基于噻吩和8-羥基喹啉功能團(tuán)設(shè)計(jì)用于pH檢測(cè)的熒光探針

辛先榮,王慧芳,楊紅,陳志敏,劉斌

(1.太原工業(yè)學(xué)院 化學(xué)與化工系,山西 太原 030008;2.山西大學(xué) 分子科學(xué)研究所化學(xué)生物學(xué)與分子工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 030006)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,pH已成為許多領(lǐng)域的一個(gè)重要參數(shù)。對(duì)廢水pH值[1-3]、土壤pH值[4-6]、醫(yī)藥藥品pH值[7]、食品pH值[8]的測(cè)定在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、食品安全檢驗(yàn)等領(lǐng)域都具有重要意義。因此,發(fā)展快速檢測(cè)和準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)pH值的化學(xué)傳感器是很有必要的。由于熒光分析技術(shù)具有靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間快、信噪比高、可連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)[9-11],基于此技術(shù)的pH檢測(cè)熒光探針近年來(lái)得到了迅速發(fā)展。然而,目前許多pH熒光探針能夠檢測(cè)的pH值范圍集中在2～7之間[12-16],能夠用于堿性環(huán)境中引起熒光變化的探針較少[7,17]。需要關(guān)注的是,實(shí)際檢測(cè)中部分樣品的pH值變化范圍較大,這導(dǎo)致目前大部分用于酸性環(huán)境響應(yīng)的熒光探針無(wú)法使用,需要多種檢測(cè)方法協(xié)同使用,才能達(dá)到對(duì)目標(biāo)樣品pH值的有效檢測(cè)。因此,有必要開(kāi)發(fā)能夠全范圍pH值檢測(cè)的熒光探針。

在熒光探針中,熒光團(tuán)通常是具有芳香結(jié)構(gòu)的化合物[18-19],在芳香結(jié)構(gòu)中引入氮、硫等雜原子,對(duì)熒光團(tuán)性質(zhì)的改善和熒光探針的合成具有重大作用。在含氮分子中,喹啉及其衍生物作為一類具有剛性結(jié)構(gòu)和高量子產(chǎn)率的熒光團(tuán)已經(jīng)廣泛被應(yīng)用于熒光探針的設(shè)計(jì)中[20-26]。此外,硫原子具有豐富的電子,在芳環(huán)上引入硫原子后,硫上的孤對(duì)電子可與雙鍵共軛,形成離域π鍵,一些含硫的化合物如噻吩[27]、苯并噻唑[28-30]、苯并噻二唑[31]等已經(jīng)廣泛應(yīng)用于熒光探針中,并且表現(xiàn)出良好的性質(zhì)。其中,噻吩基團(tuán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于修飾,可與多種有機(jī)物進(jìn)行反應(yīng),衍生出具有豐富結(jié)構(gòu)的化合物。

在本研究中,噻吩和8-羥基喹啉都具有良好的光學(xué)性質(zhì)。雙酰肼鍵能夠靈活調(diào)控單雙鍵互變和交替。設(shè)計(jì)并制備的熒光探針N-[2-(喹啉-8-乙氧基)乙酰]噻吩-2-酰肼 (QATC)具有明顯電子推拉結(jié)構(gòu),其中噻吩為電子給體,羥基喹啉為電子受體。在不同的pH環(huán)境下,探針?lè)肿咏Y(jié)構(gòu)中電子發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)移,導(dǎo)致電荷分布改變,從而引起熒光光譜的變化,進(jìn)而達(dá)到從酸性(pH=2)到堿性(pH=11)的檢測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

溴乙酸乙酯、水合肼、8-羥基喹啉、2-噻吩甲酰氯和色譜級(jí)乙腈購(gòu)自上海安耐吉化學(xué)有限公司。金屬離子都是硝酸鹽,購(gòu)自天津Alfa Aesar。其余有機(jī)溶劑購(gòu)自北京化學(xué)試劑公司。實(shí)驗(yàn)所使用的水為超純水。

