丹?；鶊F(tuán)修飾的喹啉衍生物作為Cu2+和Hg2+熒光探針研究

鄧樂芳， 張 敏， 嚴(yán)玉華， 楊麗庭， 馬立軍

(華南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，廣東廣州 510006)

丹?；鶊F(tuán)修飾的喹啉衍生物作為Cu2+和Hg2+熒光探針研究

鄧樂芳， 張 敏， 嚴(yán)玉華， 楊麗庭， 馬立軍*

(華南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，廣東廣州 510006)

合成并表征了一種具有良好水溶性的熒光探針——8-(丹磺酰氨基)喹啉，它能在水溶液中熒光識別和檢測Cu2+和Hg2+.隨著2種離子濃度的增加，該探針的熒光發(fā)射強(qiáng)度均發(fā)生較大程度的猝滅，而相同測試條件下，其他8種重金屬離子對該熒光探針的熒光發(fā)射性質(zhì)影響不大，說明8-(丹磺酰氨基)喹啉是一種對Cu2+和Hg2+具有選擇性識別的熒光探針.

喹啉； 丹?；鶊F(tuán)； Cu2+； Hg2+； 熒光探針

金屬銅和汞的污染進(jìn)入環(huán)境或生物系統(tǒng)，發(fā)生留存、富集和轉(zhuǎn)移，通過食物鏈進(jìn)入人體，對人體造成傷害.因此，在環(huán)境或生物體內(nèi)對它們的檢測就具有重要的科學(xué)意義.重金屬離子的檢測一般包括原子吸收光譜、等離子發(fā)射光譜、冷原子熒光光譜、氣相色譜、電化學(xué)方法、熒光探針方法等[1]，其中熒光探針容易在溶液中使用，對測量儀器要求不高，且對痕量金屬離子具有很高的選擇性和靈敏度，因而將熒光探針應(yīng)用于金屬離子的識別具有很強(qiáng)的可操作性[2-4].已報道一些銅離子和汞離子的熒光探針具有較好的識別和檢測性能，但是探針的數(shù)量有限，其中許多熒光探針都是在有機(jī)環(huán)境中使用，因為其含有較大的芳香性熒光基團(tuán)所致[5-8].因此，通過化學(xué)合成獲得更多的水溶性銅、汞離子熒光探針是本領(lǐng)域的重要研究方向.

本文利用丹酰氯與8-氨基喹啉反應(yīng)，合成了一種水溶性熒光探針——8-(丹磺酰氨基)喹啉(簡稱DK)，它在水溶液中能夠?qū)u2+和Hg2+表現(xiàn)出高選擇性熒光識別作用.

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

質(zhì)譜采用美國熱電集團(tuán)菲尼根質(zhì)譜公司的LCQ Deca XP MAX液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀,質(zhì)譜測試為陰離子測試.核磁共振波譜使用美國Varian公司NMR Systems 400MHz波譜儀測試，核磁試劑為D2O/CD3OD(體積比為3∶1).熒光光譜儀采用日本日立 FL-2500 型熒光光譜儀，本論文溶液樣品所采用的激發(fā)波長均為340 nm.

試劑：丹酰氯、8-氨基喹啉購于百靈威公司，其余試劑為分析純，購于國內(nèi).

1.2 熒光探針DK的合成路線

8-(丹磺酰氨基)喹啉(簡稱DK)的合成路線見圖1，首先將丹酰氯和8-氨基喹啉溶解于丙酮中，在催化劑三乙胺的作用下，丹酰氯脫去氯原子，吸引氨基上的氫原子，使酰基連接脫去氫原子的氨基，形成熒光探針8-(丹磺酰氨基)喹啉.

圖1 DK的合成路線

1.3 熒光探針的合成步驟與表征

取0.1 g (0.37 mmol) 丹酰氯溶解于5.0 mL無水丙酮中，在冰鹽浴下將其滴加到含0.053 g (0.36 mmol) 8-氨基喹啉和0.1 mL三乙胺的10.0 mL無水丙酮溶液中，攪拌30 min后，置于室溫繼續(xù)反應(yīng)20 h，使用薄層色譜檢測反應(yīng)情況.反應(yīng)結(jié)束后，蒸干溶劑，粗產(chǎn)物用二氯甲烷溶解后再用飽和NaHCO3溶液洗滌3次，用水洗至中性，得到的有機(jī)液用無水硫酸鎂干燥.抽濾、蒸干溶劑得到的粗產(chǎn)物用二氯甲烷和甲醇(體積比為5∶1)做展開劑進(jìn)行硅膠柱層析分離提純，所得終產(chǎn)物DK為0.075 g，產(chǎn)率為46%[17].利用質(zhì)譜和核磁對探針分子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，ESI-MS(甲醇做溶劑):分子式C21H19N3O2S，理論計算的相對分子質(zhì)量為377.41，實驗測得的結(jié)果為376.42 (圖2A).1H-NMR譜(圖2B, 400 MHz，D2O/CD3OD (體積比3∶1)中化學(xué)位移和對應(yīng)的質(zhì)子類型歸屬為：2.679(s, 6H, -N(CH3)2)，8.735～7.136(m，12H，dansyl(H)+ quinoline(H)).

