基于萘二酰亞胺的熒光探針的合成和甲醛檢測(cè)

盧玉偉 康樂(lè)瑤 任雅斌 劉光仙 孔潔 肖立偉

【摘要】以4-溴-1，8-萘二甲酸酐為原料，通過(guò)氨解、阱解等反應(yīng)步驟合成了受體化合物L(fēng)。采用熒光滴定法研究了受體L與甲醛間的相互作用情況，結(jié)果表明，受體L表現(xiàn)出對(duì)甲醛較好的識(shí)別作用，檢出限為6.05×10-6mol/L。通過(guò)核磁滴定實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了受體L與甲醛之間的作用機(jī)制，即L中的肼基（-NHNH2）與甲醛縮合形成腙，導(dǎo)致體系熒光增強(qiáng)。

【關(guān)鍵詞】熒光探針;萘二酰亞胺;甲醛檢測(cè)

〔中圖分類號(hào)〕O621.2〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕A 〔文章編號(hào)〕1674-3229（2021）04-0070-04

甲醛是重要的化工原料，在建材、家具、化妝品、塑料、醫(yī)藥等方面應(yīng)用廣泛。但是甲醛也是室內(nèi)主要的污染物之一，會(huì)引發(fā)多種疾病，已經(jīng)被世界衛(wèi)生組織認(rèn)定為一類致癌物，嚴(yán)重威脅人們的健康[1-2]。因此，開(kāi)發(fā)檢測(cè)和吸收甲醛的有效方法和技術(shù)對(duì)環(huán)境科學(xué)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有重要意義。

當(dāng)前已經(jīng)發(fā)展了多種方法用于甲醛檢測(cè)[3-4]，如色譜法、電化學(xué)分析法、差分光學(xué)吸收光譜、離子流管質(zhì)譜法等，但上述方法存在樣品處理繁瑣、需要昂貴的儀器輔助等缺點(diǎn)。熒光探針是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型檢測(cè)技術(shù)[5-6]，具有操作簡(jiǎn)便、靈敏度高、能對(duì)活細(xì)胞內(nèi)的目標(biāo)物實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和原位成像等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為科學(xué)研究、臨床診斷和生產(chǎn)生活中對(duì)多種物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)的理想工具[7-8]。熒光探針?lè)肿右话阌蔁晒饣鶊F(tuán)和識(shí)別基團(tuán)構(gòu)成，根據(jù)被檢測(cè)物反應(yīng)前后熒光信息的變化，對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行分析。1，8-萘二酰亞胺是一種重要的熒光材料，具有穩(wěn)定性好、斯托克斯位移大、熒光量子產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)，是優(yōu)良的D-π-A電子體系和熒光基團(tuán)骨架[9-10]。我們[11]曾經(jīng)設(shè)計(jì)合成了一種含1，8-萘二酞亞胺的熒光探針，對(duì)氟離子表現(xiàn)出很好的識(shí)別性能（檢出限達(dá)到 8.06×10-7mol/L）。

基于此，本文設(shè)計(jì)合成了受體化合物4-肼基-1，8萘二酰亞胺L，并探討了受體L與多種活性羰基化合物間的相互作用情況，結(jié)果表明，受體L對(duì)甲醛具有較好的選擇性識(shí)別作用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑和儀器

實(shí)驗(yàn)所用的試劑為分析純，使用前未進(jìn)一步純化。熒光光譜由F-4600型熒光分光光度計(jì)（日立公司）測(cè)定;氫譜和碳譜由Bruker Ascend-400MHz型核磁共振波譜儀（Bruker公司）測(cè)定;高分辨質(zhì)譜由Shi-madzu LCMS-IT-TOF質(zhì)譜儀（島津制作所）測(cè)定。

