基于熒光素的高選擇性Hg2+熒光探針的合成及其光譜性質(zhì)研究

＊楊文生 楊菀 馬亞軍 馬向榮

（榆林學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院 陜西 719000）

引言

汞離子（Hg2+）是環(huán)境中毒性最強(qiáng)的重金屬離子之一[1-3]，由于人類活動(dòng)離不開(kāi)汞的使用，導(dǎo)致在此過(guò)程中產(chǎn)生大量的含汞廢水，當(dāng)此類含汞廢水排放到環(huán)境中后，很容易被土壤及水體吸附，進(jìn)而通過(guò)根系吸收、灌溉等方式富集在作物體內(nèi)，對(duì)作物的生長(zhǎng)產(chǎn)生直接影響，作物進(jìn)入食物鏈中，最終對(duì)人、畜、魚(yú)等健康和生長(zhǎng)造成危害。當(dāng)人體攝入過(guò)量的汞時(shí)，會(huì)引起汞中毒現(xiàn)象，如機(jī)體功能失調(diào)、記憶力衰退、消化功能紊亂、癡呆等[4-5]。為了減少汞污染所造成的嚴(yán)重后果，需要嚴(yán)格控制水體中汞的含量，因此如何對(duì)水體中汞離子含量的定性、定量監(jiān)測(cè)以及如何有效去除工業(yè)含汞廢水中的汞離子均受到很多關(guān)注。

目前用于水體中汞離子的檢測(cè)方法眾多，諸如電感耦合等離子體質(zhì)譜法[6]、原子吸收光譜法[7-8]、分光光度法[9]、電化學(xué)法[10]等，但上述方法的缺點(diǎn)有很多，比如測(cè)試儀器的成本高、價(jià)格貴，檢測(cè)過(guò)程較為復(fù)雜，測(cè)樣之前樣品的預(yù)處理繁瑣等。相比之下，熒光光譜法具有響應(yīng)時(shí)間短、成本低等優(yōu)點(diǎn)[11-13]。目前用于識(shí)別汞離子的探針合成較復(fù)雜[14-16], 本研究旨在制備方法簡(jiǎn)單的汞離子熒光探針，用于水體中汞離子檢測(cè)的需要。

熒光探針的設(shè)計(jì)離不開(kāi)性能優(yōu)異的熒光團(tuán)，在用作熒光團(tuán)的常見(jiàn)熒光染料中，熒光素、BODIPY、香豆素、羅丹明等都具有很好的熒光性能，目前以此為基礎(chǔ)合成的金屬離子熒光探針已出現(xiàn)在大量文獻(xiàn)中。其中熒光素染料近年來(lái)備受關(guān)注，重要因素之一是其分子結(jié)構(gòu)為螺內(nèi)酰胺結(jié)構(gòu)，這種特殊的結(jié)構(gòu)使得熒光素能夠在特定的環(huán)境中發(fā)生“閉環(huán)-開(kāi)環(huán)”的轉(zhuǎn)化，致使釋放熒光，這為探針設(shè)計(jì)提供了較好的基礎(chǔ)。此外，熒光素還具有高熒光量子產(chǎn)率和消光系數(shù)，良好的生物相容性及可操作性，在紫外-可見(jiàn)光區(qū)的吸收范圍比較寬等優(yōu)點(diǎn)，使得熒光素成為生物分析中熒光探針設(shè)計(jì)經(jīng)常用到的有機(jī)化合物。本研究以熒光素和費(fèi)舍爾氏醛為基本原料制備的汞離子熒光探針，對(duì)汞離子有著很好的識(shí)別性能，并不受其他共存金屬離子的影響，在生物和環(huán)境中汞離子的監(jiān)測(cè)中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

1.實(shí)驗(yàn)部分

(1)熒光素水合肼的合成

首先準(zhǔn)確稱取1.50 g（4.5 mmol）熒光素，然后將其置入圓底燒瓶中，在此基礎(chǔ)上加入50 mL 無(wú)水乙醇，攪拌均勻后，加入過(guò)量水合肼（80%）12 mL。對(duì)上述混合物加熱回流10 h, 這時(shí)反應(yīng)液將變?yōu)槌吻?，?duì)其進(jìn)一步冷卻直至室溫，并轉(zhuǎn)移至200 mL 水中，這時(shí)反應(yīng)產(chǎn)生大量沉淀，將其靜置約3 h 后減壓抽濾，所得沉淀用純凈水與無(wú)水乙醇進(jìn)行洗滌。最后的粗產(chǎn)物使用無(wú)水乙醇進(jìn)行重結(jié)晶，得到白色固體。

(2)探針L的合成

在圓底燒瓶中，依次加入費(fèi)舍爾氏醛（1.0 mmol，0.20 g）和熒光素水合肼（1.0 mmol，0.35 g）,再加入50 mL 無(wú)水乙醇，加熱攪拌回流2 h，有沉淀析出，繼續(xù)回流5 h，所得沉淀進(jìn)行減壓抽濾，并用甲醇重結(jié)晶，得到最終固體產(chǎn)物。產(chǎn)率65%，熔點(diǎn)192.2～193.4 ℃。如圖1 所示。

