宋 濤,楊成玉,蔣菊華,周寶成,韓益豐,b

(浙江理工大學 a.理學院,b.先進紡織材料與制備技術教育部重點實驗室,杭州 310018)

新型基于1,8-萘酰亞胺的汞離子熒光探針的合成與性質研究

宋 濤a,楊成玉a,蔣菊華a,周寶成a,韓益豐a,b

(浙江理工大學 a.理學院,b.先進紡織材料與制備技術教育部重點實驗室,杭州 310018)

設計合成了一種用于檢測Hg2+的1,8-萘酰亞胺類熒光探針(NM1),采用現(xiàn)代波譜技術對探針的結構進行了表征,并考察了其光譜性能。研究結果表明,NM1對Hg2+有優(yōu)秀的選擇性和靈敏度,它們之間的結合比為1∶1,常見共存金屬離子對其測定無干擾。此外,NM1還能夠可視化檢測Hg2+,這對檢測水質和生物體內的Hg2+具有潛在的應用價值。

熒光探針; Hg2+離子; 1,8-萘酰亞胺; 可視化檢測

0 引 言

Hg2+離子,廣泛存在于自然界,是目前最引人關注的重金屬污染物之一。Hg2+離子易與生物體內巰基化合物緊密結合,改變相關蛋白質的表達性質,使其在生物體內的正常代謝紊亂,從而嚴重影響有機體的功能[1]。Hg2+離子尤其是甲基汞等易被生物體吸收,可通過食物鏈傳遞,難以通過代謝排出體外,最終在生物體內高度地富集,嚴重危害人類的安全。因此,研制成本低、響應快、易實現(xiàn)、能應用于自然環(huán)境和生物體系的新型Hg2+檢測手段成為人們日益關注的研究課題[2-4]。傳統(tǒng)的用于檢測Hg2+離子的方法主要有分光光度法、原子吸收和發(fā)射光譜法、質譜法和伏安法等,它們均需復雜的操作或是昂貴的儀器,不適用于實時、原位的分析檢測。與之相比,近年來發(fā)展的熒光分析法因其高效靈敏、快速便捷而且能實時、定位檢測等優(yōu)點而受到生物化學和化學生物學研究者的廣泛關注[5-7]。1,8-萘酰亞胺類化合物是一類重要的熒光染料,由于具有良好的光化學和熱穩(wěn)定性及結構易修飾等突出的光物理和化學性能,而被研究用作熒光標記物和特定金屬離子的光化學傳感器[8-10]。本論文利用1,8-萘酰亞胺為熒光母團,取代的8-羥基喹啉為識別基團而設計合成了可用于水相中Hg2+離子檢測的熒光小分子探針。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

試劑:4-溴-1,8-萘二甲酸酐(瑪雅化學試劑有限公司)、正丁胺、哌嗪、氯乙酰氯、8-羥基喹啉、4-二甲氨基吡啶(DMAP)、乙二醇單甲醚、碘化鈉等均為市售化學純(國藥集團化學試劑有限公司),甲醇、石油醚、乙酸乙酯、二氯甲烷等溶劑均為工業(yè)溶劑重蒸后使用。儀器:AVANCE-AV 400型核磁共振波譜儀(德國Bruker公司),LS45型熒光分光光度計(美國Perkin Elmer公司),DF-101D集熱式磁力加熱攪拌器(河南省予華儀器有限公司)。

1.2 探針分子NM1的合成

相應關鍵中間體和目標分子的合成路線見圖1。

1.2.1 化合物3的合成

在500 mL的三口燒瓶中加入5.0 g 4-溴-1,8-萘二甲酸酐和200 mL乙醇,在氮氣保護的條件下加熱回流溶解,待原料溶解后,向反應液中注入2.5 mL正丁胺,升溫至80℃,攪拌回流反應8 h,TLC檢測反應完畢,冷卻析晶,抽濾,冷乙醇洗滌3次,得到黃色針狀固體5.1 g,產率85%,產物無需純化可直接用于下一步反應。

1.2.2 化合物2的合成

在25 mL的兩口燒瓶中依次加入1.1 g化合物3和1.4 g哌嗪,氮氣保護,注入10 mL乙二醇單甲醚回流溶解,升溫至120℃,攪拌回流反應8 h,TLC監(jiān)測反應完畢。將反應液倒入100 mL水中,冷卻析晶,抽濾后用乙醇重結晶得到黃色固體產物0.9 g,產率86%。1H NMR(400 MHz,CDCl3)δ8.51(d,J=7.2 Hz,1H),8.45 (d,J=8.1 Hz,1H),8.35(d,J=8.4 Hz,1H),7.62(t,J=7.8 Hz,1H),7.14(d,J=8.0 Hz,1H),4.17～4.01(m,2H),3.26～2.99(m,8H),1.64(t,J=7.5 Hz,2H),1.37(m,2H),0.90(t,J=7.3 Hz,3H).

