一種基于ICT協(xié)同AIE的Zn(II)熒光探針

王 丹, 王振欣, 郭月婷, 馬養(yǎng)民

(陜西科技大學 化學與化工學院 中國輕工業(yè)輕化工助劑重點實驗室, 陜西 西安 710021)

0 引言

在大多數(shù)情況下,鋅是一種無毒的元素.然而,當鋅濃度過高,則具有一定的毒性.Zn2+是廢水中最常見的金屬離子之一,人體所攝入的鋅含量過高,會引起一系列嚴重的疾病,例如癲癇[1]、阿爾茨海默病[2]等.因此,需要開發(fā)方便、快捷的Zn2+檢測方法監(jiān)測城市廢水中的Zn2+,從而及時對廢水進行處理.熒光探針由于具有簡單、靈敏度高、選擇性好、能夠?qū)崿F(xiàn)原位檢測等優(yōu)點,因此成為目前最有效的檢測金屬離子的方法之一.熒光探針對金屬離子的檢測主要是基于探針與金屬離子配位前后發(fā)生的熒光變化.常見的Zn2+熒光檢測機理主要有分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移(intramolecular charge transfer,ICT)[3]、光誘導電子轉(zhuǎn)移[4]、熒光共振能量轉(zhuǎn)移[5]、激發(fā)態(tài)分子內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移[6,7]等.其中,基于ICT的熒光探針中往往存在一個電子給體(D)和一個電子受體(A).這種電子的推拉結(jié)構(gòu)會導致分子內(nèi)發(fā)生從電子給體基團到電子受體基團的有效電荷轉(zhuǎn)移.這種基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間的電荷轉(zhuǎn)移程度會受到溶液極性、測試溫度以及電子給體和受體基團性質(zhì)的影響.

聚集誘導發(fā)光(aggregation-induced emission,AIE)現(xiàn)象是唐本忠教授課題組在2001年發(fā)現(xiàn)的,它是指化合物在單分子溶液狀態(tài)下不發(fā)光,而在聚集狀態(tài)下熒光大大增強的現(xiàn)象[8].這種現(xiàn)象可以克服傳統(tǒng)熒光分子的聚集誘導淬滅(aggregation-caused quenching)效應[9].目前已報道的典型AIE活性分子,如四苯基乙烯和六苯基噻咯[10],都表現(xiàn)出藍紫色短波長發(fā)光,與長波長發(fā)光相比,短波長發(fā)光具有背景干擾強、對組織傷害大以及穿透性差等缺點,不利于其在生物體中的應用.因此開發(fā)具有長波長發(fā)光的AIE活性分子具有重要意義.構(gòu)建D-π-A體系可以有效減小分子最高占據(jù)軌道(HOMO)與最低空軌道(LUMO)之間的能級差,從而得到長波長發(fā)光化合物[11].

三苯胺是一種潛在的AIE活性基團,通過對其結(jié)構(gòu)進行修飾可以表現(xiàn)出AIE性質(zhì),同時,三苯胺具有較強的給電子能力,可以作為電子給體基團(D)[12-14].另外,2,2′∶6′,2″-三聯(lián)吡啶是一種很好的金屬離子螯合基團[15-18],可作為的金屬離子識別基團.同時,三聯(lián)吡啶具有一定的吸電子能力,還可作為電子受體基團(A).因此,本文選擇具有潛在AIE活性的三苯胺作為電子給體(D),具有金屬離子配位能力的三聯(lián)吡啶作為電子受體(A),二者通過-CH=N-連接,構(gòu)建D-π-A型分子L,合成路線如圖1所示.基于ICT協(xié)同AIE,化合物L可用于檢測水介質(zhì)中的Zn2+,其熒光發(fā)射波長達到了615 nm.熒光滴定、Job′s plot、ESI-MS實驗結(jié)果表明檢測體系中生成的物種為L:Zn2+2:1型的配合物.化合物L對Zn2+的檢出限達到了0.024 27 μM.

圖1 化合物L的合成路線

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

1.1.1 主要試劑

三苯胺,LiCl,NaCl,KCl,CaCl2,CrCl3·6H2O,MgCl2·6H2O,Mn(ClO4)2·6H2O,Co(ClO4)2·6H2O,Ni(ClO4)2·6H2O,Cd(ClO4)2·H2O,Cu(ClO4)2·6H2O,Zn(ClO4)2·6H2O,Al(ClO4)3·9H2O,FeCl3·6H2O,Pb(ClO4)2·3H2O,分析純,Pd/C10%,上海麥克林生化科技有限公司.2,2′∶6′,2″-三聯(lián)吡啶-4′-甲醛,分析純,鄭州艾克姆化工有限公司.

