熒光探針檢測水中F-研究

劉倩，白星星

（商洛學院化學工程與現代材料學院/陜西省尾礦資源綜合利用重點實驗室，陜西商洛 726000）

氟化物可以用于牙齒保健、治愈骨質疏松癥以及制備化學試劑，因此它在生物、醫學和化學進程中發揮著重要作用。但是人體氟過量會導致氟中毒，輕者造成氟斑牙，重者引起氟骨癥，甚至完全喪失勞動和生活自理能力。且氟中毒一旦患上即永遠成疾[1-3]。因此，近年來，氟離子的檢測越來越受到人們的關注。熒光分析法因其具有操作簡便、選擇性好、靈敏度高、取樣量少、線性范圍寬等優點，在藥物分析、DNA排序、食品的微量和痕量分析以及生物科學等領域得到了廣泛的應用[4-6]。近年來，人們嘗試將熒光探針應用于藥物分析、臨床診斷、遺傳分析、細胞檢測、環境監測等方面，并取得了顯著成果。目前，用于檢測氟離子的熒光探針已有大量文獻進行報道，主要基于以下幾種反應機理：斷裂Si-O鍵；斷裂Si-C鍵；基于氟離子誘導Si-O鍵斷裂合環反應；與有機硼化合物相互作用等[7-9]?；诜x子對硅具有很強的親和力，誘導硅醚鍵斷裂的原理。本文設計、合成一種新型F-熒光探針1-(2-叔丁基二甲基氯化硅烷基-4-吡咯基)-苯乙烯基丙二腈（PB-1），利用叔丁基二甲基氯化硅化合物對化合物的羥基進行保護，從而抑制激發態分子內質子轉移（ESIPT）過程。而加入氟離子后，氟離子選擇性地切割探針中的叔丁基二甲基硅基，釋放出羥基，ESIPT過程恢復，從而實現對氟離子的檢測。本文還考查了該熒光探針對F-的識別能力，包括反應時間、靈敏度、選擇性及pH的影響。并討論它對水中F-檢測的可能性。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑和儀器

間氯苯酚、三氯氧磷、二甲基甲酰胺、氯仿、吡咯烷、二甲基亞砜、碳酸鉀、三乙胺、叔丁基二甲基氯硅烷、丙二腈、哌啶、二氯甲烷、無水乙醇、氫氧化鉀、硝酸。

紫外可見分光光度計、F4600熒光分光光度計、磁力攪拌器、電子分析天平、旋轉蒸發儀、電子分析天平。

1.2 實驗原理

熒光探針1-(2-叔丁基二甲基氯化硅烷基-4-吡咯基)-苯乙烯基丙二腈，簡稱PB-1，結構如圖1所示。探針PB-1中的羥基被叔丁基二甲基氯硅烷保護后，激發態分子內質子轉移（ESIPT）過程被抑制，熒光很弱，而加入F-后可以選擇性的斷裂硅醚鍵，生成的氧負離子與鄰位的α，β-不飽和腈分子發生分子內的1，2-親核加成反應，生成異香豆素類化合物，使ESIPT過程恢復，熒光增強，如圖2所示。

圖1 PB-1的分子結構式

1.3 PB-1合成路線

PB-1的合成路線如圖3所示。

圖2 PB-1與F-反應的原理圖

圖3 熒光探針PB-1的合成路線

1.4 實驗檢測條件

稱取適量的探針PB-1進行真空干燥后溶于乙腈溶液中，定容至100 mL，配制成測試所需要的合適濃度。各種常見物質（Br-，I-，NO2-，NO3-，CO32-，ClO4-，Cl-，SO42-，H2PO4-，SCN-，Cys，AcO-，GSH，Hcy，F-）配制成測試所需濃度的水溶液。測試體系：乙腈-HEPES 緩沖液，20 mol·mL-1，pH=7.4，v/v=4：1。熒光分光光度計參數如下：λex=445 nm，Em的狹縫寬度為5.0 nm，激發電壓為700 v。

2 結果與分析

2.1 紫外、熒光光譜分析

2.1.1 紫外可見吸收光譜

實驗分別測試了熒光探針PB-1（10 μmol·L-1）及PB-1與F-（v/v=1：1，10 μmol·L-1）反應40min后的紫外-可見吸收光譜圖，結果如圖4所示。由圖4可知，PB-1在435 nm處有一個寬的收峰處，當它與同體積同濃度的F-反應40 min后，最大吸收峰紅移至445 nm處，且吸光度減弱。表明F-誘導探針PB-1中的硅醚鍵斷裂，發生了羥基脫保護反應，生成的氧負離子與鄰位的α，β-不飽和腈分子發生分子內的1，2-親核加成反應，生成了亞胺陰離子中間產物，該中間產物又迅速從溶液中得到質子而形成了新的物質，此現象與原理所述一致。

