比率型CN-檢測熒光探針的合成與應(yīng)用

陳　頌，侯　鵬，王　靜，劉　磊，王　鑫

（齊齊哈爾醫(yī)學院藥學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

比率型CN-檢測熒光探針的合成與應(yīng)用

陳頌，侯鵬，王靜，劉磊，王鑫

（齊齊哈爾醫(yī)學院藥學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

利用CN-誘導的邁克爾加成反應(yīng)阻斷探針的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移過程（ICT），成功設(shè)計合成一種新型的熒光比率型CN-熒光探針。該探針對CN-具有顯著的熒光比率響應(yīng)，其熒光光譜藍移128 nm。相對于其他干擾離子，探針對CN-具有較高的選擇性和專一性。通過以上實驗為監(jiān)測CN-濃度提供一個簡單有效并具有較高靈敏度的分析方法。

熒光探針；比率型；分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移；香豆素衍生物

0　引　言

由于陰離子在生物體系和化學過程中具有重要的作用，近年來開發(fā)合成檢測陰離子的熒光探針得到了極大關(guān)注[1-5]。CN-是眾多陰離子中尤為重要的一類，被廣泛用于合成纖維、樹脂、除草劑和金的提取工藝過程中。然而，CN-的毒性對環(huán)境及生物造成的危害也不容忽視，當機體通過肺、胃腸道和皮膚攝入過量的CN-會導致嘔吐、抽搐、意識喪失，甚至死亡[6-8]。因此，開發(fā)高效的CN-濃度監(jiān)測技術(shù)具有非常重要的現(xiàn)實意義。目前，文獻所報道的檢測CN-的熒光探針，大部分是依賴單波長檢測熒光增強的原理，信號表達容易受到物質(zhì)濃度、外界環(huán)境以及設(shè)備穩(wěn)定性等因素的影響[9-11]。相比之下，通過雙波長比值自校準方式發(fā)展的比率型熒光探針能有效消除檢測中的不確定因素，從而提高方法的可信度[12-13]。本文以香豆素衍生物為熒光團，通過調(diào)節(jié)分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移（ICT）過程，設(shè)計合成了一種檢測CN-的比率型熒光探針1。當探針分子1與CN-作用后，由于CN-具有較強的親核性，可以進攻探針分子結(jié)構(gòu)中的不飽和雙鍵，導致分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移過程（ICT）被中斷，引起分子紫外光譜和熒光光譜的變化，利用反應(yīng)前后兩個波長的比值，從而建立一種檢測CN-的方法。

1　實驗部分

1.1儀器與試劑

苯并噻唑-2-乙腈（99%，Xiya Reagent Research Center）；石油醚（上海思域化工科技有限公司）；哌啶（天津市福晨化學試劑廠）；二氯甲烷（天津市東麗區(qū)天大化學試劑廠）；無水乙醇（天津市凱通化學試劑有限公司）；測試所用陰離子為四丁基銨鹽（F-，Cl-，Br-，I-，NO3-，HSO4-，ClO4-，AcO-，H2PO4-，均購于上海國藥試劑有限公司）。

1.2實驗方法

將二乙胺基香豆素醛[14]（25 mg，0.1 mmoL）和苯并噻唑-2-乙腈（18mg，0.1mmoL）溶于10mL無水乙醇中，加入1滴哌啶，室溫攪拌3h。反應(yīng)結(jié)束后，抽濾，乙醇洗滌，柱層析分離（石油醚/二氯甲烷=1∶2，ν∶ν）得到產(chǎn)品28 mg（質(zhì)量分數(shù)為70%）即為分子熒光探針1，其合成過程如圖1所示。δH（400 MHz，DMSO-d6）：8.91（1 H，s），8.43（1 H，d，J 0.4），8.12 -8.08（1 H，m），7.90-7.88（1 H，m），7.52-7.42（3 H，m），6.61（1 H，s），6.60（1 H，s），3.49（4 H，dd，J 9.4，9.6），1.28（6 H，d，J 9.6），HRMS Calcd for：401.119.Found：401.120。