1.1.2 主要儀器

BrukerX-射線單晶衍射儀(D8 QUEST),Vario EL元素分析儀,Bruker Ascend 400(400 MHz)核磁共振譜儀,UV-2600紫外-可見分光光度計,Thermo Scientific Lumina熒光分光光度計.Bruker INVENIO FT-IR紅外光譜儀,賽默飛Q Exactive電噴霧質(zhì)譜儀,Zetasize Nano ZS90納米粒徑電位分析儀.

1.2 化合物的合成

1.2.1 化合物1和2的合成

化合物1和2的合成參考已報道的合成方法[19,20].先利用二苯胺和4-氟硝基苯,在氫化鈉存在的條件下進行反應得到化合物1的粗產(chǎn)物,將粗產(chǎn)物在異丙醇中進行重結(jié)晶得到化合物1,1H NMR (400 MHz,DMSO-d6) δ 8.10 (d,J=8.0 Hz,2H),7.49 (t,J=8.0 Hz,4H),7.31 (m,6H),6.84 (d,J=8.0 Hz,2H).在Pd/C的催化下,用水合肼對化合物1進行還原,即可得到化合物2,1H NMR (400 MHz,DMSO-d6) δ 7.23 (t,J=8.0 Hz,4H),6.92 (m,6H),6.83 (d,J=8.0 Hz,2H),6.60 (d,J=8.0 Hz,2H),5.07 (s,2H).

1.2.2 化合物L的制備

將化合物2(0.1 mmol,26.03 mg),2,2′:6′,2″-三聯(lián)吡啶-4-甲醛(0.1 mmol ,26.13 mg)以及4 mL甲醇放入25 mL的聚四氟乙烯反應釜中,置于80 ℃烘箱中反應24 h,之后以每小時降低10 ℃的速度降至室溫,得到棕色片狀晶體,即為化合物L(20.00 mg,39.74%),該晶體適用于晶體結(jié)構(gòu)的測定.1H NMR(400 MHz,DMSO-d6):δ 9.02 (s,1H),8.96 (s,2H),8.80 (d,J=4.0 Hz,2H),8.71 (d,J=8.0 Hz,2H),8.08 (td,J=8.0,4.0 Hz,2H),7.57 (m,2H),7.50 (d,J=8.0 Hz,2H),7.38 (t,J=8.0 Hz,4H),7.10 (m,8H).IR (KBr pellet,cm-1):3 686,3 056,2 057,1 744,1 552,1 490,1 323,1 278,958,892,840,787,746,696,656,620,500.

2 結(jié)果與討論

2.1 化合物L的晶體結(jié)構(gòu)

選擇尺寸合適的棕色片狀晶體,利用Bruker X-射線單晶衍射儀(D8 QUEST)測定其晶體結(jié)構(gòu),在273.15 K溫度下,采用石墨單色化的MoKα射線(λ=0.710 73 ?)收集單晶衍射數(shù)據(jù).利用Olex2軟件包通過直接法對晶體結(jié)構(gòu)進行解析,基于F2的全矩陣最小二乘法進行精修[21-23].L的晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)列于表1中,可以看出,L屬于三斜晶系,P 空間群.圖2(a)展示了化合物L的分子結(jié)構(gòu).如圖2(b)所示,可以看出在該化合物中,相鄰兩個分子之間有四個相互平行的吡啶環(huán),平行的苯環(huán)間的距離為3.961 ?,存在π-π堆積作用.

表1 化合物L的晶體數(shù)據(jù).

圖2 化合物L的晶體結(jié)構(gòu)及π-π堆積示意圖

2.2 紫外-可見吸收光譜分析

配制化合物L的乙醇、DMSO、二氯甲烷、二氧六環(huán)、水、甲苯、氯仿、四氫呋喃、乙醇、乙腈、乙酸乙酯、正己烷溶液,濃度均為10 μM,測定以上各溶液的紫外-可見吸收光譜,結(jié)果如圖3所示.從圖中可以看出,在270～350 nm范圍內(nèi)存在一個強吸收峰,對應的是n-π*躍遷.另外,位于360～490 nm范圍的吸收峰會隨溶劑極性的改變而發(fā)生變化,對溶劑敏感.隨著溶劑極性增大(由正己烷到水),該吸收帶紅移了21 nm,因此,該吸收峰對應的是ICT過程,證明化合物L中存在ICT.

