趙軍偉, 林靜容, 王紫云, 何兆帥, 劉國(guó)華, 程探宇

(上海師范大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,上海 200234)

基于氟硼二吡咯的水溶性高靈敏汞離子熒光探針

趙軍偉, 林靜容, 王紫云, 何兆帥, 劉國(guó)華, 程探宇

(上海師范大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,上海 200234)

以氟硼二吡咯作為熒光基團(tuán)、以肼基作為活性基團(tuán)設(shè)計(jì)、合成了一種可用于物質(zhì)的量高靈敏地檢測(cè)水溶液中汞離子的熒光探針(MS).該探針在水溶液中5 min內(nèi)基本可以完成對(duì)汞離子的檢測(cè),隨著汞離子濃度的增加,溶液紫外吸收明顯紅移,熒光強(qiáng)度大大增強(qiáng).即使體系中汞離子物質(zhì)的量濃度在0.1 μmol/L時(shí),溶液熒光強(qiáng)度也有明顯變化,說(shuō)明該探針具有很高的靈敏度.另外選擇性實(shí)驗(yàn)表明該探針在相同條件下對(duì)其他常見(jiàn)金屬離子沒(méi)有明顯響應(yīng),說(shuō)明該探針具有很好的選擇性.

熒光探針; 汞離子; 氟硼二吡咯

0 引 言

在科技發(fā)展,人們生活生產(chǎn)水平及工業(yè)化程度提高的同時(shí),伴隨而來(lái)的環(huán)境問(wèn)題也成為擺在人們面前,急待解決的難題.在眾多環(huán)境問(wèn)題中,重金屬污染,尤其汞污染,由于其高毒性而廣泛受到人們的關(guān)注.1953年,日本熊本縣水俁灣附近居民的汞中毒事件震驚了世界.當(dāng)時(shí)人們并不了解具體的發(fā)病原因,許多當(dāng)?shù)鼐用穸汲霈F(xiàn)了手腳麻木、神經(jīng)失常、運(yùn)動(dòng)失調(diào)、口齒不清等癥狀,該疾病還可以通過(guò)胎盤(pán)與母乳遺傳給子女.后來(lái)人們調(diào)查發(fā)現(xiàn)該疾病與汞有關(guān)[1-2].研究表明,環(huán)境中的汞可以通過(guò)食物鏈進(jìn)入人和動(dòng)物體內(nèi),而且不容易降解,在生物體內(nèi)富集,最終對(duì)人和動(dòng)物造成極大的危害.所以,研究開(kāi)發(fā)水溶性的高靈敏高選擇性的汞離子檢測(cè)方法尤為重要.

目前應(yīng)用較廣的重金屬測(cè)定方法包括原子吸收光譜法、電化學(xué)法、分光光度法、免疫分析法、生物化學(xué)傳感器法、熒光光譜法等.熒光光譜法由于其靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短、操作簡(jiǎn)便實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品和環(huán)境等領(lǐng)域[3].目前用于檢測(cè)汞離子的熒光探針?lè)N類(lèi)繁多,主要涉及小分子熒光探針、核酸、納米材料等[4-11].最近,Kim等[12]報(bào)道了兩個(gè)基于羅丹明腙衍生物的汞離子熒光探針(圖1),該探針在加入汞離子之后熒光強(qiáng)度選擇性增強(qiáng),并伴隨有色譜改變.Gong等[13]合成了一種能夠應(yīng)用于熒光成像的高效比率型熒光探針,結(jié)構(gòu)如圖1中化合物2.本文作者采用熒光共振能量轉(zhuǎn)移策略,設(shè)計(jì)并合成了一種高效的比率型汞離子探針,該探針對(duì)汞離子表現(xiàn)出高選擇性.在此基礎(chǔ)上,將肼基團(tuán)連接在氟硼二吡咯熒光團(tuán)上設(shè)計(jì)合成了一種在水溶液中高靈敏、高選擇性的汞離子熒光探針.

圖1 汞離子熒光探針[12-13]

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和試劑

Bruker Avance 400核磁共振儀(400 MHz),Waters MicromassLCT質(zhì)譜儀,Hitachi U-3900紫外-可見(jiàn)光分光光度計(jì),Hitachi F-7000熒光光譜儀.對(duì)甲氧基苯甲醛(百靈威),吡咯(安耐吉),三氟乙酸(安耐吉),二氯甲烷(泰坦科技),四氫呋喃(干燥,國(guó)藥),DDQ(2,3-二氯-5,6-二氰基-1,4-苯醌,安耐吉),BF3·OEt2(三氟化硼乙醚,阿拉丁),DIEA(二異丙基乙胺,阿拉丁),NCS(N-氯代丁二酰亞胺,阿拉丁),水合肼(80%,安耐吉).