圖2 化合物8-(丹磺酰氨基)喹啉的質(zhì)譜圖(A)和核磁波譜圖(B)

1.4 實驗測試溶液的配置

將DK溶于甲醇中，配置成濃度為2.0 mmol/L的儲備液；取DK的儲備液，按比例9∶1分別加入水和甲醇，配置成DK的濃度為20.0 μmol/L的待測水溶液；分別配制5.0 mmol/L的CuCl2、CdCl2、CrCl3、CoCl2、HgCl2、PbCl2、AgNO3、Ni(NO3)2、ZnCl2、CaCl2和MnCl2的水溶液.

2 結(jié)果與討論

2.1 DK對Cu2+和Hg2+的熒光識別

以340 nm作為激發(fā)波長時，20.0 μmol/L的DK水溶液(含體積分?jǐn)?shù)為10%的CH3OH)在500 nm處具有1個很強(qiáng)的熒光發(fā)射峰(圖3)，為丹磺?；鶊F(tuán)的特征發(fā)射峰[14].向DK水溶液中分別滴加不同濃度的Cu2+和Hg2+，DK水溶液的熒光強(qiáng)度逐漸發(fā)生猝滅，表明Cu2+和Hg2+與DK發(fā)生了相互作用，可能由于Cu2+或Hg2+與喹啉基團(tuán)的氮原子、磺?；鶊F(tuán)發(fā)生了配位作用，從而由于重金屬離子的順磁性、電子轉(zhuǎn)移或電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)對丹?；鶊F(tuán)的熒光發(fā)射峰產(chǎn)生了猝滅作用.其中，Cu2+和Hg2+的濃度達(dá)到16.0 μmol/L時，DK發(fā)生最大程度的猝滅，熒光強(qiáng)度分別猝滅了69.7%和83.29%，而Hg2+的猝滅程度更大一些.同時，在365 nm紫外燈照射下，DK水溶液的熒光顏色也由綠色變成了無色.結(jié)果表明，DK可以用作Cu2+或Hg2+的“熒光開關(guān)”，在水溶液中能夠?qū)@2種重金屬離子表現(xiàn)出熒光識別作用.

2.2 DK與其他金屬離子相互作用的熒光光譜

在相同的實驗測試條件下，測試了DK水溶液中分別滴加濃度為20.0 μmol/L的Ag+、Ca2+、Cd2+、Co2+、Cr3+、Ca2+、Mn2+和Ni2+等8種常見重金屬離子時的熒光發(fā)射光譜(圖4).結(jié)果表明，這幾種金屬離子存在時DK的熒光發(fā)射峰變化不明顯，這與相同濃度的Cu2+和Hg2+存在時所呈現(xiàn)的“熒光關(guān)”現(xiàn)象差別十分明顯，表明DK對Cu2+和Hg2+的熒光識別具很好的選擇性，其他的8種金屬離子在加入到DK的水溶液中，沒有影響丹?；鶊F(tuán)的熒光光譜，可能由于它們并不能與磺?；鶊F(tuán)發(fā)生作用，也就不能影響丹?；鶊F(tuán)的光發(fā)射性質(zhì).

圖3 含10%甲醇的DK (20.0 μmol/L)水溶液中分別加入不同濃度(0.0, 0.2, 0.25, 0.4, 0.5, 1.0, 2.0, 2.5, 4.0, 8.0, 10.0, 12.0, 16.0, 20.0, 40.0 μmol/L)Cu2+(A)和Hg2+(B)的熒光發(fā)射光譜

圖4 含10%甲醇的DK (20.0 μmol/L)水溶液中分別存在各種金屬離子(20.0 μmol/L)時的熒光光譜

2.3 DK對Cu2+和Hg2+熒光識別的選擇性

只有Cu2+和Hg2+等2種金屬離子存在時，DK水溶液的熒光光譜才會表現(xiàn)出識別性的熒光猝滅(圖5)，而其他金屬離子的存在均不能產(chǎn)生DK的熒光識別，進(jìn)一步顯示了DK對Cu2+和Hg2+具有很高的選擇性.