核磁共振氫譜(1H NMR)和核磁共振碳譜(13C NMR)在Bruker ARX400超導(dǎo)核磁共振儀(Bruker biospin 公司,瑞士)上測(cè)定。高分辨率液相色譜質(zhì)譜(HPLC-MS)在Thermo Scientific Q Exactive儀器(Thermo Fisher Scientific,美國(guó))上測(cè)得。紫外吸收光譜在Hitachi 5300紫外分光光度計(jì)上測(cè)得。熒光發(fā)射光譜在Hitachi F-4600熒光分光光度計(jì)上測(cè)的激發(fā)波長(zhǎng)為310 nm,激發(fā)縫寬度為5 nm,發(fā)射縫寬度為10 nm。使用上海雷磁PHS-3C pH計(jì)測(cè)量和調(diào)節(jié)溶液的pH值。采用密度泛函理論(DFT)(B3LYP/6-31G(d))對(duì)相關(guān)分子的幾何結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)進(jìn)行模擬計(jì)算。

1.2 探針的制備及其表征

化合物1和化合物2按照?qǐng)?bào)道的文獻(xiàn)[32]合成。在此基礎(chǔ)上,目標(biāo)化合物N-[2-(喹啉-8-乙氧基)乙酰]噻吩-2-酰肼 (QATC)合成如圖1所示。氮?dú)獗Ｗo(hù)下,在50 mL三口瓶中加入0.26 g化合物2 (1.20 mmol),10 mL CH3CN以及0.15 g 2-噻吩甲酰氯 (1.00 mmol),在80℃下攪拌反應(yīng)24 h。然后,將混合物倒入去離子水中,用二氯甲烷萃取3次。收集有機(jī)相,用飽和氯化鈉溶液洗滌,然后用無(wú)水硫酸鈉干燥。用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀旋除溶劑,得到粗產(chǎn)物。粗產(chǎn)物通過(guò)柱層析分離,洗脫劑為甲醇/二氯甲烷(1/30,V/V),得到目標(biāo)產(chǎn)物QATC 0.17 g,產(chǎn)率:52%。1H NMR (600 MHz,DMSO-d6) δ (ppm):10.49(br, 2H),8.90 (d,J=1.6 Hz,1H),8.36 (d,J=4.8 Hz,1H),7.85 (d,J=2.8 Hz,2H),7.53-7.62 (m,3H),7.30 (d,J=4.8 Hz,1H),7.19 (d,J=2.8 Hz,1H),4.93 (s,2H);13C NMR (150 MHz,DMSO-d6) δ (ppm):167.89,160.89,154.39,149.90,140.37,137.62,136.49,132.17,129.62,129.56,128.62,127.19,122.47,121.61,112.48,68.53. HR-LC-MS for C16H13N3O3S (m/z) [M+H]+:Calcd

圖1 探針QATC的合成路線Fig.1 Synthesis route of QATC

328.075 0,Found 328.074 9.

1.3 pH溶液和離子溶液的配制

在配制pH溶液之前,使用鄰苯二甲酸氫鉀(pH=4.00)和混合磷酸鹽(pH=6.86)的標(biāo)準(zhǔn)溶液對(duì)pH計(jì)進(jìn)行標(biāo)定。不同pH的溶液通過(guò)HCl(0.1 mol/L)和NaOH(0.1 mol/L)進(jìn)行調(diào)節(jié)。金屬離子溶液由超純水配制,在容量瓶中定容得到1.0×10-2mol/L的儲(chǔ)備溶液。

1.4 紫外吸收光譜和熒光發(fā)射光譜的測(cè)量

紫外吸收光譜在Hitachi 5300紫外分光光度計(jì)上測(cè)量。熒光光譜在Hitachi F-4600熒光分光光度計(jì)上測(cè)量,激發(fā)和發(fā)射狹縫寬度分別為5 nm和10 nm。將QATC用乙腈溶解,配制1.0×10-3mol/L的儲(chǔ)備溶液。測(cè)量時(shí),取20 μL QATC的儲(chǔ)備溶液加入裝有2 mL溶劑的石英比色皿中,混合均勻后進(jìn)行測(cè)定。在干擾性實(shí)驗(yàn)中,取20 μL金屬離子的儲(chǔ)備溶液加入裝有2 mL PBS(1.0×10-2mol/L,pH=7.4)比色皿中,搖勻后,再加入20 μL QATC的儲(chǔ)備溶液進(jìn)行測(cè)量。所有實(shí)驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 探針QATC的光物理性質(zhì)