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

根據(jù)已報(bào)道文獻(xiàn)合成探針MS[14]1HNMR (CDCl3,400 MHz)∶δ7.94 (s,1H),7.53 (d,J=8.7 Hz,2H),7.07(d,J=8.7 Hz,2H),6.99～6.91 (m,2H),6.62～6.55 (m,1H),6.45(d,J=4.3 Hz,1H),3.93 (s,3H).13C NMR (101 MHz,DMSO-d6)δ164.22,160.55,135.57,134.78,132.16,131.99,130.33,127.41,126.42,125.47,116.97,115.88,114.63,112.00,55.93.HRMS (ESI-) Calcd for C16H14BCl1F2N4O ([M-H])-,361.0848,found,361.0849.

圖2 探針MS的合成路線

1.3 探針MS的性能測(cè)試

1.3.1 加入Hg2+后探針MS光譜隨時(shí)間的變化

1 cm石英比色皿中加入3 mL 5 μmol/L的MS溶液(體積比V水∶V乙腈=10∶1),隨后加入20 μmol/L Hg2+溶液,測(cè)試體系光譜變化.

1.3.2 探針MS對(duì)Hg2+滴定實(shí)驗(yàn)

1 cm石英比色皿中加入3 mL 5 μmol/L的MS溶液(V水∶V乙腈=10∶1),隨后每次加入一定濃度的Hg2+溶液,混合5 min后測(cè)試體系的光譜變化.

1.3.3 探針MS對(duì)不同金屬離子的選擇性實(shí)驗(yàn)

1 cm石英比色皿中加入3 mL 5 μmol/L的MS溶液(V水∶V乙腈=10∶1),隨后分別加入6 μL的10 mmol/L不同的金屬離子溶液,加入后放置5 min,測(cè)試加入Hg2+之后溶液的紫外吸收變化以及熒光強(qiáng)度的變化.

2 結(jié)果與討論

2.1 加入Hg2+后探針MS光譜隨時(shí)間的變化

為了確定探針MS對(duì)Hg2+反應(yīng)時(shí)間,首先進(jìn)行了光譜隨著時(shí)間變化的測(cè)試.如圖3所示,在加入Hg2+之后,在464 nm波長(zhǎng)處的紫外吸收峰逐漸降低,同時(shí)在502 nm出現(xiàn)新的紫外吸收峰;從插入圖中可以看出在加入Hg2+5 min后,曲線趨于穩(wěn)定,探針MS與Hg2+的反應(yīng)趨于完全.探針MS在水溶液中的熒光強(qiáng)度非常弱,在加入Hg2+之后,體系的熒光迅速增強(qiáng),并在5 min后變穩(wěn)定,和紫外吸收測(cè)試結(jié)果一致.

圖3 探針MS(5 μmol/L)在水溶液(V乙腈∶V水=1∶10)中加入 Hg2+(20 μmol/L,4equiv)之后,(a)紫外吸收(插入圖:502 nm與464 nm紫外吸收強(qiáng)度比值隨時(shí)間的變化曲線)和(b)熒光發(fā)射(插入圖:515 nm熒光強(qiáng)度隨時(shí)間的變化曲線)隨時(shí)間的變化(激發(fā)波長(zhǎng):490 nm)

2.2 探針MS對(duì)Hg2+滴定實(shí)驗(yàn)

如圖4所示,隨著加入Hg2+的濃度的增大,探針MS在464 nm紫外吸收峰逐漸降低,同時(shí)在502 nm出現(xiàn)一個(gè)新的吸收峰,并在494 nm處有一個(gè)明顯的等吸收點(diǎn),說(shuō)明隨著汞離子的慢慢加入,探針MS逐漸變?yōu)榱硗庖环N物質(zhì).另外從插入圖也可以明顯地看出502 nm處與464 nm的吸收比值隨著汞濃度的增加明顯變大,并在汞物質(zhì)的量濃度為5 μmol/L(1eqive)時(shí)趨于穩(wěn)定.熒光測(cè)試表明隨著加入Hg2+的濃度增大,探針MS在515 nm處的熒光強(qiáng)度明顯增強(qiáng);從插入圖也可以明顯看出隨著汞濃度增加515 nm處的熒光強(qiáng)度逐漸增強(qiáng),并在5 μmol/L時(shí)趨于穩(wěn)定,和紫外吸收譜圖一致.

