反應(yīng)型汞離子熒光探針的合成及性能

石治川，田慶勤，趙志剛

（西南民族大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院國家民委化學(xué)基礎(chǔ)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610041）

汞是自然環(huán)境中毒性最高的金屬之一［1］，根據(jù)毒代動(dòng)力學(xué)特性，汞分為元素形式、二價(jià)無機(jī)形式和有機(jī)汞3 類。Hg2+（無機(jī)形式）是水生環(huán)境中最穩(wěn)定的形式，具有致癌性、高溶解性、細(xì)胞毒性［2］，長期攝入會(huì)損害人體的神經(jīng)系統(tǒng)［3-4］。印染廢水中含有大量的染料、助劑、酸堿、無機(jī)鹽等，是難處理的工業(yè)廢水。如果紡織物在絲光過程中使用工業(yè)氫氧化鈉溶液，在生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生汞鹽，進(jìn)而使絲光廢水含有汞離子。傳統(tǒng)的檢測(cè)法大多不適用于現(xiàn)場實(shí)時(shí)測(cè)定，且需要昂貴的設(shè)備支持和復(fù)雜的樣品前期制備［5］。熒光法因操作簡便可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，因此受到人們的青睞［6-9］。香豆素具有大的摩爾消光系數(shù)、相對(duì)較長的激發(fā)和發(fā)射波長以及較高的量子效率，分子結(jié)構(gòu)中包含氫鍵供體（O—H）和氫鍵受體（），能夠發(fā)生分子內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移，顯示出激發(fā)態(tài)分子內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移（ESIPT）熒光［10-12］。硫縮醛基團(tuán)可以被Hg2+選擇性脫硫，從而形成相應(yīng)的醛和汞化合物。本課題設(shè)計(jì)并合成了一種將硫縮醛基團(tuán)引入香豆素衍生物的反應(yīng)型“開-關(guān)”熒光探針（L2），同時(shí)考察其在汞離子識(shí)別方面的性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑及儀器

試劑：二氯甲烷、1,2-乙二硫醇、三氟化硼乙醚(BF3?Et2O)、乙酸鹽、硝酸鹽、乙醇（均為分析純，成都市科龍化工試劑廠），中間體1 和2（參照文獻(xiàn)［13］合成），實(shí)驗(yàn)用水為去離子水。

儀器：FINNIGAN-LCQ DECA 質(zhì)譜儀、IR200傅里葉變換紅外光譜儀（美國賽默飛公司），400 MHz 核磁共振儀（美國安捷倫公司），Vario MICRO 自動(dòng)元素分析儀（德國Elementar 公司），WRS-1B 型數(shù)字熔點(diǎn)儀（上海精密儀器儀表有限公司），TU-1901 雙光束紫外-可見光分光光度計(jì)、NEX UP1000 超純水機(jī)（北京普析通用儀器公司），Dual-FL 快速熒光光譜儀（日本HORIBA 公司），PHSJ-4F 型pH 計(jì)（上海雷磁公司）。

1.2 熒光分子的制備

向中間體2（204 mg，1 mmol）的二氯甲烷溶液（10 mL）中加入1,2-乙二硫醇（84.9 μL，1 mmol），隨后加入數(shù)滴催化劑(BF3?Et2O)，在室溫（25 ℃）下攪拌，用薄層色譜法（TLC）監(jiān)測(cè)。反應(yīng)完成后，將所得混合物堿化，用二氯甲烷（50 mL）萃取、分離、干燥、濃縮，柱層析純化，得到產(chǎn)物L(fēng)2（114 mg）。反應(yīng)式如下：

1.3 溶液的配制

將不同重金屬離子采用乙酸鹽或硝酸鹽配制成1×10-3mol/L 的去離子水溶液，L2 儲(chǔ)備溶液用DMSO溶解，乙醇水溶液（體積比1∶1）定容到1×10-3mol/L。測(cè)定條件：激發(fā)光369 nm，狹縫寬2 nm，波長掃描范圍390～750 nm。

1.4 測(cè)試

收率=實(shí)際產(chǎn)量/理論產(chǎn)量×100%。

IR：用傅里葉變換紅外光譜儀測(cè)試，KBr壓片。

NMR：采用CDCl3溶解，Me4Si作為內(nèi)標(biāo)。

分子質(zhì)量：用質(zhì)譜儀測(cè)試，甲醇溶解后用ESI 源正離子模式。

元素分析：取2 mg 樣品，用自動(dòng)元素分析儀測(cè)試，平行測(cè)定3次，取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 熒光分子的表征

熒光分子為白色固體，收率為40.7%，熔點(diǎn)為234～235 ℃。IR（KBr，v，cm-1）：3 299、2 982、2 959、2 929、1 705、1 607、1 934、1 309、1 061、852。1H NMR（CDCl3，400 MHz），δ=10.96（s，1H，OH）、7.55（d，J=8.8 Hz，2H，ArH）、6.86（d，J=8.8 Hz，2H，ArH）、6.33（s，1H，S—CH）、6.18（d，J=8.8 Hz，2H，ArH）、3.90～3.83（m，2H，CH2）、3.42～3.37（m，2H，CH2）、2.37（s，3H，CH3）；13C NMR（CDCl3，100 MHz），δ=160.17、158.59、154.43、153.07、125.96、114.84、112.97、112.59、110.48、42.48、41.36、18.81。ESI-MS，m/z=281.84［M+1］+。C13H12O3S2理論值為C 55.69，H 4.31，實(shí)測(cè)值為C 55.81，H 4.30。

