新型Fe3+分子熒光探針的合成與表征

劉艷紅 馬曉光 李俊杰 劉殿衛

摘 要：本文設計合成新型氨基酸席夫堿受體1（甘氨酸肟-5-硝基水楊醛），對其進行紅外光譜掃描，基本確立了其結構.通過UV-Vis和熒光光譜考察了其與Zn2+，Fe3+，K+，Pb2+，Al3+，Cd2+，Li2+和Mn2+之間的相互作用.當加入Fe3+時受體1的DMSO溶液中由淺黃色變成紅色，而其它陽離子加入基本不變色，因此新型受體1能夠對Fe3+進行裸眼識別.通過紫外光譜可知，在受體1的DMSO溶液中加入Fe3+后，隨著Fe3+濃度的逐漸加大，在420nm處的吸收峰的吸收光度值降低，在370nm處的吸收峰的吸收光度值升高，而其它陽離子變化沒有鐵離子明顯.由熒光光譜可知，受體1的最大激發在484nm，最大發射出現在513nm.當加入同濃度的陽離子時，當加入Fe3+時，受體1在513nm的發射峰出現淬滅，而加入其它金屬陽離子，其在513nm的發射峰變化很小或基本不變.從而表明受體1的DMSO溶液對Fe3+識別的獨特性和專一性.

關鍵詞：氨基酸席夫堿;合成;陽離子;裸眼識別;紫外熒光研究

中圖分類號：O657.3? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2020）07-0053-04

利用化學傳感器檢測金屬離子正逐漸成為環境監測和生物科學的研究熱點，因為這類傳感器具有制備簡單、選擇性強、靈敏度高的優點.所以，開發檢測過渡金屬離子和重金屬離子的化學傳感器是化學、環境化學和生物科學的一個活躍而又有意思的領域.近幾年來，合成成本低、毒性小的席夫堿已成為研究人員的研究目標.Fe3+作為過渡金屬離子，在發展生命體系的過程中也具有很重要的作用，是人體微量元素所必需最多的一種，在人體內起到不可替代的作用，人體內鐵缺乏會導致缺鐵性貧血，影響人體正常的生理活動[1].人體缺鐵或鐵元素過量都會導致許多疾病[2-4].因此，Fe3+的檢測對人類健康具有重要意義.

2006年，Tong組[5]利用二乙烯三胺將兩個羅丹明B連接起來，從而形成新型的席夫堿配體，該配體呈無色且無熒光，在加入Fe3+后其內酰胺結構開環，熒光光譜增強，從而檢測出Fe3+.

2007年，Tae和Bae等人[6]設計合成了探針，該探針是利用兩步簡單步驟合成的以甲氧基為識別基團，將氧肟酸作為Fe3+的功能團，以氧肟酸引入羅丹明內酰胺和開環結構的平衡中，從而形成一種新型的Fe3+探針，這種基熒光探針由于具有特殊的結構片段，在甲醇-乙腈同摩爾比的溶液中可以很好的識別Fe3+，加入后能使Fe3+熒光顯著增強同時溶液顏色變為紫紅色.

同年，Huang等人[7]基于羅丹明的閉環-開環 （off-on）這一機理設計合成了羅丹明B-席夫堿衍生物，成功的識別了Fe3+，而且能用于檢測活體細胞中的Fe3+，并取得了很好的效果.

武漢大學傅恩琴組[8]，使用親水性較好的環糊精與吡啶二甲酰胺連接的多胺鏈反應生成的配合物，熒光分子識別研究表明，水溶液中Fe3+能使其熒光迅速淬滅，而在相同條件下加入其它離子則幾乎沒有熒光變化或者淬滅非常有限.

2017年，貴州大學江光奇組[9]，合出兩種新型席夫堿化合物，這兩種配合物可用于不同水樣的二價和三價的鐵離子的比色識別，通過光譜滴定及液質譜聯用等方法研究了這兩種化合物與Fe3+的識別作用，化合物與Fe3+同摩爾配比，對Fe3+的檢出限分別為0.19mol/L和0.21mol/L，比世界衛生組織規定的飲用水的檢出標準（5μmol/L）低，具有一定的現實價值.