為了進(jìn)一步測(cè)試探針MS的靈敏度,對(duì)該探針在微量汞離子存在下的熒光變化進(jìn)行檢測(cè).如圖5所示.沒(méi)有汞離子存在下探針MS在515 nm處熒光發(fā)射很弱,加入0.1 μmol/L汞離子后可以看出熒光明顯增強(qiáng);隨著汞物質(zhì)的量濃度繼續(xù)增加至1 μmol/L時(shí),515 nm處的熒光強(qiáng)度超過(guò)了原來(lái)的5倍,說(shuō)明探針MS對(duì)汞離子具有非常高的靈敏度.

圖4 探針MS(5 μmol/L)在水溶液(V乙腈∶V水=1∶10)中加入不同濃度Hg2+之后紫外吸收曲線(插入圖:502 nm與464 nm的吸收比值隨汞濃度變化曲線)與熒光發(fā)射譜圖(插入圖:515 nm熒光強(qiáng)度隨汞濃度變化曲線)的變化(激發(fā)波長(zhǎng):490 nm)

圖5 探針MS(1 μmol/L)在水溶液(V乙腈∶V水=1∶10)中,不同濃度Hg2+(0～1 μmol/L)存在時(shí)熒光發(fā)射譜圖(插入圖:515 nm熒光強(qiáng)度隨Hg2+(0～1 μmol/L)變化曲線,激發(fā)波長(zhǎng):490 nm)

2.3 探針MS對(duì)不同金屬離子的選擇性實(shí)驗(yàn)

圖6 探針MS(5 μmol/L)在水溶液(V乙腈∶V水=1∶10)中加入不同的金屬離子(20 μmol/L)后515 nm熒光強(qiáng)度

為了進(jìn)一步確定其他金屬離子的干擾,對(duì)金屬離子進(jìn)行了進(jìn)一步的選擇性測(cè)試.如圖6所示,在相同的測(cè)試條件下,在加入不同金屬離子之后,只有Hg2+能使體系在515 nm處的熒光增強(qiáng),而其他常見(jiàn)的金屬離子Ba2+、Ni2+、Na+、Mn2+、Mg2+、Li+、Fe3+、Co2+、Cd2+、Zn2+、Pb2+、Al3+對(duì)體系的熒光強(qiáng)度基本沒(méi)有影響,說(shuō)明探針MS對(duì)汞離子的識(shí)別選擇性非常好.

3 結(jié) 論

設(shè)計(jì)合成了基于氟硼吡咯熒光團(tuán)和肼活性基團(tuán)的汞離子熒光探針MS,該探針可以實(shí)現(xiàn)在水溶液中對(duì)Hg2+的識(shí)別.探針MS隨著Hg2+濃度的增加,紫外吸收有明顯的紅移(約40 nm),熒光發(fā)射強(qiáng)度在515 nm處明顯增強(qiáng);另外即使在Hg2+濃度較低時(shí)熒光也出現(xiàn)明顯增強(qiáng),具有很好的靈敏度.且探針MS的熒光強(qiáng)度基本不受除了Hg2+以外常見(jiàn)金屬離子的影響,具有很好的選擇性.總之,本文作者開(kāi)發(fā)的熒光探針MS可以在水溶液中高靈敏、高選擇性地識(shí)別Hg2+,具有一定的實(shí)際應(yīng)用潛力.

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(責(zé)任編輯：包震宇,郁 慧)

A highly sensitive fluorescent probe based on BODIPY for Hg2+in aqueous solution

ZHAO Junwei, LIN Jingrong, WANG Ziyun, HE Zhaoshuai, LIU Guohua, CHENG Tanyu

(College of Life and Environmental Sciences,Shanghai Normal University,Shanghai 200234,China)

A highly sensitive fluorescent probe based on BODIPY and hydrazine for Hg2+was designed and synthesized.This probe could detect mercury ions in aqueous solutions within 5 min.With the increase of Hg2+mole concentration,an obvious red shift of UV-Vis absorption wavelength was observed and the fluorescence intensity significantly enhanced.It was found that the fluorescence intensity of an aqueous solution containing 0.1 μmol/L Hg2+is much stronger than that of blank solution,which indicats that the fluorescent probe has high sensitivity.In addition,other metal ions could not cause the change of fluorescent spectra,which means this probe has good selectivity,as well.

fluorescent probe; mercury ion; BODIPY

2016-09-22

國(guó)家自然科學(xué)基金(21402120)

程探宇,中國(guó)上海市徐匯區(qū)桂林路100號(hào),上海師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,郵編:200234,E-mail:tycheng@shnu.edu.cn

O 657.34

A

1000-5137(2016)06-0650-05