圖3 化合物L(10 μM)在不同溶劑中的紫外可見吸收光譜

2.3 化合物L對金屬離子的熒光選擇性

將化合物L與等量的不同金屬離子混合于THF/H2O(1∶9,v/v)溶液中,其中化合物L濃度為10 μM.以460 nm為激發(fā)光波長,測定各溶液的熒光發(fā)射光譜,如圖4所示.由圖可以看出,化合物L本身在520 nm處表現(xiàn)出極弱的熒光發(fā)射.向其中加入不同金屬離子后,只有Zn2+的加入能夠引起熒光發(fā)射峰發(fā)生明顯紅移(95 nm),同時615 nm處的熒光強度明顯增強.

圖4 在THF/H2O(1∶9,v/v)中,L分別與等量的不同金屬離子混合后的熒光光譜(λex=460 nm)

為了探究檢測體系中化合物L與Zn2+配位的化學計量比,進行了Job′s plot實驗,在THF/H2O(1∶9,v/v)溶液中,保持L與Zn2+濃度之和不變,改變Zn2+與化合物L的濃度比(1∶9,2∶8,3∶7,4∶6,5∶5,6∶4,7∶3,8∶2,9∶1,10∶0),測定以上各溶液的熒光發(fā)射光譜(λex=460 nm),取615 nm處的熒光強度對[Zn2+]/([Zn2+]+[L])作Job′s plot曲線,結(jié)果如圖5所示.可以看出在Zn2+摩爾百分含量為0.4時熒光強度達到最大,說明L與Zn2+配位的化學計量比可能為2∶1.

圖5 在THF/H2O (1∶9,v/v)溶液中,化合物L與Zn2+的Job′s plot

為了進一步確定配位比,本研究在L的THF溶液中加入0.5倍的Zn2+,測定該溶液的電噴霧質(zhì)譜(ESI-HRMS).實驗結(jié)果如圖6所示,可以看出,在m/z=535.174 87處有一個峰,該峰對應物種為[ZnL2]2+(理論值:m/z=535.175 55),這進一步證明在檢測體系中L與Zn2+配位的化學計量比為2∶1.

另外,本研究還進行了熒光滴定實驗,在L(20 μM)的THF/H2O(1∶9,v/v)溶液中加入不同體積5×10-4M的Zn(ClO4)2母液(10 μL,20 μL,30 μL,40 μL,50 μL,70 μL,80 μL,90 μL,100 μL,120 μL,140 μL,160 μL,180 μL,200 μL,240 μL,280 μL,300 μL,340 μL,360 μL,400 μL),測定各溶液的熒光發(fā)射光譜.結(jié)果如圖7所示,隨著Zn2+濃度的升高,615 nm處的熒光強度逐漸增強,并且從滴定曲線(圖7插圖)可以看出,在加入0.5倍的Zn2+后,熒光強度基本達到最大值,并保持不變,這與Job′s plot及ESI-HRMS實驗結(jié)果基本一致.因此,推斷在檢測體系中L與Zn2+的配位模式如圖8所示,兩個L分子與一個Zn2+離子發(fā)生配位,生成了2∶1型的配合物.由于Zn2+與L中的三聯(lián)吡啶基團發(fā)生配位,導致分子中的電子受體吸電子能力增強,ICT過程所需能量減少,更易于發(fā)生,因此加入Zn2+后熒光發(fā)生紅移(95 nm)并明顯增強.

圖6 在THF中,化合物L+0.5倍Zn2+的ESI-HRMS

圖7 在L(20 μM)的THF/H2O(1∶9,v/v)溶液中,加入不同濃度Zn2+后的熒光發(fā)射光譜(插圖為615 nm處的熒光強度隨[Zn2+]/[L]變化的曲線)

如圖9(a)所示,基于熒光滴定數(shù)據(jù)得到615 nm處的熒光強度隨Zn2+濃度變化的線性關(guān)系,斜率k為270.699 63 μM-1.通過檢出限計算公式LOD=3ε/k (ε為測定10次空白溶液在615 nm處熒光強度的標準偏差),計算得到L對Zn2+的檢出限(LOD)達到0.024 27 μM.另外,圖9(b)為利用熒光滴定數(shù)據(jù)計算得到的(F-F0)2/[(F1-F0)(F1-F)]與1/[Zn2+]的線性關(guān)系,其中,F為在化合物L溶液中加入任意濃度的Zn2+后在615 nm處的熒光強度,F0為在L中加入Zn2+后的615 nm處的熒光強度最大值,F1為未在L中加Zn2+時615 nm處的熒光強度.通過公式(1)[24,25]可得1/(2KaCL)即為以上線性關(guān)系的斜率1.37 112×10-5M,CL為溶液中化合物L的濃度(20 μM),代入計算得到L與Zn2+在檢測體系中的結(jié)合常數(shù)Ka為1.825×109M-2.