圖1 探針L 的合成路線

1H NMR(600MHz,DMSO-d6)δ9.89(d,J=8.8Hz,1H),9.80(s,2H),7.81～7.75(m,1H),7.53～7.46(m,2H),7.40(dd,J=7.4,1.2Hz,1H),7.27(td,J=7.7,1.3Hz,1H),7.08(d,J=7.9Hz,1H),7.06～6.97(m,2H),6.60(d,J=2.4Hz,2H),6.48～6.38(m,4H),5.29(d,J=8.8Hz,1H),4.38(s,2H),3.49～3.41(m,1H),3.24(s,3H),1.59(s,6H),1.06(t,J=7.0Hz,2H).13C NMR(151MHz,DMSO-d6)δ185.82,173.39,165.91,158.66,152.89,143.84,139.64,133.04,129.82,128.39,123.87,121.19,112.46,110.44,108.98,102.84,98.83,65.10,56.51,47.37,40.02,29.65,19.03.ESI-MS:m/z530.8[M+H]+。

2.結(jié)果與討論

(1)探針L對(duì)金屬離子的選擇性

向探針溶液中依次加入過(guò)量金屬離子，結(jié)果如圖2 所示。發(fā)現(xiàn)Hg2+在515 nm 處出現(xiàn)很強(qiáng)的熒光發(fā)射峰，表明Hg2+對(duì)探針有很好的響應(yīng)。同時(shí)，其他所有金屬離子對(duì)探針均沒(méi)有響應(yīng)。由此可見(jiàn)，在所有測(cè)試的金屬離子中，只有Hg2+對(duì)探針有積極的響應(yīng)，說(shuō)明探針對(duì)Hg2+有著很好的選擇性。

圖2 探針（10μmol/L）在不同金屬離子存在下的熒光發(fā)射光譜

(2)Hg2+濃度對(duì)探針熒光光譜的影響

向探針溶液中逐漸增加Hg2+，結(jié)果發(fā)現(xiàn)探針的熒光發(fā)射光譜強(qiáng)度逐漸增大，并最終達(dá)到飽和，如圖3所示。其原因歸屬于Hg2+與探針識(shí)別基團(tuán)中O、N 等雜原子配位后，造成熒光素分子螺內(nèi)酰胺環(huán)產(chǎn)生了閉環(huán)到開(kāi)環(huán)的過(guò)程轉(zhuǎn)變，使得熒光出現(xiàn)了由弱到強(qiáng)的顯著變化。

圖3 隨Hg2+濃度增加探針(10μmol/L)的熒光發(fā)射光譜

(3)不同金屬離子的競(jìng)爭(zhēng)性實(shí)驗(yàn)

為了分析在探針溶液中加入不同金屬離子后的熒光強(qiáng)度的響應(yīng)情況，進(jìn)行了針對(duì)性實(shí)驗(yàn)。縱坐標(biāo)表示所測(cè)熒光強(qiáng)度與探針自身熒光強(qiáng)度的比值，探針與金屬離子的熒光強(qiáng)度和探針自身熒光強(qiáng)度的比值用紅色條形圖表示，綠色條形圖表示探針、金屬離子與汞離子的熒光強(qiáng)度和探針自身熒光強(qiáng)度的比值，得到所測(cè)不同金屬離子的競(jìng)爭(zhēng)結(jié)果，如圖4 所示。由圖可知，Hg2+在與其他共存金屬離子所進(jìn)行的競(jìng)爭(zhēng)中，明顯具有優(yōu)勢(shì)。因而探針識(shí)別Hg2+不會(huì)受到共存金屬離子的干擾。

圖4 測(cè)試中共存金屬離子的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)驗(yàn)

(4)探針與Hg2+的反應(yīng)機(jī)理

Hg2+未加入探針溶液中前，探針?lè)肿觾?nèi)熒光素分子螺內(nèi)酰胺環(huán)為閉環(huán)狀態(tài)，在紫外光下探針幾乎沒(méi)有釋放熒光，如圖5 左側(cè)插圖所示。當(dāng)加入Hg2+后，由于分子內(nèi)O、N 等與Hg2+的配位作用使得熒光素分子螺內(nèi)酰胺環(huán)開(kāi)環(huán)，從而致使探針?lè)肿俞尫艔?qiáng)烈的黃色熒光，如圖5 右側(cè)插圖所示。

圖5 探針識(shí)別Hg2+的機(jī)理圖

3.結(jié)論

文中制備了一種新型的熒光素衍生物，對(duì)重金屬離子Hg2+有著很好的選擇性，在特異性識(shí)別Hg2+的同時(shí)，其他金屬離子不構(gòu)成干擾，可作為檢測(cè)Hg2+的熒光探針。該探針對(duì)Hg2+的識(shí)別機(jī)理歸因于分子內(nèi)雜原子與Hg2+的結(jié)合致使熒光素分子螺內(nèi)酰胺環(huán)開(kāi)環(huán)，熒光得以釋放。目前基于此機(jī)理的Hg2+探針在文獻(xiàn)中并不多見(jiàn)，本研究所做工作對(duì)于此類研究能夠提供有益的思路和借鑒，在生命科學(xué)及環(huán)境科學(xué)相關(guān)領(lǐng)域中關(guān)于金屬離子Hg2+的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有著潛在的應(yīng)用價(jià)值。