席夫堿是一類重要的被廣泛探索的有機化合物之一，由于其成本低，容易合成并具有巨大的應用，因而研究人員將席夫堿作為化學傳感器用于陽離子的識別研究，但氨基酸席夫堿作為熒光探針來檢測陽離子報道較少，氨基酸席夫堿具有生物活性，且具有低毒的優點.總結前人研究成果，我們以甘氨酸與5-硝基水楊醛為原料，合成新的受體1，并利用紫外、熒光研究了受體與陽離子的作用.

1 實驗部分

1.1 實驗試劑

甘氨酸（國藥集團化學試劑有限公司），5-硝基水楊醛（成都貝斯特試劑有限公司），硝酸鐵，硝酸鉀，硝酸鉛，硝酸鋅，硝酸鎘，硝酸汞，硝酸錳，氫氧化鉀，甲醇，二甲基亞砜均為市售分析純.

1.2 實驗儀器

85-2恒溫磁力加熱攪拌器（常州國華電器有限公司），Nicolet iS5-紅外分光光度計（美國，賽默飛尼），F97pro熒光分光光度計（上海棱光技術有限責任公司），TU-1910型紫外-可見分光光度計（北京普析通用儀器有限責任公司）

1.3 受體席夫堿的合成

稱取甘氨酸（0.7507g，10mmol），置于100mL圓底燒瓶中，在加入20mL無水乙醇并緩慢加熱直至全部溶解，再往該溶液中加入5-硝基水楊醛（1.6368g，10mmol），氫氧化鉀（0.5611g，10mmol）的無水乙醇溶液，然后將反應混合物攪拌、加熱回流2小時.生成黃色沉淀，趁熱過濾，用無水乙醚洗滌干燥，得到受體1（0.6327g.產率為73.4%）.熔點146-147℃.

1.4 受體席夫堿的表征

以二次蒸餾水為溶劑，配制5.0×10-3mol/L的硝酸鋅，硝酸鐵，硝酸鉛，硝酸鋁，硝酸鎘的金屬陽離子備用，并測定其對應離子的熒光光譜.

以受體1為溶質，二甲基亞砜為溶劑稱取0.0023g樣品，配制10mL溶液，濃度為5.0×10-3mol/L，量取溶液觀察熒光性質.

加入各種金屬陽離子對比，加入上述的稀釋溶液中，觀察熒光光譜，各種金屬陽離子分別加入各自互相對照，觀察熒光光譜的變化.

2.5 主客體的紫外光譜測定

以二次蒸餾水為溶劑，配制5.0×10-3mol/L的待測溶液的金屬陽離子Zn2+，Cu2+，Fe3+，K+，Pb2+，Al3+和Cd2+，以留備用，并測定其對應離子的紫外光譜.

2.6 受體1紅外光譜測定

分別稱取各配合物0.0100g，稱取溴化鉀0.0020g，分別將各配合物和溴化鉀置于瑪瑙研缽研磨，取2/3進行壓片，分別測定受體1的紅外吸收光譜.

2 實驗結果與討論

2.1 主客體的裸眼識別

從下面圖2中可以看出受體L（5.0×10-3mol/L）的DMSO溶液是淺黃色，但是分別加入5.0×10-3mol/L的Zn2+，Fe3+，K+，Pb2+，Al3+，Cd2+，Li2+，Mn2+以后，只有加入Fe3+的主體發生明顯的變色，加入其它幾種金屬陽離子后的主體溶液的顏色基本不變.為研究在受體1的DMSO（5.0×10-3mol/L）溶液對Fe3+具有裸眼識別的獨特性時，觀察溶液顏色的變化，如圖2所示，向受體1的DMSO溶液中加入Fe3+后，溶液的顏色明顯發生變化，由淡黃色漸漸加深，最后變為血紅色;在同樣的條件下，加入其他金屬陽離子后的溶液的顏色無明顯顏色變化，這表明受體1對Fe3+具有較強的專一性識別作用，受體1可以用來識別Fe3+，是識別Fe3+的良好感應器，受體1是對Fe3+具有高選擇性的探針.

