí)驗(yàn)

為了考察探針L4和探針L5實(shí)際應(yīng)用效果，將定量試紙條分別浸泡在探針L4和探針L5的有機(jī)溶劑溶液中2 min，取出試紙條吹干溶劑后，將配好的含有銅離子的乙腈溶液和含有銅離子的純水溶液分別滴加到兩種試紙條上。在365 nm紫外燈下照射試紙，通過裸眼觀察熒光斑點(diǎn)變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，探針L4對含銅離子的有機(jī)溶液和水溶液都有熒光響應(yīng)(圖5)，而探針L5只對含銅離子的乙腈溶液有熒光響應(yīng)。

圖5 L4與Cu2+的熒光響應(yīng)(a)：CH3CN/CH2Cl2=9∶1, V/V；(b)：CH3CN/H2O=8∶2, V/V, pH=7.0Fig.5 Fluorescence response of L4 with Cu2+(a)：CH3CN/CH2Cl2=9∶1, V/V；(b)：CH3CN/H2O=8∶2, V/V, pH=7.0

2.6 核磁滴定研究

在L4的CD3CN溶液中分別加入0，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 eq.Cu2+的CD3CN溶液后，胺基的質(zhì)子信號峰(4.43 ppm)隨著等當(dāng)量Cu2+的濃度增大逐漸移向高場(3.61 ppm)，其他基團(tuán)的質(zhì)子信號峰移向低場，而且出現(xiàn)了新的核磁共振峰。表明胺基上的氮原子和二甲基苯氧基上氧原子分別與Cu2+發(fā)生了配位作用，導(dǎo)致質(zhì)子信號峰移動并出現(xiàn)絡(luò)合物的新信號峰。

與探針L4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，探針L5的1H NMR信號受客體金屬離子的影響較小，僅發(fā)生相對較小的向低場移動現(xiàn)象，表明探針L5與金屬離子的相互作用較弱。探針L5與金屬離子Al3+，Cr3+，F(xiàn)e3+和Cu2+的1H NMR譜上也出現(xiàn)了新的信號峰，表明L5也與金屬離子形成了絡(luò)合物。由于Al3+具有抗磁性，而Cr3+，F(xiàn)e3+和Cu2+具有順磁性，因此，只有L5+Al3+的核磁信號峰沒有發(fā)生寬化作用，而L5+Cr3+，L5+Fe3+，L5+Cu2+的核磁信號峰均發(fā)生不同程度的寬化。根據(jù)1H NMR滴定結(jié)果，推測了探針L4和探針L5識別金屬離子的作用機(jī)制(圖6)。

圖6 L4和L5與識別離子的可能的作用機(jī)制Fig.6 Proposed mechanism for L4 and L5 recognizing metal ions

3 結(jié) 論

設(shè)計(jì)合成了開啟式熒光探針L4和關(guān)閉式熒光探針L5，利用紫外通道，探針L4和L5均能夠選擇性地識別出Al3+和Fe3+，而探針L4高選擇性地識別出Cu2+。利用熒光通道，探針L4選擇性識別出Al3+，F(xiàn)e3+和Cu2+，而探針L5選擇性識別出Al3+，F(xiàn)e3+，Cr3+和Cu2+；在含水乙腈溶液中，探針L4高選擇性地識別出Cu2+。開啟式熒光探針L4和關(guān)閉式熒光探針L5不僅能夠有效地識別三價金屬離子，也能識別二價金屬離子，而且具有抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快、選擇性高的特點(diǎn)。在乙腈溶液和含水乙腈溶液中，探針L4能高選擇性地識別出Cu2+。含探針L4的試紙可對純水溶液中的Cu2+進(jìn)行有效識別，表現(xiàn)出潛在的應(yīng)用價值。