1.2.3 化合物1的合成

在50 mL的兩口燒瓶中加入0.9 g化合物2,0.7 g 4-二甲氨基吡啶(DMAP),20 mL無水CH2Cl2,氮氣保護,冰水浴下滴加0.7 mL氯乙酰氯,攪拌1 min,加熱回流反應6 h。TLC檢測反應完畢,加入20 mL水淬滅反應,然后用10 mL CH2Cl2萃取3次,用無水硫酸鈉干燥,旋干二氯甲烷,得到粗產物。再經快速硅膠柱分離得到0.6 g化合物1,產率56%。M.p.=159～161℃;1H NMR (400 MHz,CDCl3) δ8.52(d,J=7.1 Hz,1H),8.45 (d,J=7.9 Hz,1H),8.34(d,J=8.4 Hz,1H),7.66(t,J=7.8 Hz,1H),7.15(d,J=8.0 Hz,1H),4.09(t,J=7.3 Hz,2H),3.87(s,2H),3.73(s,2H),3.17(d,J=17.5 Hz,4H),2.13(s,2H),1.71～1.56(m,2H),1.37(dd,J=14.7,7.4 Hz,2H),0.90(t,J=7.2 Hz,3H).13C NMR(100 MHz,CDCl3)δ164.35,163.24,162.79,153.74,131.24,130.19,128.62,125.19,122.43,116.86,114.50,51.79,45.50,41.27,39.81,39.11,29.2,19.36,12.84.

1.2.4 探針分子NM1的合成

在25 mL的三口燒瓶中加入176 mg 8-羥基喹啉,用5 mL乙腈溶解,得到無色澄清溶液,再加入1 mL(5 M)氫氧化鈉溶液,攪拌后得到黃色渾濁溶液,再加入0.5 g化合物1以及0.2 g碘化鈉,80℃回流反應5 h,TLC檢測,反應完畢,冷卻有固體析出,減壓過濾,用乙腈洗滌2次,得到粗產物。再經快速硅膠柱分離得到260 mg探針NM1,產率41%。M.p.=156-157℃;1H NMR (400 MHz,CDCl3)δ8.46 (dd,J=21.6,7.6 Hz,3H),8.31(d,J=8.3 Hz,1H),8.13(s,1H),7.60(dd,J=13.5,6.8 Hz,2H),7.24～7.05(m,3H),4.55(d,J=4.9 Hz,2H),4.08(t,J=7.3 Hz,2H),3.26(s,4H),2.83(s,4H),1.68～1.53(m,2H),1.36(dd,J=14.6,7.3 Hz,2H),0.89(t,J=7.2 Hz,3H).13C NMR (100 MHz,CDCl3)δ169.94,164.33,163.90,156.58,155.52,149.12,136.73,132.32,131.01,129.99,129.73,126.07,125.70,123.23,122.35,122.01,116.96,114.92,61.51,53.50,53.00,43.96,40.00,30.16,20.31,13.78.

圖1 目標探針分子NM1的合成路線

2 結果與討論

2.1 探針分子NM1對Hg2+響應的紫外光譜測定

由圖2可以看出,逐漸向10 μM的探針溶液(0.01 M HEPES buffer,pH=7.17)中加入Hg2+離子,探針在405 nm處的吸收峰逐漸下降,并在470、340、285 nm處呈現(xiàn)三個等吸點,表明NM1與Hg2+之間形成了新的絡合物。

圖2 NM1與Hg2+作用前后的紫外光譜變化

2.2 探針分子NM1對Hg2+的識別

2.2.1 探針分子NM1對Hg2+的選擇性與競爭性測試

在10 μM的探針溶液(0.01 M HEPES buffer,pH=7.17)中,分別加入相同濃度(5 μM)的各種常見的金屬離子溶液(Ag+,Al3+,Ca2+,Cd2+,Co2+,Cr3+,Cs+,Fe2+,Fe3+,K+,Li+,Mg2+,Mn2+,Na+,Ni2+,Pb2+,Sn2+,Zn2+,Hg2+)。選擇性實驗結果顯示,除Hg2+離子以外,其余各種常見金屬離子對探針分子NM1的熒光幾乎無影響,表明探針分子NM1對Hg2+離子的優(yōu)秀選擇性(圖3)。而進一步的競爭性實驗顯示,上述常見共存金屬離子對Hg2+離子的測定無干擾。在10 μM的探針溶液(0.01 M HEPES buffer,pH=7.17)中,加入5 μM的Hg2+離子,再加入等當量的常見共存金屬離子后,探針分子NM1的熒光并沒有發(fā)生明顯的改變(圖4),表明探針分子NM1與Hg2+離子之間是特異性結合的。而當觀察探針分子NM1在加入Hg2+離子前后的熒光變化時可以發(fā)現(xiàn),加入Hg2+離子后溶液的熒光由極其微弱的黃綠色變成亮綠色,表明探針分子NM1可用于對Hg2+的可視化檢測(圖3)。

