一種pH熒光特性物質(zhì)的合成及其特性研究

馬永山,吳俊森,劉 雷,張 超 (山東建筑大學市政與環(huán)境工程學院,山東 濟南 250101)

一種pH熒光特性物質(zhì)的合成及其特性研究

馬永山*,吳俊森,劉 雷,張 超 (山東建筑大學市政與環(huán)境工程學院,山東 濟南 250101)

合成并表征了化合物:N,N'-二苯丙氨酸銨-3,4,9,10-苝四羧酸二酰亞胺(PDCDA).研究了pH值變化對其水溶液可見吸收光譜和熒光發(fā)射光譜的影響,探討了熒光強度變化的機理,并利用PDCDA構(gòu)建了具有“開-關”特性的pH熒光傳感器.結(jié)果表明,PDCDA化合物水溶性好、熒光量子產(chǎn)率高,熒光強度與 pH值間有著強烈的依賴關系,在堿性及中性溶液中熒光強度較強且穩(wěn)定,而在酸性溶液中熒光被淬滅,PDCDA在一個非常窄的pH范圍內(nèi)熒光強度發(fā)生了明顯的變化, pH值的改變對發(fā)光團π-π堆積產(chǎn)生影響進而導致其熒光發(fā)射光譜和可見吸收光譜發(fā)生改變.PDCDA可用作水溶液的pH熒光傳感器,檢測pH值范圍為3.8～6.3.

苝二酰亞胺；水溶性；pH熒光傳感器；吸收光譜；熒光光譜

近年來, pH熒光探針廣泛應用于分析化學、生物分析化學、細胞生物學(量度細胞內(nèi)的 pH值)和醫(yī)學(監(jiān)控血液中的pH值)領域[1-2].苝及其衍生物具有優(yōu)異的化學、熱和光化學穩(wěn)定性[3-4],對從可見區(qū)到紅外區(qū)的光有很強的吸收,而且其熒光量子產(chǎn)率接近 1,單線態(tài)的熒光壽命大約為4ns[5],在分子電子學材料、激光材料、液晶顯示材料、電致發(fā)光器件、感光體及太陽能電池方面應用廣泛[6],是一類性能優(yōu)異的分子熒光探針[7].

帶有羧基的苝酰亞胺型熒光染料具有顯著的優(yōu)點:苝骨架使其具備親脂性;羧基兼具親水性,使其能滲透到細胞內(nèi),可用于活體組織內(nèi) pH值的測定;斯托克斯位移較大可避免吸收光譜干擾發(fā)射光譜,從而提高測試的靈敏度與準確性[8].因此將帶有胺基的苝酰亞胺類熒光染料開發(fā)作為pH熒光探針具有重要的應用價值和廣闊的發(fā)展前景.苝二酰亞胺衍生物的合成方法已有報道[9-10],作者參考文獻[9-10]自行設計合成了含有2個羧基親水性基團的苝二酰亞胺衍生物,并研究了它作為pH熒光探針的光譜特性.

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

氫氧化鉀、二甲基亞砜、濃硫酸、無水乙醇、氫氧化鈉、鹽酸等均為市售分析純;苝四酸酐與L-苯丙氨酸購于 Aldrich公司,為分析純;水為二次蒸餾水.測試儀器主要有:瓦里安 Inova 400MHz核磁共振氫譜儀;布魯克TENSOR27型傅里葉變換紅外光譜儀;CARY50紫外可見分光光度計;日立 F-4500型熒光分光光度計;上海雷磁PHS-3C精密pH計.