2.2 熒光探針識(shí)別Hg2+的紫外-可見吸收光譜

由圖1 可知，隨著溶液的Hg2+濃度（0～80 μmol/L）不斷增加，L2 在272 nm 處的吸收帶逐漸增強(qiáng)，表明L2 與Hg2+發(fā)生相互作用，改變了熒光探針分子能級(jí)差的特點(diǎn)，吸收峰強(qiáng)度發(fā)生變化。

圖1 100 μmol/L L2 的紫外-可見吸收光譜

2.3 熒光探針識(shí)別Hg2+的選擇性

在乙醇水溶液中分別加入L2（10 μmol/L）和不同的金屬陽離子（10 μmol/L），定容至10 mL，測(cè)定熒光強(qiáng)度。由圖2 可知，L2 在451 nm 處顯示出非常強(qiáng)的藍(lán)色熒光，當(dāng)加入Hg2+后，熒光強(qiáng)度立即淬滅，藍(lán)色熒光消失。相反，在相同條件下添加其他金屬離子（Cu2+、Fe3+和Ni+除外）后，沒有檢測(cè)到明顯的熒光強(qiáng)度變化。Cu2+、Fe3+和Ni+是常見的熒光淬滅離子，加入后熒光強(qiáng)度下降15.2%～42.8%，但是熒光強(qiáng)度仍然可以達(dá)到9 102～5 870 a.u.，肉眼可見強(qiáng)烈的藍(lán)色熒光，表明L2是一種高選擇性的Hg2+熒光探針。

圖2 L2 加入不同金屬陽離子的熒光光譜

2.4 pH 對(duì)熒光探針識(shí)別Hg2+的影響

由圖3可知，當(dāng)pH 小于6或大于10時(shí)，L2的熒光強(qiáng)度急速減弱，原因是在強(qiáng)酸或強(qiáng)堿條件下探針容易分解，導(dǎo)致熒光失活。加入Hg2+后，L2在pH 為6.15～9.96 時(shí)有效地淬滅了溶液的熒光；pH 大于8 時(shí)，熒光強(qiáng)度緩慢增強(qiáng)，這是因?yàn)轶w系中的Hg2+在堿性條件下會(huì)先和OH-結(jié)合，稀釋了L2-Hg2+。表明L2 在相對(duì)較寬的pH 范圍（6.15～9.96）內(nèi)對(duì)Hg2+的識(shí)別度高。

圖3 pH 對(duì)L2（10 μmol/L）識(shí)別Hg2+（10 μmol/L）的影響

2.5 熒光滴定及檢出限

由圖4 可知，隨著Hg2+濃度（0～11 μmol/L）的增加，L2（10 μmol/L）的熒光強(qiáng)度顯著降低。當(dāng)c（Hg2+）/c（L2）=0～1.1 時(shí)，L2 的熒光強(qiáng)度與Hg2+濃度之間具有良好的線性相關(guān)性（R2=0.991 6）。根據(jù)3σ方法［LOD（檢出限）=3σ/K，其中σ代表空白溶液的標(biāo)準(zhǔn)偏差，K代表圖中標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率］得到L2 對(duì)Hg2+的LOD 達(dá)到5.9 nmol/L，表明L2 可以潛在地用于化學(xué)品中Hg2+的痕量檢測(cè)。

圖4 不同Hg2+濃度時(shí)L2 的熒光光譜及線性擬合（λem=451 nm）

2.6 熒光探針識(shí)別Hg2+的抗干擾性

由圖5 可知，當(dāng)Hg2+與其他金屬離子共存時(shí)，L2的熒光強(qiáng)度都會(huì)急劇減小，和只加Hg2+時(shí)的熒光強(qiáng)度相近。這表明L2 對(duì)Hg2+的識(shí)別具有良好的熒光響應(yīng)和優(yōu)異的抗干擾能力，是一種具有潛在應(yīng)用價(jià)值的Hg2+熒光探針。

圖5 共存離子的影響

2.7 探針L2與Hg2+反應(yīng)機(jī)理探究

由圖6 可看出，在存在Hg2+的情況下，亞甲基（δ=3.40 和3.80）和次甲基（δ=6.18）的峰消失，而在δ=11.17 處形成新的醛氫單峰。這表明Hg2+與L2 結(jié)合后發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致脫硫并形成相應(yīng)的醛?；诖颂岢鲆环NHg2+促進(jìn)硫縮醛化合物水解脫硫機(jī)理（反應(yīng)式如下）。當(dāng)添加Hg(NO3)2后，Hg2+與探針L2 的硫原子配位導(dǎo)致硫縮醛上的碳原子活化，活化碳原子被水分子攻擊得到相應(yīng)的醛。

圖6 探針L2 與Hg2+的核磁滴定

3 結(jié)論

以香豆素為母體，設(shè)計(jì)并合成一種用于檢測(cè)Hg2+的香豆素衍生的二硫縮醛反應(yīng)型熒光探針（L2）。在pH 為6.15～9.96 時(shí)，L2 能夠特異性地識(shí)別Hg2+，淺藍(lán)色熒光發(fā)射猝滅表現(xiàn)出明顯的“開-關(guān)”熒光行為，最低檢出限為5.9×10-9mol/L，可以進(jìn)一步用于化學(xué)和環(huán)境系統(tǒng)水樣中低濃度Hg2+的檢測(cè)。