1.2 受體L的合成步驟

中間體N-丁基-4-溴-1，8萘二甲酰亞胺的合成：取2.8g（0.01mol）4-溴-1，8萘二甲酸酐和1.8mL的正丁胺，溶于10mL無(wú)水乙醇中，攪拌下回流4h，溶液顏色變?yōu)樽睾稚?，趁熱過(guò)濾，冷卻，濾液中有晶體析出，抽濾，乙醇洗滌，晾干，得白色固體2.5g，產(chǎn)率約78.0%。m.p.203-204℃;1H NMR（400 MHz，DMSO-d6）δ：8.60（d，J=7.2 Hz，1H），8.51（d，J=8.8 Hz，1H），8.36（d，J=7.8 Hz，1H），7.98（d，J=8.2Hz，IH），7.79（t，J=7.9Hz，1H），4.22-4.01（m，2H），1.63-1.65（m，2H），1.37-1.39（m，2H），1.17-1.18（m，2H），0.91（t，J=7.3Hz，3H）.

受體N-丁基-4-肼基-1，8萘二甲酰亞胺L的合成：取2.2g（0.067mol）上述中間產(chǎn)物和5mL80%水合肼溶于10mL無(wú)水乙醇中，攪拌下回流4h，反應(yīng)體系溶液變成橙色，冷卻，抽濾，乙醇洗滌，晾干，得黃色固體1.5g，產(chǎn)率80%。m.p.228～230℃;1H NMR（400MHz，DMSO-d6）δ：9.12（s，1H），8.61（d，J=7.8Hz，1H），8.52（d，J=8.3Hz，1H），8.04（d，J=8.2Hz，1H），7.65（t，J=7.6Hz，1H），6.57（s，1H），4.67（s，2H），3.84（s，2H），1.71-1.68（m，2H），1.50-1.39（m，2H），1.26-1.22（m，2H），0.96（d，J=7.4Hz，3H）;13C NMR（101MHz，DMSO-d6）δ：164.3，163.4，153.7，134.7，131.0，129.8，128.7，124.6，122.2，118.9，107.8，104.5，40.3，29.6，20.3，14.1;HR-Ms：calculatedfor C16H17N3O2[M+H]m/e 284.1354，found 284.1352.

1.3 緩沖溶液的配制和甲醛溶液的標(biāo)定

緩沖溶液的配置：按照參考文獻(xiàn)[12]進(jìn)行。取0.135、KH2PO4，0.71g Na2HPO4，4g NaCl和0.1gKCl，加水溶解，通過(guò)鹽酸調(diào)節(jié)pH值至7.4，定容到500mL。

甲醛溶液的標(biāo)定：選用市售甲醛或多聚甲醛，參照文獻(xiàn)[13]，采用碘量法進(jìn)行標(biāo)定。

1.4 熒光測(cè)定實(shí)驗(yàn)

配制0.2mmol/L的受體L的DMSO溶液和20mmol/L的活性淡基化合物的DMSO溶液。各取1mL主客體溶液，加入10mL容量瓶中，加入緩沖溶液和DMSO的混合液（VN=4/6）搖勻，定容?；旌弦撼曁幚?.5h，靜置0.5h，依次進(jìn)行熒光測(cè)試。激發(fā)波長(zhǎng)為440nm，負(fù)高壓為400V，狹縫寬度為10nm。

1.5 熒光滴定和核磁滴定實(shí)驗(yàn)

配制濃度為20μmol/L受體溶液和一系列梯度濃度的甲醛溶液（0～200μmol/L）加入緩沖溶液和DMSO的混合液（V/N=4/6）搖勻，混合液超聲處理0.5h，靜置0.5h，依次進(jìn)行熒光測(cè)試。

核磁滴定實(shí)驗(yàn)時(shí)，配制濃度為2×10-3mol/L的受體L的DMSO-d6溶液，測(cè)定氫譜。加入等量的甲醛，混勻，超聲處理1h，再次測(cè)定氫譜，前后比較。