1.2 N,N'-二苯丙氨酸銨-3,4;9,10-苝四羧酸二酰亞胺(PDCDA)的合成

PDCDA的合成路線見文獻[9-10].首先合成N,N'-二苯丙氨酸基-3,4;9,10-苝四羧酸二酰亞胺 :將 3.3g(0.02mol)苯 丙 氨 酸 和 1.12g (0.02mol)KOH溶于 20mL水中,室溫磁力攪拌12h,蒸發(fā)至干,得 4.06g苯丙氨酸鉀鹽晶體.將苯丙氨酸鉀鹽超聲分散在 40mL DMSO(二甲基亞砜)溶液中,磁力攪拌下加熱回流 0.5h,再加入0.8g精制的苝四酸酐繼續(xù)攪拌、回流,每隔0.5h取少量樣品溶解在濃硫酸中測可見吸收光譜,直到 500,546nm 左右苝酐的特征吸收峰消失,560,600nm左右出現(xiàn)對稱苝四羧酸二酰亞胺的特征吸收峰,且560,600nm特征峰的相對強度基本不變時停止反應.將反應后體系 3000r/min離心,沉淀用無水乙醇洗至濾液基本無色,加水用稀鹽酸酸化至pH=1,水洗3次,得到目標固體化合物.將其溶于20mL15%的氨水,磁力攪拌5min,過濾得濾液,蒸發(fā)除去溶劑得紅棕色固體,80℃真空干燥得0.75g產(chǎn)物PDCDA,產(chǎn)率約40%.

2 結(jié)果與討論

2.1 PDCDA的結(jié)構(gòu)表征

圖1為PDCDA的核磁共振氫譜圖,化學位移 8.12×10-6和 7.61×10-6處出現(xiàn)了 2組雙重峰,分別為苝環(huán)上的 4個內(nèi)側(cè)氫和 4個外側(cè)氫,7.12×10-6和7.02×10-6處的2組雙重峰,分別為2個苯環(huán)上的4個鄰位氫和4個間位氫,6.98×10-6處的雙重峰為2個苯環(huán)的對位氫, 3.46×10-6處的單重峰為2個羧基氫.

圖2為PDCDA的紅外光譜圖,3443, 3163cm-1處為酰胺N—H的伸縮振動峰, 3052cm-1處為苝環(huán)上的C—H伸縮振動峰, 2846cm-1處為飽和C— H伸縮振動峰,1690cm-1處為羧酸C=O鍵的伸縮振動峰,1592cm-1處出現(xiàn)了苝環(huán)C=C的伸縮振動峰,1399,1361cm-1處為 C—N伸縮振動峰, 1273, 1183, 1114, 1021, 951cm-1為羧酸中C—O伸縮振動峰, 853, 809, 793, 737, 659, 461, 432cm-1處為C-H非平面搖擺峰.

基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時間質(zhì)譜測得其分子量為624.2.

圖1 PDCDA的1H-NMR圖譜Fig.1 1H-NMR spectrum of compound PDCDA

圖2 PDCDA的FTIR圖譜Fig.2 FTIR spectrum of compound PDCDA

2.2 UV-vis吸收光譜

10-5mol/L的PDCDA水溶液的pH值,用標準的KOH或HCl水溶液滴定時,CARY50紫外可見分光光度計測得可見吸收曲線如圖3所示.可見, PDCDA的最大吸收波長為541nm,當溶液pH值由12.01降低到3.22時,吸收峰強度逐漸降低,且在酸性區(qū)域吸收峰紅移.

對于苝系衍生物來說,電子振動吸收具有自身的特點,電子振動能級存在從υ = 0 → υ’ = 0和1的躍遷,υ和υ’分別對應于基態(tài)和激發(fā)態(tài).在自由單體狀態(tài)下,傅蘭克-康頓(Franck-Condon)效應系數(shù)為A0→0＞A0→1,而當單體開始聚集時,電子從0→1躍遷的幾率會增加[11-12].從pH 12.01到6.28,0→1與0→0相比躍遷的幾率變化不大,說明在這個pH值范圍苝四羧酸根以單體形式存在;從6.28到3.86,吸收峰強度急劇降低,且0→1躍遷的幾率明顯增大,說明在這個pH值范圍的π-π作用較強;而當pH值降到3.86以下,峰形不再改變,初始的吸收峰發(fā)生紅移,最終在整個檢測波段內(nèi)出現(xiàn)吸收,這是因為伴隨pH值降低, PDCDA的苝四羧酸單體發(fā)生π-π作用而聚集,從而阻止了光的通過.