首先,通過(guò)紫外吸收和熒光發(fā)射技術(shù)觀察了QATC(1.0×10-5mol/L)在CH3CN中的光物理性質(zhì)。如圖2所示,化合物QATC的最大吸收峰在275 nm處,這是由分子中的π-π*躍遷和n-π*躍遷引起的。相對(duì)應(yīng)的QATC的最大熒光發(fā)射峰處于386 nm,主要來(lái)自于喹啉結(jié)構(gòu)單元的熒光,表明該化合物是能夠發(fā)射藍(lán)光的光學(xué)材料。進(jìn)一步,通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式[Eg=1 240/λabs]計(jì)算得出該化合物的能隙為4.51 eV。

圖2 探針QATC在乙腈中的紫外吸收和熒光發(fā)射光譜圖Fig.2 UV-Vis absorption and fluorescence emission spectra of QATC in CH3CN

2.2 探針QATC對(duì)pH的光學(xué)響應(yīng)

按照設(shè)計(jì)思想,在CH3CN/H2O=1/100(V/V)的混合溶劑中,研究了探針QATC(1.0×10-5mol/L)在不同pH下的紫外吸收光譜和熒光發(fā)射光譜(圖3)。如圖3(a) 所示,在酸性條件下,隨著溶液的pH由7～2向酸性變化,探針QATC在355 nm處的吸收峰逐漸增強(qiáng),相應(yīng)探針的熒光發(fā)射光譜在475 nm處的強(qiáng)度也增強(qiáng),如圖3(b)所示。在365 nm紫外燈的照射下,可以觀察到溶液的顏色由藍(lán)色變?yōu)檩^為明亮的藍(lán)綠色,且裸眼可見(jiàn)。然而,在堿性條件下,隨著pH從7～11變化,探針QATC在300 nm處的吸收增強(qiáng)(圖3(c)),對(duì)應(yīng)地,探針在475 nm處的熒光發(fā)射峰發(fā)生藍(lán)移且強(qiáng)度降低(圖3(d))。在紫外燈照射下,溶液的顏色由藍(lán)色變?yōu)榘邓{(lán)色。在pH值2～11的整個(gè)寬范圍內(nèi),探針QATC的紫外吸收和熒光發(fā)射光譜以及溶液顏色都發(fā)生了明顯的改變,展示了對(duì)不同pH的響應(yīng),由此可見(jiàn),該探針是一個(gè)簡(jiǎn)便的廣譜pH探針,可用于快速區(qū)分酸堿體系。

圖3 在CH3CN/H2O=1/100(V/V)的混合溶劑中,隨著pH由2～7變化,探針QATC(1.0×10-5mol/L)的紫外吸收光譜圖(a); 熒光發(fā)射光譜圖(b);隨著pH由7～11變化,探針QATC(1.0×10-5 mol/L)的紫外吸收光譜圖(c); 熒光發(fā)射光譜圖(d)Fig.3 In the mixed solvent with CH3CN/H2O=1/100 (V/V),the UV-Vis absorption spectra of probe QATC (1.0×10-5 mol/L)with the pH range from 2 to 7 (a); fluorescence emission spectra (b);the UV-Vis absorption spectra of probe QATC (1.0×10-5 mol/L)with the pH range from 7 to 11 (c); fluorescence emission spectra (d)

2.3 金屬離子對(duì)探針QATC檢測(cè)pH的干擾性

金屬離子在自然界中廣泛存在,在許多pH檢測(cè)領(lǐng)域中,金屬離子的干擾性是非常嚴(yán)重和明顯的。因此,本研究工作中研究了各種常見(jiàn)的金屬離子對(duì)探針QATC檢測(cè)pH的干擾性情況,結(jié)果如圖4所示。研究工作選取pH在中性條件下,各種金屬離子K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Al3+、Zn2+、Fe3+、Fe2+、Hg2+、Ag+、Pb2+、Cr3+、Co2+、Ni2+、Mn2+對(duì)QATC檢測(cè)pH的干擾性。結(jié)果表明,與未加入金屬離子相比,大多數(shù)金屬離子(1.0×10-4mol/L)的存在,對(duì)化合物QATC的熒光強(qiáng)度沒(méi)有顯著影響,僅Fe3+和Fe2+導(dǎo)致QATC的熒光發(fā)射強(qiáng)度降低了約20%。總之,探針QATC對(duì)pH的檢測(cè)受金屬離子的影響較小,表明其具有良好的抗干擾能力。