2.4 DK與Cu2+及Hg2+的結(jié)合解析

根據(jù)圖3的2個熒光滴定實驗結(jié)果，可以觀察到DK能與Cu2+或Hg2+產(chǎn)生選擇性結(jié)合.那么假設(shè)DK和Cu2+或Hg2+的結(jié)合比為2∶1，兩者的結(jié)合常數(shù)(Kobs)就可以由Hildebrand-Benesi方程擬合得到H-B方程[9-10]如下：

(1)

其中H代表探針分子DK濃度，G代表金屬離子濃度，K21為探針分子DK與金屬離子的結(jié)合常數(shù).以500 nm處熒光強(qiáng)度的比值a=(I-I0)/(Imin-I0) 來表示探針分子DK的殘余濃度，通過擬合得到DK與Cu2+和Hg2+的結(jié)合常數(shù)(圖6).可以看出，所有數(shù)據(jù)點都很好地分布在擬合線的附近，擬合相關(guān)系數(shù)R2分別為0.974和0.948，說明DK與Cu2+或Hg2+以2∶1的比例相結(jié)合的假設(shè)是正確的.通過此擬合得到結(jié)合常數(shù)分別為KaCu=5.51×1012L2/mol2，KaHg=1.43×1013L2/mol2.對照文獻(xiàn)，DK與Cu2+及Hg2+的結(jié)合常數(shù)是很大的，說明DK與Cu2+及Hg2+之間具有很強(qiáng)的相互作用，它們的結(jié)合物穩(wěn)定性好.2個探針分子結(jié)合1個金屬離子的結(jié)合比例顯示了金屬離子配位的高飽和程度，有利于形成更穩(wěn)定的配位化合物[15].

圖6 基于2∶1結(jié)合比的假設(shè)，DK與Cu2+(A)和Hg2+(B)結(jié)合常數(shù)的擬合

3 結(jié)論

合成并表征了一種水溶性好的Cu2+和Hg2+的熒光探針——8-(丹磺酰氨基)喹啉，隨著Cu2+和Hg2+的加入，該熒光探針?biāo)芤旱臒晒獍l(fā)射峰發(fā)生的明顯的熒光猝滅，表現(xiàn)為“熒光關(guān)”識別特性；而在其他金屬離子存在時，該熒光探針的熒光發(fā)射性質(zhì)幾乎沒有變化.結(jié)果顯示了該熒光探針在水溶液中對Cu2+和Hg2+的熒光識別以及高的選擇性.對實驗數(shù)據(jù)的分析顯示，在水溶液體系中該探針與Cu2+和Hg2+以2∶1的結(jié)合比相結(jié)合，且結(jié)合常數(shù)大.研究結(jié)果能夠為水相中Cu2+和Hg2+的檢測提供一種可能的有效方法.

[1] 李洪偉.基于磺酰胺基團(tuán)的汞離子熒光探針的設(shè)計、合成及識別機(jī)理研究[D].長春：吉林大學(xué),2009.

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Keywords： quinoline; dansyl; copper(II) ion; mercury(Ⅱ)ions; fluorescence probe

FluorescenceProbeforCopper(Ⅱ)andMercury(Ⅱ)BasedontheDansylAminoquinoline

DENG Lefang, ZHANG Min, YAN Yuhua, YANG Liting, MA Lijun*

(School of Chemistry and Environment, South China Normal University, Guangzhou 510006, China)

A good water-soluble fluorescence probe 8-dansyl-aminoquinoline (DK) was synthesized and characterized. The probe showed fluorescence recognition and detection to copper (Ⅱ) and mercury (Ⅱ) ions in aqueous solutions. Upon the addition of Cu2+and Hg2+, the fluorescent emission intensity of the probe was quenched. Other metal ions did not show similar recognition signals at the same condition. The molecule is a fluorescence probe with selectivity toward Cu2+and Hg2+.

2013-02-03

國家自然科學(xué)基金項目(20903041)；廣州市珠江科技新星項目(2012J2200026)

*通訊作者:馬立軍，副教授，Email: mlj898021@scnu.edu.cn.

1000-5463(2013)05-0074-04

O629.71

A

10.6054/j.jscnun.2013.07.017

【中文責(zé)編：成文 英文責(zé)編：李海航】