反應型二芳基乙烯-羅丹明探針的合成及其對水樣中汞離子的檢測

李秀美

(江西科技師范大學江西省有機化學重點實驗室，江西 南昌 330013)

介紹

熒光探針具有靈敏度高、對細胞損傷小以及通透性好、生物分子背景自熒光干擾小和特別強的可設計性等優(yōu)點[1]，因此在工業(yè)上、生物監(jiān)測等方面已經得到大家廣泛關注，并對重金屬離子的檢測進行了一定研究分析。汞(Hg2+)離子是對環(huán)境和人體不友好的過渡重金屬離子之一[2]，它廣泛存在于環(huán)境和生物體中，并表現(xiàn)出不同的形態(tài)以及化學結構，例如：劇毒性的有機汞在微生物的作用下由無機汞離子轉化而來[3]。汞離子具有高毒性，不可降解性、積累性，以及良好的脂溶性和跨膜能力[4-6]。且能夠被處于食物鏈頂端的人通過食物鏈[7]吸收并積累，從而使人體中樞神經系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)等出現(xiàn)不可逆的嚴重損傷[8]。因此根據(jù)汞離子對生物的危害性而言，我們很有必要開發(fā)一種高敏感性和高選擇性的檢測汞離子的方法[9]。

1 實驗

1.1 試劑和儀器

實驗中所使用的藥品和溶劑均為分析純級別，無需進一步純化。將相應的硝酸鹽(Ag+、Ba2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+、Mn2+、Fe3+、Pb2+、Ca2+、Co2+、Cr3+、Ni2+、Mg2+、Sr2+、Al3+、Hg2+、K+)溶解于去離子水(2.0 mL)中來制備對應的離子溶液(0.1 mol/L)。用四甲基硅烷(TMS)作為內標，DMSO-d6作為溶劑，使用Bruker AVANCE NEO 500 MHz FT-NMR Spectrometer(500 MHz)光譜儀來進行NMR光譜圖的記錄。高分辨率質譜(HRMS)儀名為AB SCIEX Triple TOF 4600，用此儀器對物質進行高分辨測量。物質的熔點使用WRS-1B熔點儀進行測定。Agilent 8454 UV/Vis光譜儀來進行UV/Vis光譜的收集。Hitachi F-4600 熒光光譜儀中研究了物質的熒光光譜。用絕對熒光量子產率儀QY C11347-11測量熒光量子產率。

1.2 實驗過程

圖1為二芳烯衍生物1O的合成路線，化合物2和3是根據(jù)以前的文獻[10-11]記載合成出來的?；衔?(0.2 g，0.398 mmol)溶解于干燥二氯甲烷(5mL)中常溫攪拌，同時加入用少量干燥二氯甲烷溶解EDC(0.0761 g，0.397 mmol)和DMAP(0.0485 g，0.397 mmol)溶液，最后加入化合物3(0.2 g，0.426 mmol)于溶液中繼續(xù)攪拌1h。并點板觀察反應進行情況，用CH2Cl2萃取反應物，用無水硫酸鈉干燥過夜，并過濾濃縮得粗產物。經過硅膠柱色譜純化，用石油醚/乙酸乙酯(v/v=1/1)作為洗脫劑，得到紫色化合物1O的紫色固體0.3 g，產率為79.07%，熔點為M.P.458-459K；1H NMR(500 MHz，DMSO-d6)δ 7.81-7.76(m，1H)，7.73(d，J=7.9 Hz，2H)，7.59(s，1H)，7.49(t，J=7.7 Hz，4H)，7.03-6.94(m，1H)，6.85(s，1H)，6.73(d，J=2.4 Hz，1H)，6.65(d，J=8.8，2.4 Hz，1H)，6.43(d，J=8.7 Hz，1H)，6.36(d，J=7.4 Hz，3H)，4.35(s，2H)，3.75(s，2H)，3.50(s，2H)，3.28(s，6H)，3.23-3.12(m，2H)，2.41(s，3H)，1.94(s，3H)，1.86(s，3H)，1.08(t，J=7.0 Hz，6H)13C NMR(126 MHz，DMSO-d6)δ 168.91，165.92，153.33，153.12，152.15，151.72，148.65，142.18，141.12，140.28，138.73，135.53，134.11，132.97，129.96，128.76，128.61，128.19，128.03，125.90，125.67，124.78，123.94，123.91，122.74，112.14，110.34，108.49，105.70，102.57，97.81，65.09，44.16，15.17，14.48，14.38，12.89。ESI-MS：計算值：m/z=953.2868，[M+H+]+和[M+Na+]+m/z實測值分別為954.2947和976.2768。

圖1 1O的合成路線

2 結果與討論

2.1 化合物1O的光致變色性質

在常溫下，我們研究了化合物1O(C=1×10-5mol/L)的光致變色性質。如圖2.A是化合物1O經UV/Vis交替照射后的紫外吸收光譜圖。在譜圖中位于269nm和301nm有兩個吸收帶，這是因為二芳基乙烯本身結構中的π-π*躍遷所引起[12]，隨著紫外光的照射，該兩處的吸收帶逐漸降低，同時還出現(xiàn)了兩個明顯的新吸收峰分別處于365nm和555nm，且化合物1O的顏色也變?yōu)樽仙@是由于光環(huán)化作用生成了閉環(huán)同分異構體1C，在分子中形成了共軛大π鍵的離域效應。在甲醇溶液中，對化合物1O進行了10組紫外循環(huán)數(shù)據(jù)的記錄，表明化合物1O的疲勞效應沒有什么影響，因此證明該物質具有優(yōu)異的抗疲勞性如圖2.B。