2.4 探針QATC對(duì)pH響應(yīng)機(jī)理探索

依據(jù)不同pH下探針QATC的紫外吸收和熒光發(fā)射光譜變化情況,結(jié)合其結(jié)構(gòu)特點(diǎn),推測(cè)可能的作用機(jī)理如下。在酸性條件下,探針QATC會(huì)發(fā)生烯醇式結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變,導(dǎo)致整個(gè)分子的共軛程度增大。故pH從2到7的變化,QATC在355 nm處的吸收波長(zhǎng)藍(lán)移,同時(shí),在475 nm處的熒光強(qiáng)度減弱。在堿性條件下,探針QATC分子中的聯(lián)氨單元會(huì)脫質(zhì)子,從而使電荷轉(zhuǎn)移到O原子,分子的共軛程度也增大。因此,pH由7變?yōu)?1時(shí),QATC 在300 nm處的吸收增加,同時(shí)由于正負(fù)電荷的分離,QATC在水中的溶解度增加,分子的剛性減弱,熒光發(fā)生藍(lán)移并減弱(圖5a)。

圖4 探針QATC(1.0×10-5 mol/L)在CH3CN/H2O(1/100,V/V,pH=7.4)中分別加入各種金屬離子(1.0×10-4 mol/L)的相對(duì)熒光強(qiáng)度變化圖。Fig.4 Relative intensity of probe QATC(1.0×10-5 mol/L) with different metal ions (1.0×10-4mol/L) inCH3CN/H2O (1/100,V/V,pH=7.4)

為了進(jìn)一步探索在不同pH介質(zhì)下,探針QATC的結(jié)構(gòu)變化,選擇B3LYP/6-31G(d)作為基組,采用密度泛函理論(DFT)來(lái)模擬不同條件下探針QATC的結(jié)構(gòu)。如圖5b所示,在乙腈中QATC的LUMO電子云主要集中在喹啉單元,而HOMO電子云幾乎分布在整個(gè)分子,LUMO和HOMO的能級(jí)分別為-1.40和-5.94 eV,Eg為4.54 eV。在酸性或堿性介質(zhì)中,HOMO能級(jí)電子云均在喹啉上,能級(jí)分別為-2.83和2.43 eV。不同的是,酸性介質(zhì)中LUMO電子云主要位于噻吩單元上,而堿性介質(zhì)中LUMO電子云主要在酰肼部分,能級(jí)分別為-5.68和-6.25 eV,計(jì)算得到Eg分別為2.85和3.82 eV。依據(jù)QATC在乙腈、酸和堿中的紫外吸收和公式Eg=1240/λ計(jì)算得到QATC的實(shí)驗(yàn)Eg分別為4.51,3.49和4.13 eV。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本吻合,表明所推測(cè)可能作用機(jī)理與實(shí)際的分子結(jié)構(gòu)變化相一致。

3 結(jié)論

總之,我們?cè)O(shè)計(jì)并合成了一種能用于寬pH范圍響應(yīng)的熒光探針。該探針通過(guò)雙酰肼鍵將噻吩給電子體和喹啉吸電子體連接起來(lái)。通過(guò)在不同酸堿介質(zhì)中,探針?lè)肿由想娮雍凸曹棾潭鹊淖兓瘜?dǎo)致光譜改變來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)酸堿的檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在pH 2～11范圍內(nèi),紫外吸收光譜和熒光發(fā)射光譜在波長(zhǎng)和強(qiáng)度上都發(fā)生不同的變化,溶液的顏色也由藍(lán)綠色變?yōu)樗{(lán)色,再變?yōu)榘邓{(lán)色。因此,該探針的開(kāi)發(fā)對(duì)設(shè)計(jì)寬范圍、高性能的pH熒光探針具有理論指導(dǎo)意義和實(shí)際開(kāi)發(fā)應(yīng)用參考價(jià)值。