圖3 pH值對水溶液中PDCDA吸收光譜的影響Fig.3 The absorption spectra of PDCDA in aqueous solution with varied pH

2.3 熒光發(fā)射光譜

2.3.1 PDCDA與 H+作用,熒光 ON-OFF 用NaOH調(diào)節(jié)PDCDA水溶液至堿性后再滴加H+,用日立 F-4500型熒光分光光度計測得激發(fā)波長為533nm時,不同pH值的熒光發(fā)射光譜如圖4所示.從圖4看出,PDCDA的最大發(fā)射波長為547nm,當溶液pH值由12.01降低到3.22時,熒光發(fā)射強度逐漸降低,直至熒光淬滅.原因是在堿性溶液中PDCDA以羧酸根的形式存在,羧酸根陰離子為富電子特征,使整個化合物分子具有較高的電子密度,苝核平面之間存在的斥力阻止了它們的聚集,從而獲得高的熒光量子產(chǎn)率;隨著羧酸根不斷的質(zhì)子化,共軛體系的電子云密度不斷下降,熒光強度呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢.熒光強度下降全過程根據(jù)其下降的快慢程度分為3個階段:前一階段(對應pH值由12.01降低到 6.28)熒光強度緩慢降低,是因為在堿性溶液中羧酸根未結(jié)合質(zhì)子,電子云密度較高,發(fā)光物種比較穩(wěn)定;中間階段(對應 pH值由 6.28降低到 3.86)熒光強度迅速降低直至淬滅,此過程對應于,PDCDA一端的羧酸根結(jié)合氫質(zhì)子,另一端仍保持未質(zhì)子化狀態(tài),質(zhì)子化過程中未質(zhì)子化的羧酸根對整個共軛體系仍表現(xiàn)為供電子性,至溶液pH值達3.86,PDCDA另一端的羧酸根也結(jié)合了氫質(zhì)子,整個化合物分子從主要以堿式形式存在變?yōu)橹饕运崾叫问酱嬖?分子負電勢減弱,苝分子間發(fā)生聚集作用和光誘導電子轉(zhuǎn)移現(xiàn)象使熒光淬滅;后一階段(pH值降到3.86以下)熒光完全淬滅,峰形不再改變.根據(jù)圖4熒光強度變化與 pH值的對應關系,通過Sigmoidal擬合,得到熒光強度隨pH值變化的改變趨勢.由圖 5可以看出,伴隨溶液 pH值降低,熒光發(fā)射強度逐漸降低,整個熒光減弱階段熒光強度衰減快慢不一樣.當pH值從12.01減小到6.28這一階段時,熒光強度降低緩慢,當pH值由6.28降低到3.86,熒光強度急劇降低,當pH值繼續(xù)減小到 3.86以下這一階段時,熒光淬滅.與本化合物的吸收和熒光光譜的變化趨勢相反,曾有文獻報道了一類吲哚N原子上沒有取代基的菁染料,可以產(chǎn)生質(zhì)子化和脫質(zhì)子的作用, 這種作用可以引起吸收光譜和熒光光譜的峰值隨著 pH值的升高而降低從而被用于檢測 pH值[13-14].此類探針的吸收和熒光光譜的變化機理可以理解為是由于酸堿對NH+/N具有不同的推拉電子能力,從而引起共振效應導致的.

2.3.2 PDCDA與OH-作用,熒光OFF-ON 圖6是10-5mol/L的PDCDA的水溶液,在加入H+使熒光完全淬滅后,引入不同量的NaOH水溶液時,熒光的變化.從圖6可以看出,OH-引入后,熒光逐漸恢復,熒光強度出現(xiàn)遞增的趨勢,而且熒光光譜的曲線與之前的PDCDA引入H+的形狀是一致的,這說明OH-不斷地將已質(zhì)子化的PDCDA去質(zhì)子化,將整個化合物分子主要以酸式形式存在恢復為以羧酸根陰離子存在的階段,從而發(fā)出熒光.而且在 pH值相同的不同水溶液中,濃度相同的PDCDA的熒光強度幾乎相等,說明該化合物可應用于定量分析水體的PH值.