圖1　探針1的合成及CN-的識別機理

2　結(jié)果與分析

2.1紫外光譜和熒光光譜研究

在紫外-可見吸收光譜中（見圖2），探針1溶液（20μmol/L）的最大吸收峰出現(xiàn)在532nm，當加入CN-后，532 nm處的吸光度降低，同時在350 nm處出現(xiàn)一個新的吸收峰，隨著CN-濃度的增加（0～35μmol/L），350nm處的吸光度逐漸增加，而532nm處的吸收峰逐漸消失。反應(yīng)前后，探針溶液的吸收光譜藍移了182nm。同時，探針溶液的顏色由紅色變?yōu)榈S色，適于裸眼檢測。如圖3所示，在熒光光譜中（440nm激發(fā)下），探針分子（10μmol/L）的最大發(fā)射峰出現(xiàn)在616nm，隨著CN-的加入，最大吸收峰藍移至488nm，向探針溶液中加入CN-，616nm與488nm處熒光強度的比值較單獨的探針溶液增強了45倍，反應(yīng)前后，熒光光譜藍移了128nm。這種藍移現(xiàn)象主要是由于CN-進攻探針的不飽和雙鍵發(fā)生邁克爾加成反應(yīng)，使探針分子的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移（ICT）過程被抑制，從而引起紫外和熒光光譜的變化。

圖2　探針1（20μmol/L）與CN-（0～35μmol/L）反應(yīng)的紫外吸收光譜變化情況

2.2檢測限

通過分析探針1與CN-作用的熒光發(fā)射光譜數(shù)據(jù)，如圖4所示，以熒光強度比值（I488/I616）為縱坐標，CN-濃度為橫坐標作圖，得到一條標準曲線，擬合后得到的方程為y=0.13167+0.03244x（r=0.9888）。比率型熒光探針提供了依靠內(nèi)置校正消除環(huán)境影響的優(yōu)勢手段，更重要的是，可以提高熒光的動態(tài)測量范圍，探針1（10μmol/L）能夠有效檢測CN-的濃度范圍為0～14μmol/L。根據(jù)文獻報道的方法[15]，計算CN-檢測限為0.52×10-6mol/L，以上結(jié)果表明，該探針可以對CN-進行定量檢測。

圖3　探針1（10μmol/L）與CN-（0～14μmol/L）反應(yīng)的熒光光譜（λex=440nm）變化情況（激發(fā)電壓：700 V,狹縫寬度：2.5nm，2.5nm）

圖4　探針1（10μmol/L）與不同濃度CN-（0～14μmol/L）反應(yīng)的熒光比率變化情況

圖5　探針1（10μmol/L）與CN-（0～14μmol/L）以及等量（25 μmol/L）的不同測試物（Cl-，F(xiàn)-，Br-，I-，AcO-，NO3-，ClO4-，HSO4-，H2PO4-）反應(yīng)的紫外光譜比率變化情況

2.3選擇性和干擾實驗

為了評估探針1分子對CN-的專一識別能力，本文選擇了一些典型的測試物（Cl-，F(xiàn)-，Br-，I-，AcO-，NO3-，ClO4-，HSO4-，H2PO4-）對探針1分子的選擇性進行研究。在相同條件下，向探針溶液中加入等量的各種測試物，紫外光譜比率及熒光光譜變化如圖5、圖6所示。若只有CN-的加入，會與探針分子的不飽和雙鍵發(fā)生邁克爾加成反應(yīng)，阻斷探針分子ICT過程的進行，導致探針溶液的熒光發(fā)射峰較大的藍移，對比反應(yīng)前后熒光比率也可以清晰看出加入CN-（14 μmol/L），熒光比率增強明顯（I488/I616=7.8），相比之下，其他測試物（25μmol/L）與探針1（10μmol/L）作用后，探針分子的熒光光譜幾乎沒有變化，相應(yīng)的熒光比率變化不大（I405/I542=0.16～0.28）。以上研究結(jié)果表明，該探針是一個具有高度選擇性的CN-探針。

圖6　探針1（10 μmol/L）與CN-（0～14 μmol/L）以及等量（25 μmol/L）的不同測試物（Cl-，F(xiàn)-，Br-，I-，AcO-，NO3-，ClO4-，HSO4-，H2PO4-）反應(yīng)的熒光光譜（λex=440 nm）變化情況（激發(fā)電壓：700 V,狹縫寬度：2.5 nm，2.5 nm）