圖4 紫外-可見吸收光譜圖

2.1.2 熒光發射光譜

1）熒光光譜與時間的關系

實驗考察了時間與熒光強度的關系，將熒光探針PB-1與F-（v/v=1：1，10 μmol·L-1）混合，每隔10 min測試熒光強度，一直測到反應后1 h，熒光強度隨時間變化的曲線如圖5、圖6所示。

圖5 熒光發射光譜隨時間的變化

圖6 熒光強度在最大發射波長處（488 nm）隨時間的變化

由圖5和圖6可以看出，熒光探針PB-1與F-反應后生成的化合物在488 nm處吸收強度達到最大，PB-1與F-反應時間在20 min內，熒光強度增加較迅速，20～40 min增加較緩慢，40 min后熒光強度不再增加，趨于穩定。即反應達到飽和的時間為40 min。

2）熒光光譜與濃度的關系

將熒光探針 PB-1（10 μmol·L-1）與不同濃度（0、3、6、9、12、15、18、21、24、27、30、33、36、39 μmol·L-1）的 F-反應 40 min，熒光強度的變化如圖7所示。由圖7可以看出，F-的濃度為0時，熒光強度很弱，隨著F-的濃度不斷增大，在488 nm處出現最大發射峰且熒光強度不斷增強，當 F-的濃度達到 27μmol·L-1時，即探針 PB-1的 2.7倍時，熒光強度達到飽和，不在隨著F-濃度的增大而增加，最大增強為熒光探針PB-1的108倍。在紫外燈的照射下，探針呈現出較強的黃綠色熒光。

圖7 熒光強度隨F-濃度增加的變化

由圖 8 可知，當 F-的濃度為 0～24 μmol·L-1，熒光探針PB-1濃度為10 μmol·L－1時，熒光強度與F-的濃度有較好的線性關系。線性方程為y=266.8x+71.588，其擬合常數R為0.9988。F-的檢測下限達到10 μmol·L－1，顯示了較高的檢測靈敏度。

圖8 熒光強度與F-濃度的線性關系

2.2 其他離子干擾測試分析

將熒光探針 PB-1（10 μmol·L-1）分別與20 倍的 Br-，I-，NO2-，NO3-，CO32-，ClO4-，Cl-，SO42-，H2PO4-，SCN-，Cys，AcO-，GSH，Hcy 反應40 min后的熒光強度如圖9所示?？梢钥闯?，只有加入F-，熒光強度才會顯著增加，是未加物質空白溶液的108倍。而加入其它陰離子及巰基化合物后，熒光強度并未增加或增加很?。珊雎裕f明熒光探針PB-1對F-有較好的選擇性。

為了進一步探討該方法測定F-的可行性，實驗考察了共存物質對F-測定的影響，如圖10所示，加入濃度為PB-1 200倍的共存物質對2.7倍的F-幾乎沒有干擾。這表明F-仍能選擇性的脫去PB-1中的叔丁基二甲基硅基官能團，探針PB-1可以實現復雜樣品中F-的檢測。

圖9 加入不同陰離子及巰基化合物后熒光強度的變化

圖10 干擾物質與F-共存時對PB-1的發射光譜的影響

2.3 pH值的影響

實驗考察了加入F-前后，pH對PB-1熒光強度的影響，利用KOH和HNO3將溶液調制成pH=4，5，6，7，8，9 的測試體系，將探針 PB-1 配置成濃度為 1×10-5mol·L－1的溶液并測試其熒光強度，且分別往里面加入相同體積相同濃度的F-，反應40 min后，測試其熒光強度，如圖11所示。

圖11 加入F-前后不同pH條件下的熒光強度

由圖11可以看出，pH在4.0～9.0，探針PB-1熒光強度保持不變，說明探針PB-1可以在較寬的pH值范圍內穩定存在，而加入F-后，熒光強度都會增加，表明PB-1可以在較寬的pH值范圍內檢測F-。但在pH為4、5時，熒光強度增加比較小，在 pH 為 6、7、8、9 時，熒光強度增加比較大，尤其在pH為7時，熒光強度增加最為顯著。因此，pH為7作為最佳測試條件。

3 結論

本文基于氟離子對硅具有很強的親和力，可以誘導硅醚鍵斷裂的原理。設計并合成一種新型的F-熒光探針PB-1，實驗對其光譜性質、選擇性、pH等進行研究，發現加入F-后，光譜性質變化明顯，紫外可見吸收波長由435 nm紅移到445 nm；并且熒光光譜在波長為488 nm處強度不斷增強，最大增強為108倍。通過對pH和選擇性的測試，發現它可以在不受其它離子干擾的情況下，在一個較寬的pH范圍內檢測F-。且測試體系中有機溶劑的含量僅為5%，因此，PB-1可用于水中F-的檢測。

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