一種熒光增強型鋅離子探針的合成與性質研究

鄧 佳，周 燁，潘雪濤，吳 州，胡勝利

(湖北師范大學 化學化工學院，污染物分析與資源化技術湖北省重點實驗室，湖北 黃石 435002)

Zn2+具有良好的配位作用，是人體內第二豐富的過渡金屬離子，廣泛分布于人體細胞和體液中。Zn2+在神經生物學領域非常受關注，其在生物體系中的酶促反應、神經信號傳遞、DNA合成[1～3]等生命過程中起到了重要作用。不過，過量的Zn2+會引起癲癇、帕金森病、缺血性中風與嬰幼兒腹瀉[4～6]等神經系統疾病。因此，考慮到與Zn2+中毒有關的疾病的診斷和環境中Zn2+污染的監測，快速、高效地檢測各種樣品中的Zn2+具有重要意義。與大多數傳統分析方法相比較，熒光分析法具有光穩定性強，反饋速度快，可實時監測等優點，因此廣受關注。目前為止，已經報道各種Zn2+熒光探針[7～10]，但是，大多數Zn2+熒光探針的分子量一般較大，合成步驟多，結構復雜，有的水溶性差，影響實際應用價值。因此通過簡單的反應制備出水溶性好的小分子Zn2+熒光探針仍然具有重要意義。

本文通過水楊酸和水楊酰胺一步反應得到一個簡單的小分子熒光分子探針1(圖1)，探針1能夠在含水乙腈溶液中選擇性地與Zn2+作用并使體系溶液產生較強的綠色熒光，而其他金屬離子的加入并沒有使探針1溶液發生熒光改變，因此探針1是一種選擇性高的Zn2+熒光探針。

圖1 探針1的合成路線

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

Bruker Advance Ⅲ 300NMR核磁共振儀(CDCl3為溶劑，為內標)；Finnigan Trace MS質譜儀；X-4數字顯微熔點測定儀；F-4500熒光光譜儀(日本日立公司); 所用試劑均為國產市售分析純。

1.2 探針1的合成與表征

在100 mL圓底燒瓶中加入水楊酸(6.2g, 0.065 mol)，水楊酰胺(5.15g, 0.0375 mol)，0.35 g吡啶和20 mL二甲苯。攪拌下將6 mL二氯亞砜在4 h內緩慢滴加到上述混合溶液中，冷凝回流。滴加完畢后，有固體析出，繼續攪拌30 min，減壓蒸餾出二甲苯。將剩余固體倒入到15 mL乙醇和0.5 mL乙酸中加熱，然后冷卻到室溫。將粗產品過濾，在二甲氧基乙醇重結晶，過濾干燥得6.8g純化合物1，產率76%.M.p. ∶188-190°C.1H NMR(CDCl3, 300 MHz): δ 6.98-7.03 (t, 1H), 7.08-7.11 (d, 1H), 7.50-7.57 (m, 3H), 7.78-7.80 (t, 1H), 8.11-8.13 (d, 1H), 8.21-8.23 (d, 1H); 12.72 (s, 1H),13C NMR (CDCl3, 75MHz): 111.2, 116.9, 118.2, 118.8, 119.3, 127.1, 127.9, 128.6, 135.6, 136.7, 154.1, 163.1, 163.9, 165.1. ESI- MS∶m/z 240[M+H]+.

1.3 熒光光譜法測定方法

探針1在乙腈/ HEPES (95∶5，v/v，pH 7.0)溶液中配成10 μM，將所需的各種金屬離子分別使用乙腈溶液配成3.0×10-3M.通過微量進樣器向裝有3mL探針1溶液(10 μM)的比色皿中分別加入各種金屬離子(3×10-3M) 來研究各種金屬離子對探針1的影響，熒光檢測的激發波長為410nm.

2 結果與討論

2.1 探針1對Zn2+選擇性子識別

將各種常見的金屬離子(10 eqiv)加入到含有探針1(10 μM)的乙腈/ HEPES (95∶5，v/v，pH 7.0)溶液中，并測得其發射光譜(如圖2)。探針1溶液在505nm處無明顯熒光強度，但隨著Zn2+加入，探針1的熒光明顯增強；而其它金屬離子的加入并沒有使探針1的熒光增強，這些結果說明探針1對Zn2+具有專一選擇性。

圖2 化合物1(10 μM)中加入不同金屬離子(10 eqiv)時的熒光光譜

為了確定其他金屬離子會不會影響探針分子對Zn2+識別，向裝有探針分子1的溶液中首先依次加入10 倍的其他金屬離子，然后再加入10倍Zn2+，分別檢測熒光強度。如圖3所示，除了銅離子使熒光強度略微下降了一點，加入了其他金屬離子并沒有使探針1加入Zn2+后的熒光強度發生明顯改變，說明探針1對Zn2+的識別不受這些干擾物的影響。

圖3 不同金屬離子對探針1檢測Zn2+的干擾分析

2.2 探針1對 Zn2+的熒光響應能力

為了進一步評估探針1 對 Zn2+的熒光響應性能，室溫下，將探針1的濃度控制為10 μM，向其中逐漸加入不同濃度Zn2+離子，研究其熒光光譜變化。從圖 4(a)可以看出，隨著Zn2+濃度的不斷增加，在505 nm處的熒光發射強度逐漸增強直至熒光不變。而且如圖4(b)所示，在 Zn2+濃度從10 μM到60 μM 之間，熒光發射強度((F-F0)改變和鋅離子濃度[Zn2+]之間顯示出良好的線性關系(R= 0.99)。根據圖中所示由 Zn2+濃度引起的熒光強度變化關系計算出結合常數為1.43×105M-1.以10次空白樣品的發射熒光強度改變作為標準差，以3倍標準差計算[9]得到探針1 對Zn2+的檢測限為3.2 ×10-6M.上述結果表明，探針分子1對可以定量檢測Zn2+濃度。

圖4 a)水溶液中探針 1(10μM)在不同濃度的Zn2+加入后的熒光發射光譜

b) 探針分子1的熒光強度變化隨Zn2+濃度的變化線性關系圖

2.3 探針1與Zn2+的結合研究

依據Job’s Plot[11]方法，我們配制了探針1與Zn2+的總濃度為1×10-5mol/L(濃度比分別為1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、8∶2、9∶1)的一系列溶液，通過發射光譜在其最大發射波長處取值。如圖5所示，探針1的熒光強度改變值在Zn2+與探針1溶液濃度比為2∶1 的時候達到最大，說明Zn2+與探針1是以1∶2的比例相結合的。

圖5 探針1與的Zn2+作用的Job’s plot曲線圖

進一步地我們通過核磁滴定研究了探針分子1與Zn2+的作用，如圖6所示, 隨著Zn2+的逐漸增加，探針分子中在化學位移值為12.72ppm 的-OH氫峰值逐漸減弱并消失，表明探針分子中-OH參與配位作用。

圖6 探針1中加入Zn2+的核磁滴定圖

綜合上述結果，我們推測探針1與Zn2+作用可能的鍵合模式如圖7所示。化合物1中存在富電子的N和O原子，Zn2+離子與探針1發生鍵合導致光電子轉移引起熒光增強。

圖7 探針1與Zn2+可能的識別模式

3 結論

本文通過水楊酸和水楊酰胺為原料一步反應得到新的鋅離子熒光探針1, 探針1能夠在含水乙腈溶液中選擇性地與Zn2+作用，該探針與Zn2+之間的結合比為2∶1，Zn2+檢測限為3.2 ×10-6M，該探針是一種高選擇性的Zn2+熒光探針，具有潛在的分析應用價值。