2.2 紫外可見光譜

圖3展示了在受體1的DMSO溶液中，逐漸加入Fe3+濃度引起受體1（5.0×10-3mol/L）的DMSO溶液的紫外吸收光譜的變化.從光譜圖中可以看出：在未引入陽離子溶液時，主體分子在420nm和370nm之間出現了兩個較強的吸收峰，在420處的吸收峰呈上升增強，370處的吸收峰呈下降減弱，這是由于分子內電荷中的電子轉移引起的.在向受體1的DMSO溶液中加入Fe3+后，主體分子的吸收光譜出現會有很大的變化，隨著Fe3+濃度的逐漸加大，在420處的吸收峰的吸收光度值降低，在370處的吸收峰的吸收光度值升高.出現這種變化的原因最主要是陽離子（Fe3+）的濃度的增強，這種增強會導致主體顏色的變化，從而導致這種紫外吸收光度值的變化.這表明紫外吸收光譜的強弱會隨Fe3+的濃度的變化而改變.

圖4展示了受體1（5.0×10-3mol/L）的DMSO溶液中分別加入同濃度的Cd2+，Zn2+，Pb2+，Fe3+紫外吸收光譜的變化.從光譜圖中可以看出：主體分子在420nm和370nm之間出現了兩個較強的吸收峰，分別加入同濃度的Cd2+，Zn2+，Pb2+，Fe3+只有Fe3+明顯發生變化，其他的金屬陽離子變化的幅度很小或無顯著變化.

2.3 熒光光譜

金屬離子熒光分子探針作為一種高靈敏的檢測手段具有廣泛的應用價值，其設計、合成及識別機理已受到廣泛關注.由于Fe3+具有順磁性，可以有效的淬滅熒光，Fe3+的熒光探針多為淬滅型[10].故在受體1的DMSO溶液中加入金屬陽離子，熒光均表現出淬滅，通過熒光淬滅的大小不同，以此對比來研究加入Fe3+在受體1的DMSO溶液中的熒光的變化，從而說明受體1的DMSO溶液對Fe3+識別具有的特殊性.

圖5表示了受體1（5.0×10-3mol/L）的DMSO溶液在熒光光度計通過三維光譜掃描后，以484nm的光波作為最大激發，受體1在513nm處出現最大發射光譜.

圖6表示了受體1（5.0×10-3mol/L）的DMSO溶液在加入同濃度（5.0×10-3mol/L）的不同金屬陽離子（Fe3+，Al3+，Cd2+，Pb2+，Zn2+）變化情況.受體1在加入Al3+，Cd2+，Pb2+，Zn2+這幾種金屬陽離子后，其最大發射峰值都出現在513nm處，但是這幾種金屬陽離子的熒光強度幾乎不變或變化很小;當加入Fe3+時，其受體在513nm處的熒光發生淬滅，熒光強度相較于受體1有急劇的降低.由此可以說明受體1的DMSO溶液對Fe3+有很強的選擇性識別.

2.4 紅外吸收光譜

根據圖7中受體1的IR分析可以看出，在2872.08cm-1，2728.01cm-1的C-H鍵的伸縮振動峰，1675.95cm-1處的中強吸收為C=N鍵所致，是受體1的特征峰，在1599.35cm-1，1452.91cm-1為苯環C=C的特征吸收峰，在816.58cm-1，763.31cm-1處的峰被指認為芳環=C-H彎曲振動吸收峰，在763.31cm-1的中強吸收為鄰位取代苯環的特征吸收峰，初步認定受體的合成.

3 結論

本文利用簡單的方法合成了一種新型氨基酸席夫堿受體1，并研究了受體1的DMSO溶液對陽離子的識別能力.發現只有Fe3+加入使受體1由淺黃色變成紅色，分別加入其他陽離子時，受體的顏色基本不發生變化或變化很少，從而能夠裸眼識別Fe3+.通過主體1與陽離子的紫外光譜、熒光發射光譜，可以看出主體1對不同陽離子的識別作用也不相同.通過受體1的紅外光譜表明，受體1的結構的初步確定.總之，受體1的DMSO溶液能有效的識別鐵離子，其對于Fe3+有很好的選擇性、獨特性和敏感性.這種探針對具有重要生物和環境保護意義的金屬離子有著良好的專一選擇性識別作用.

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