圖3 NM1 (10 μM)對不同的金屬離子(5 μM)的熒光響應

圖4 在各種金屬離子(5 μM)的存在下Hg2+對NM1 (10 μM)熒光的影響注:I0為空白探針的熒光強度,I為加入相應離子時探針的熒光強度。

2.2.2 探針分子NM1對Hg2+離子的熒光濃度滴定實驗

在10 μM的探針溶液(0.01 M HEPES buffer,pH=7.17)中,逐漸加入Hg2+離子,隨著Hg2+離子濃度逐漸的增加,探針分子NM1的熒光強度也逐漸增強,當Hg2+離子濃度為10 μM時(1eq)趨于一個固定值(圖5)。熒光滴定實驗結果顯示,在低濃度下(0～10 μM)探針分子NM1的熒光強度與Hg2+的濃度呈良好的線性關系(Y=19.07+796.52X,R=0.987)(圖6)。由此,根據檢測線的計算方法可測得探針分子NM1對Hg2+離子的檢測限為9.04 nM[10],該檢測限遠低于美國FDA規(guī)定的飲用水中Hg2+離子含量的標準值。因此,探針分子NM1可用于飲用水中痕量Hg2+的含量檢測。

圖5 NM1 (10 μM)隨著Hg2+濃度增加(0～10 μM)熒光強度的變化

圖6 Hg2+離子濃度(0～10 μM)與NM1熒光強度之間的關系

2.2.3 探針分子NM1對Hg2+離子的結合模式

為了進一步研究探針分子NM1與Hg2+離子之間的識別機理和結合模式,本文利用Job’s Plot法進行測定。從圖7可以清楚地看出,Hg2+離子濃度為總濃度的0.5時熒光值的改變最為明顯,這表明探針分子NM1與Hg2+離子之間以1∶1的方式進行結合。

圖7 在10 mM HEPES緩沖溶液中(pH=7.17)NM1與Hg2+的Job’s plot圖注:NM1與Hg2+的濃度和為10 μM,x為汞離子的摩爾分數,I0為空白探針的熒光強度,I為不同汞離子摩爾分數下探針的熒光強度。

3 結 論

a) 本論文設計合成了一種基于1,8-萘酰亞胺的OFF-ON型熒光小分子探針NM1,并通過光譜學手段確定了探針分子的結構。

b) 探針分子NM1對Hg2+離子具有優(yōu)秀的選擇性和響應靈敏度,而常見共存金屬離子對其測定無干擾。

c) 由熒光滴定實驗和job’s plot實驗確定了探針分子NM1與Hg2+離子之間的結合比為1∶1。

d) 探針分子NM1對Hg2+離子的檢測限可達9.04 nM,該值遠低于美國FDA規(guī)定的飲用水中Hg2+離子含量的標準值,表明NM1可用于飲用水中痕量Hg2+的含量檢測。

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(責任編輯：許惠兒)

Research on Synthesis and Propitiates of New Hg2+Ion Fluorescent Probe Based on 1,8-Naphthalimide

SONGTaoa,YANGCheng-yua,JIANGJu-huaa,ZHOUBao-chenga,HANYi-fenga,b

(a.School of Science; b.Key Laboratory of Advanced Textile Materials and Manufacturing Technology, Ministry of Education,Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou 310018,China)

A 1,8-naphthalimide-based fluorescent probe (NM1) for Hg2+ion detection was designed and synthesized.It was characterized by modern spectroscopy methods.Besides,its spectral property was investigated.The results show that NM1 exhibits excellent sensitivity and selectivity to Hg2+.The combination proportion is 1∶1.Common coexistent metal ions have no interference in detection.Furthermore,NM1 can achieve visual detection of Hg2+.Those results showed that NM1 has potential application value for the detection of Hg2+in water and in living systems.

fluorescent probe; Hg2+ion; 1,8-naphthalimide; visual detection

1673-3851 (2015) 02-0178-05

2014-05-29

國家自然科學基金項目(20902082);浙江省自然科學基金項目(Y201225426)

宋 濤(1987-),男,山東濰坊人,碩士研究生,主要從事有機化學方面的研究。

韓益豐,E-mail:hanyf@zstu.edu.cn

O656

A