圖4 pH值對水溶液中PDCDA熒光光譜的影響Fig.4 The emission spectra of PDCDA in aqueous solution with varied pH

圖5 PDCDA最大熒光強度值與pH值的關系Fig.5 The corresponding graph with maximum fluorescence intensity and different pH

2.4 pH熒光傳感器的構(gòu)建

從以上分析可以看出,PDCDA的熒光對pH值具有強烈的依賴性,并可以在pH值從6.28降低到3.86非常窄的范圍內(nèi)發(fā)生明顯的變化,據(jù)此,可以利用PDCDA構(gòu)建具有“開-關”特性的pH熒光探針.圖7為PDCDA在pH6.3和3.8時的熒光光譜圖,在pH6.3時熒光處在“開”的狀態(tài),而pH3.8時,熒光“關”,可以看出,該體系的熒光強度變化大,熒光開啟時的強度大約是關閉時的 30倍以上.這個過程可以很明顯的用肉眼觀測,pH6.3時,有強的黃色熒光,pH3.8時,幾乎沒有熒光.圖8則說明該熒光傳感器可以可逆調(diào)節(jié),當pH值在3.8和6.3之間進行調(diào)節(jié)時,熒光強度發(fā)生可逆的變化,每次調(diào)節(jié)熒光團的熒光強度幾乎都可以回到原來的位置,而且?guī)缀跏撬查g實現(xiàn)熒光的開啟和關閉.這一結(jié)果對于深入研究苝二酰亞胺衍生物的基礎光物理性質(zhì)和 pH熒光傳感體系的設計具有理論和應用意義.

圖6 pH值對水溶液中PDCDA熒光光譜的影響Fig.6 The emission spectra of PDCDA in aqueous solution with varied pH

圖7 PDCDA在pH值為6.3和3.8時的熒光Fig.7 Fluorescence spectra of PDCDA with pH 6.3 and 3.8

圖8 PDCDA在pH值為6.3和3.8之間調(diào)節(jié)時的熒光強度的可逆變化Fig.8 Fluorescence intensity reversible change of PDCDA between pH 6.3 and 3.8

3 結(jié)論

3.1 合成了一種水溶性的苝二酰亞胺類衍生物:N,N'-二苯丙氨酸銨-3,4;9,10-苝四羧酸二酰亞胺(PDCDA).采用核磁氫譜、紅外光譜和基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時間質(zhì)譜表征,譜圖上出現(xiàn)了苝環(huán)上的8個氫和苯環(huán)上的10個氫及2個羧基氫,酰胺N—H的伸縮振動峰,苝環(huán)上的C—H伸縮振動峰、飽和 C—H伸縮振動峰、羧酸C=O鍵的伸縮振動峰及C—N伸縮振動峰,分子量為624.2,證實了其結(jié)構(gòu)正確.

3.2 化合物PDCDA的熒光強度與pH值間有著強烈的依賴關系,當pH值從12.01降到3.22時, c(PDCDA) = 10-5mol/L水溶液的紫外-可見吸收強度減弱,且變化靈敏.當該溶液的pH值從12.01減小到 6.28時,熒光強度降低緩慢,當 pH值從6.28繼續(xù)減小到 3.86時,熒光強度急劇降低,當pH值降低到3.86以下,熒光淬滅.而當pH值升高時,熒光強度可逆恢復到相應強度.

3.3 利用 PDCDA構(gòu)建了具有“開-關”特性的pH熒光傳感器.pH6.3時熒光 “開”, pH3.8時,熒光“關”,熒光和顏色變化明顯,響應快,具有較高的靈敏性.

[1] Roy I, Gupta M N. Smart polymeric materials: Emerging biochemical applications [J]. Chem. Biol., 2003,10(12):1161-1171.

[2] Gil E S, Hudson M. Stimuli responsive polymers and their bioconjugates [J]. Prog. Polym. Sci., 2004,29(12):1173-1222.

[3] Xiao S Q, El-Khouly M E, Li Y L, et al. Dyads and triads containing perylenetetracarboxylic diimide and porphyrin: efficient photoinduced electron transfer elicited via both excited singlet states [J]. J. Phys. Chem. B, 2005,109(8):3658-3667.