2 結(jié)果與討論

2.1 受體與不同羰基化合物的相互作用情況

選取代表性的活性羰基化合物（RCS），如甲醛、乙醛、乙二醛、丙醛、苯甲醛、丙酮、環(huán)己酮等，與受體L相互作用后的熒光光譜如圖2所示。受體L與上述羰基化合物作用后，體系的熒光發(fā)射光譜強(qiáng)度會(huì)有不同程度的增加，其中受體L中加入甲醛后體系熒光強(qiáng)度幅度最大，達(dá)到了加入前的30多倍，差別明顯。

2.2 受體L與甲醛相互作用的熒光滴定

將不同濃度梯度（0～10eq）甲醛溶液分別加到受體L溶液（20μmol/L）中，混合體系的熒光光譜如圖3所示。隨著甲醛濃度的提高，在542nm處最大熒光強(qiáng)度呈現(xiàn)依次遞增趨勢(shì)，并在一定濃度范圍內(nèi)呈現(xiàn)線性關(guān)系。

以不同梯度濃度的熒光強(qiáng)度峰值和濃度（542nm）做曲線，歸納其線性方程為：Y=13.913x+228.58，相關(guān)系數(shù)R=0.9987，標(biāo)準(zhǔn)偏差為σ=1.4029，通過(guò)公式3σ（2×10-5）/s計(jì)算出檢出限為6.05×10-6mol/L。

2.3 羰基化合物對(duì)受體L與甲醛相互作用的干擾

分別在受體L和乙醛、乙二醛、丙醛、苯甲醛、三氯乙醛、丙酮、環(huán)己酮等代表性羰基化合物的混合體系中加入等量甲醛，研究上述羰基化合物的存在對(duì)受體L與甲醛識(shí)別的影響。如圖4所示，上述羰基化合物的存在對(duì)受體L與甲醛間的相互作用影響不大，說(shuō)明受體L對(duì)甲醛的識(shí)別具有較好的選擇性。

2.4 受體L對(duì)甲醛識(shí)別的機(jī)理探討

核磁滴定實(shí)驗(yàn)是研究分子間相互作用的重要手段。如圖5所示，受體L與甲醛作用后，在氫譜中，受體中肼基-NH-的化學(xué)位移值由原來(lái)的9.12向低場(chǎng)遷移至11.2，可能是由于受體中肼基與甲醛形成腙后，希夫堿雙鍵的各向異性及吸電子效應(yīng)所致。在7.43和6.69分別出現(xiàn)了兩個(gè)烯氫的信號(hào)，而4.70處代表肼基中-NHZ的信號(hào)消失。說(shuō)明甲醛與受體L中的肼基發(fā)生縮合反應(yīng)生成了腙，體系中光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移（PET）受阻，導(dǎo)致熒光顯著增強(qiáng)[12?。▓D6），受體L顯示出對(duì)甲醛的良好識(shí)別作用。由于位阻及電子相應(yīng)的影響，其他羰基化合物與受體L的反應(yīng)速度或程度不及甲醛，因而熒光增強(qiáng)程度不如甲醛明顯。

3 結(jié)論

綜上所述，合成的受體4-肼基一1，8萘二酰亞胺L對(duì)甲醛有較好的選擇性識(shí)別作用，其作用機(jī)理是甲醛與肼基形成了腙，導(dǎo)致熒光增強(qiáng)是一種理想的甲醛熒光探針。

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[收稿日期]2021-09-28

[基金項(xiàng)目]河北省大中學(xué)生科技創(chuàng)新能力培育專項(xiàng)（2021H100403）;河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（ZD2020153）

[作者簡(jiǎn)介]盧玉偉（2000-），女，廊坊師范學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院2018級(jí)材料化學(xué)專業(yè)學(xué)生。

[通訊作者]肖立偉（1970-），男，博士，廊坊師范學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院教授，研究方向：功能有機(jī)化合物的設(shè)計(jì)與合成。