(F-F0)2/[(F1-F0)(F1-F)]=1/{2KaCL[Zn2+]}

(1)

在競爭實驗中,將化合物L與等量Zn2+混合后,再分別與等量的不同金屬離子混合于THF/H2O(1∶9,v/v)溶液中,測定各溶液的熒光發(fā)射光譜.以615 nm處的熒光強度作柱狀圖,如圖10所示.結(jié)果表明,除了Fe3+、CO2+、Cu2+、Al3+外,其他金屬離子的存在對L檢測Zn2+基本沒有影響.另外,測定了在L的THF/H2O(1∶9,v/v)溶液中加入不同濃度的Zn2+的紫外可見吸收光譜.如圖11所示,可以看出隨著加入的Zn2+濃度的增大,425 nm處的吸收峰紅移至474 nm處,并且在450 nm處的等吸收點證明檢測體系中Zn2+配合物的形成.

圖8 化合物L與Zn2+可能的配位模式

圖9 在THF/H2O(1∶9,v/v)中,化合物L對Zn2+檢出限和結(jié)合常數(shù)的計算

2.4 L-Zn(II)配合物的AIE性質(zhì)

考慮到三苯胺的潛在AIE活性,化合物L的Zn(II)配合物可能具有AIE性質(zhì).因此,測定了L+0.5倍Zn2+在水體積百分含量不同(5%～95%)的THF/H2O溶液中的熒光發(fā)射光譜,具體操作方法為先配制L的THF母液(1×10-3M)及Zn(ClO4)2的THF母液(1×10-3M),在14個10 mL容量瓶中分別加入200 μL的L母液(1×10-3M)及100 μL Zn(ClO4)2母液(1×10-3M),再分別加入不同體積的THF(200 μL,700 μL,1 200 μL,1 700 μL,2 200 μL,2 700 μL,3 200 μL,3 700 μL,4 700 μL,5 700 μL,6 700 μL,7 700 μL,8 700 μL,9 200 μL),最后用二次水定容至10 mL,即得14個待測溶液.測定以上各溶液的熒光發(fā)射光譜,如圖12所示.可以看出,隨著水含量的增多,615 nm處的熒光強度逐漸增強.當水含量達到90%時,熒光強度達到最大.當水含量增加到95%,熒光強度明顯減弱,這可能是由于“濃度淬滅”效應引起的[26].

通過測定L+0.5倍Zn2+在THF/H2O中的DLS(圖13),可以發(fā)現(xiàn)隨著水體積百分含量的增加,確實有聚集體生成,并且可以看出隨著水含量增多,生成的聚集體粒徑逐漸減小,這與已報道的許多AIE體系[6,27]表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律.以上實驗現(xiàn)象證明檢測體系中生成的Zn(II)配合物確實具有AIE性質(zhì).

圖12 在不同比例THF/H2O混合溶液中,L(20 μM)+0.5倍Zn2+的熒光發(fā)射光譜(λex=468 nm)

圖13 化合物L(20 μM)+0.5倍Zn2+在不同含水量的THF/H2O中的DLS

3 結(jié)論

該研究中合成了一種D-π-A型希夫堿L,其中,三苯胺作為電子給體(D),三聯(lián)吡啶作為電子受體(A),L能夠發(fā)生分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移(ICT).由于三聯(lián)吡啶可以與Zn2+發(fā)生配位,使之吸電子能力進一步增強,因此向L中加入Zn2+后熒光發(fā)生紅移并明顯增強.同時,由于生成的Zn(II)配合物在THF/H2O介質(zhì)中表現(xiàn)出AIE特性,隨著水含量的增多熒光進一步增強.因此,化合物L能夠用作off-on型的熒光探針檢測水介質(zhì)中的Zn2+,熒光發(fā)射波長為615 nm,檢出限達到了0.024 27 μM.通過Job′s plot、ESI-HRMS、熒光滴定實驗證明在檢測體系中L與Zn2+配位的化學計量比為2∶1,L與Zn2+的結(jié)合常數(shù)Ka為1.825×109M-2.