[4] Grabowski Z R, Rotkiewicz K. Structural changes accompanying intramolecular electron transfer:focus on twisted intramolecular charge transfer states and structures [J]. Chem. Rev., 2003, 103(10):3899-4031.

[5] Li Y J, Hao L, Li Y L, et al. Energy transfer switching in a bistable molecular machine [J]. Org. Lett., 2005,7(22):4835-4838.

[6] 羅 艷,林崔昆,王振領,等.二(正丁基)苝四酰二亞胺微纖的制備及其發(fā)光性質(zhì) [J]. 發(fā)光學報, 2007,28(6):923-929.

[7] Gronheid R, Hofkens J, Kohn F, et al. Intramolecular fomter energy transfer in a dendritic system at the single molecule level [J]. J. Am. Chem. Soc., 2002,124:2418-2419.

[8] 洪心進,羅 倩,王春祥,等.可溶性的含羧基苝酰亞胺類化合物的合成及其光譜性質(zhì)研究 [J]. 感光科學與光化學, 2006,24(3): 167-172.

[9] 馬永山,張鳳霞,孫友敏,等.水溶性苝二酰亞胺類衍生物pH熒光探針的合成及表征 [J]. 發(fā)光學報, 2011,32(3):251-255.

[10] Sean M M, Wang Z Y. Synthesis and characterization of poly (aryl ether imide)s containing electroactive perylene diimide and naphthalene diimide units [J]. Journal of Polymer Science A: Polymerchemistry, 2000,38:3467-3475.

[11] Wang W, Han J J, Wang L Q, et al. Dynamic π-π stacked molecular assemblies emit from green to red colors [J]. Nano. Lett., 2003,3(4):455-458.

[12] Ma Y S, Wang C H, ZhaoY J, et al. Perylene diimide dyes aggregates: optical properties and packing behavior in solution and solid state [J]. Supramolecular Chemistry, 2007,19(3):141-149.

[13] 宋 波,張 茜,彭孝軍,等.新型水溶性熒光標示劑吲哚方酸菁染料的合成及光譜性能 [J]. 高等學?；瘜W學報, 2008,29(5): 932-935.

[14] 王炳帥,王麗,吳 彤,等.苯乙烯類菁染料pH探針的合成與活細胞成像 [J]. 高等學?；瘜W學報, 2010,31(6):1148-1151.

Synthesis and characterization of a pH fluorescence compound.

MA Yong-shan*, WU Jun-sen, LIU Lei, ZHANG Chao (School of Municipal and Environmental Engineering, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China). China Environmental Science, 2012,32(1)：168～172

N, N'-bi(L-phenylalanine amine)-perylene-3,4; 9,10-dicarboxylic diimide(PDCDA)was synthesized and characterized. The absorbance and fluorescence of PDCDA (10-5mol/L) in aqueous solution were studied by varied pH values. The mechanism of the fluorescence indensity change was also discussed. And a fluorescent pH sensor was designed with PDCDA. It was water-soluble and had high fluorescent quantum yield. The fluorescence intensity of PDCDA was strongly dependent on pH, which was strong and stable in alkaline or neutral solution and was weakened in acid solution. The fluorescence intensity of PDCDA changed obviously even in a small pH range. The π-π stacking caused by pH led to the change of flourescence spectrum and absorption spectrum.The PDCDA can be used as a fluorescent pH sensor and the pH detection range was 3.8～6.3.

perylene diimide derivative；water-soluble；flourescence pH sensor；absorption spectrum；flourescence spectrum

2011-04-13

水體污染控制與治理科技重大專項資助項目(2008ZX07422-001);山東建筑大學開放實驗資助項目(2009030)

*責任作者, 實驗師, mlosh@sdjzu.edu.cn

X830

A

1000-6923(2012)01-0168-05

致謝：感謝山東建筑大學環(huán)境學院母銳敏副教授對本文在寫作方面的幫助.

馬永山(1979-),男,山東臨清人,實驗師,碩士,從事分子熒光探針研究.發(fā)表論文16篇.