圖2 (A)化合物1O的紫外吸收光譜圖；(B)化合物1O的抗疲勞性。

2.2 化合物1O對Hg2+的熒光響應

在甲醇溶液中研究了化合物1O(C=2×10-5mol/L)對不同的金屬離子(Hg2+，Cu2 +，F(xiàn)e3+，Cr3+，Co2+，Ni2+，Al3+，Cd2+，Zn2+，Sr2+，K+，Mg2+，Mn2+，Ba2+，Ca2+，Pb2+and Ag+)的熒光識別以及顏色變化。如圖3.A，不同金屬離子加入1O溶液中只有Hg2+和Cu2+引起了變化，其中Cu2+使1O的熒光強度變化太少可忽略不計。當Hg2+加入才能使化合物1O的熒光強度出現(xiàn)急劇增強現(xiàn)象，這就是由于Hg2+和化合物1O反應，使羅丹明部分由最初的閉環(huán)狀態(tài)變?yōu)殚_環(huán)狀態(tài)所引起的。從圖3.B的抗干擾實驗中我們很容易看出在Hg2+存在的情況下，其他各種離子對化合物1O幾乎沒有影響，表明1O可應用于對實際樣品中Hg2+的檢測。

圖3 (A)化合物1O對陽離子的熒光選擇；(B)熒光抗干擾柱狀圖。

把Hg2+滴加到化合物1O溶液里進行熒光紫外滴定實驗進一步驗證化合物1O傳感器的性質。從圖4.A中可知原物質1O沒有熒光，絕對量子產率經測量為0.009，當逐漸向1O溶液中加入Hg2+，在607nm處，熒光強度逐漸變高，當加入的Hg2+達到2.5eq.時，1O的熒光強度達到穩(wěn)定狀態(tài)，熒光強度增強到原來的213倍，溶液顏色從無色(無熒光)變?yōu)榉凵?強的橙色熒光)。經過測量得知該物質絕對量子產率為0.121。如圖4.B中，經熒光滴定一樣的操作，紫外滴定中當Hg2+達到1.4eq時，化合物1O的吸收度達到最大值，這說明化合物1O對Hg2+具有優(yōu)異的熒光比色性能。

圖4 (A)化合物1O的熒光滴定圖；(B)化合物1O的紫外滴定圖。

2.3 Hg2+對化合物1O的檢測機理

我們通過1HNMR，HRMS-ESI等方法進行分析是為了更加深入地了解Hg2+對化合物1O的反應機理。如圖5.A，我們根據(jù)核磁滴定數(shù)據(jù)圖分析原物質1O在4.36ppm處峰的高度。隨著汞離子的不斷加入，峰直至消失。該處的峰對應羅丹明閉環(huán)處的氨基氫上的峰，說明了Hg2+與化合物1O處的羅丹明酰肼部分發(fā)生反應脫去水合肼變?yōu)榱_丹明羧酸結構。從以上的分析結果可知，該化合物1O與Hg2+反應的機理如圖5.B所示。

圖5 (A)1O在DMSO-d6加入Hg2+下的核磁滴定變化圖；(B)在甲醇溶液中傳感器1O對Hg2+的識別機理過程。

2.4 傳感器1O-Hg2+的熒光開關性質以及變化

如圖6.A，1O-Hg2+溶液隨著紫外光照射(λ=297nm)40s后，1O-Hg2+的熒光強度下降了55%，溶液顏色由原來的亮橙色強熒光變?yōu)榘党壬珶晒?，這是由于分子內發(fā)生了熒光共振能量轉移導致熒光淬滅現(xiàn)象[13]。圖6.B是傳感器1O-Hg2+的熒光開關以及紫外熒光顏色變化的具體機理圖。

圖6 (A)化合物1O的熒光開關圖；(B)1O，1O-Hg2+，1C-Hg2+的熒光開關和顏色變化機理示意圖。

2.5 探針1O在水樣中的實際應用

現(xiàn)今，仍然有很多人因受到水中的過渡金屬Hg2+污染而遭受各種神經性疾病以及其他類型的病痛折磨，所以對于水體中Hg2+離子的檢測是非常有必要的。因此，我們采用了二芳基乙烯與羅丹明單元相結合的方法快速現(xiàn)場檢測生活中水樣的Hg2+。我們取江西南昌市瑤湖中的水以及當?shù)氐淖詠硭疄樗畼舆M行檢測。檢測之前用過濾膜對水樣進行提純，以除去水中的不溶物質(泥沙等)。從表1中我們可以看出探針1O在自來水中的回收率在98.55%～104.28%之間，而在瑤湖水中的回收率為94.34% ～98.36%。從這個結果表明該探針1O能夠有效的檢測水樣的Hg2+。

表1 探針1O檢測自來水和瑤湖樣品中的Hg2+

3 結果

總之，我們合成了一種新型的基于羅丹明的化學傳感器1O，引入了光致變色材料二芳基乙烯單元，并將其構建為熒光探針的一部分。該探針中的二芳基乙烯單元為供體部分，羅丹明單元為受體部分合成出來，并用于檢測Hg2+，Hg2+能誘導傳感器1O中羅丹明螺內酰胺環(huán)被破壞為羅丹明羧酸，使溶液顏色從無色(無熒光)變?yōu)榉凵?強熒光)。這證明了1O在溶液中對Hg2+檢測具有高選擇性、高靈敏度和優(yōu)異的抗疲勞性等優(yōu)點。最重要的是證明了化學傳感器1O可用于自來水和瑤湖以及其他水樣中Hg2+的識別，因此該探針可作為環(huán)境樣品分析的工具。