3　結(jié)束語

本文成功合成了一種基于香豆素染料為母體識別CN-的新型熒光探針1。相對于其他常見的陰離子，探針分子表現(xiàn)出高度的選擇性和專一性。探針1與CN-作用后，紫外光譜藍移了182nm的同時，溶液的顏色也從紅色變?yōu)榈S色，清晰的顏色變化可以用于裸眼檢測。這一實驗建立了一種裸眼和熒光比率檢測的研究方法，證明其在CN-濃度的監(jiān)測方面具有潛在的應(yīng)用能力。

[1]Martínez-manez R，Sancenón F.Fluorogenic and chromogenicchemosensorsandreagentsforanions[J]. Chemical Reviews，2003，103（11）：4419-4476.

[2]Gale P A.Structural and molecular recognition studies with acyclic anion receptors[J].Accounts of Chemical Reviews，2006，39（7）：465-475.

[3]Niu H T，Yin Z M，Su D D，et al.Imidazoliumbased macrocycles as multisignaling chemose-nsors for anions[J].Dalton Transactions，2008（28）：3694-3700.

[4]任海仙，唐靜，魏太保，等.酰腙類化合物的合成和陰離子識別研究[J].無機化學學報，2007，23（11）：1907-1911.

[5]徐勝，劉斌，田禾.陰離子熒光探針傳感器新進展[J].化學進展，2006，18（6）：687-697.

[6]劉閣，邵杰.基于分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移的陰離子比率熒光分子探針[J].無機化學學報，2011，27（4）：731-736.

[7]Xu Z C，Chen X Q，Kim H N，et al.Sensors for the opticaldetectionofcyanide ion[J].Chemical Society Reviews，2010，39（1）：127-137.

[8]Kim H J，Park S.Highly selective chemodosi-meter for cyanide based on a doubly activated Michael acceptor typeofcoumarinthiazole fluorophore[J].Sensors and Actuators，2012，161（1）：317-3219.

[9]陳馬亮，孫玥，郭煒.一種能夠識別CN-的傳感器分子的合成及光譜研究[J].山西大學學報：自然科學版，2011，34（2）：277-280.

[10]楊林，張瀟，瞿衛(wèi)松，等.基于吩嗪衍生物的熒光增強型氰離子探針[J].影像科學與光化學，2014，32（1）：113-120.

[11]胡京漢，陳娟娟，李建斌，等.一種基于偶氮水楊醛酰腙的CN-探針[J].無機化學學報，2014，30（11）：2544-2548.

[12]楊柳，郭成海，張國勝.熒光比率探針及其應(yīng)用研究進展[J].生命科學儀器，2006，4（2）：7-10.

[13]段煉，范善偉，孫玥.一種基于部花菁染料的氰離子熒光比率探針[J].光譜實驗室，2013，30（4）：2024-2027.

[14]Yuan L，Lin W Y，Yang Y T，et al.Rational design of a highly reactive ratiometric fluores-cent probe for cyanide[J].Organic Letters，2011，13（4）：3730-3733.

[15]Irving H，F(xiàn)reiser H，West T.IUPAC compendium of analytical nomenclature，definitive rules[M].Oxford：Pergamon Press，1981：72.

Synthesis and application of ratiometric fluorescent probe for CN-determination

CHEN Song，HOU Peng，WANG Jing，LIU Lei，WANG Xin
（College of Pharmacy，Qiqihar Medical University，Qiqihar 161006，China）

It reports a new type of CN-fluorescence ratiometric fluorescent probe by using the CN-induced Michael addition reaction to block intermolecular charge transfer process（ICT）.The probe displayed remarkable fluorescence ratio towards CN-.With the addition of CN-，the fluorescence spectrum of the probe blue shifted by 128 nm.The probe exhibited high selectivity and sensitivity towards CN-over other interfering ions.Based on the result，it provides a simple，effective and high sensitivity analysis method for monitoring the concentration of CN-.

fluorescence probe；ratiometric；ICT；coumarin derivative

A

1674-5124（2015）12-0045-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.12.012

2015-05-01；

2015-06-30

齊齊哈爾市科技廳科學技術(shù)研究項目（SFGG201327）

陳頌（1983-），男，江蘇連云港市人，講師，博士，研究方向為熒光探針的合成與應(yīng)用。