韓雅蓮，但飛君，劉璐璐，曾 敏，陳 玲，蘭海闖

(三峽大學(xué) 生物與制藥學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

基于β-咔啉希夫堿的Al3+熒光探針的合成及其性能研究

韓雅蓮，但飛君*，劉璐璐，曾 敏，陳 玲，蘭海闖

(三峽大學(xué) 生物與制藥學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

以L-色氨酸甲酯鹽酸鹽和2-喹啉甲醛為原料，通過(guò)多步反應(yīng)合成3-{N′-(2-羥基苯亞甲基)甲酰肼基}-1-(喹啉-2-基)-9H-β-咔啉(QCS)，并通過(guò)1H NMR、13C NMR、ESI-MS對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。探針QCS對(duì)Al3+有特異性響應(yīng)，可在9～100 μmol/L范圍定量檢測(cè)Al3+，相關(guān)系數(shù)r2=0.999 1，檢出限為4.40×10-9mol/L。在乙醇-水(體積比9∶1)的混合體系中，探針與Al3+的絡(luò)合比為1∶1，絡(luò)合常數(shù)Ka=(2.91±0.22)×103(mol/L)-1，且該探針與Al3+絡(luò)合后的熒光強(qiáng)度在pH 5.0～8.0范圍保持穩(wěn)定，滿足環(huán)境水樣及生命體系的檢測(cè)條件要求。

β-咔啉；喹啉；希夫堿；Al3+探針

鋁是地殼中含量最多的金屬元素，被廣泛應(yīng)用于建筑材料、電氣傳輸、水凈化和食品添加劑等領(lǐng)域[1]。但過(guò)量的鋁會(huì)使植物枯萎甚至死亡，人體內(nèi)鋁積累過(guò)多時(shí)，易引起神經(jīng)病癥[2]。據(jù)世界衛(wèi)生組織報(bào)道，人體內(nèi)鋁的日均攝入量為3～10 mg[3]。我國(guó)環(huán)境保護(hù)局標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定飲用水中的Al3+濃度不高于0.05 mg/L[4]，因此Al3+的檢測(cè)至關(guān)重要。迄今報(bào)道的Al3+的檢測(cè)方法包括電感耦合等離子體法、原子吸收法、離子質(zhì)譜法等，熒光分析法因具有操作簡(jiǎn)便、靈敏性高、檢出限低等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用[5]。由于Al3+水合作用強(qiáng)導(dǎo)致其絡(luò)合能力弱，設(shè)計(jì)在水介質(zhì)中高選擇性和靈敏性的Al3+熒光探針成為科學(xué)家研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)[6]。

希夫堿化合物含有N原子，可與金屬離子形成配位鍵，是良好的配體[7]，在熒光探針的構(gòu)建中有著廣泛應(yīng)用[8]。近年來(lái)，Al3+熒光探針[9-10]多有報(bào)道。但以β-咔啉為熒光基團(tuán)的Al3+熒光探針較少。β-咔啉具有吡啶并吲哚環(huán)的平面結(jié)構(gòu)，是良好的發(fā)光體，可用于熒光材料的構(gòu)建[11]?；诖?，本課題組設(shè)計(jì)并合成了以β-咔啉為熒光基團(tuán)，水楊酰腙為識(shí)別基團(tuán)和連接體的熒光探針QCS，并對(duì)其進(jìn)行了光譜性能分析和研究。結(jié)果表明QCS能夠在乙醇-水(體積比9∶1)的混合體系中對(duì)Al3+進(jìn)行定性和定量檢測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

400 MHz核磁共振波譜儀(TMS為內(nèi)標(biāo)，溶劑CDCl3，瑞士Bruker公司)，ESI-MS質(zhì)譜儀(德國(guó)Bruker公司)，F(xiàn)-4600熒光光譜儀(日本Hitachi公司)，UV-2600紫外-可見(jiàn)分光光度儀(日本Shimadzu公司)，PHS-3C酸度計(jì)(上海雷磁儀器廠)，WRS-1A型熔點(diǎn)儀(上海索光光電技術(shù)有限公司)。光譜測(cè)試中使用二次蒸餾水，14種金屬硝酸鹽固體[Al(NO3)3·9H2O、Ca(NO3)2·4H2O、Cr(NO3)3·9H2O、Mn(NO3)2、Fe(NO3)3·9H2O、Co(NO3)2·6H2O、Ni(NO3)2·6H2O、Cu(NO3)2·3H2O、Zn(NO3)2·6H2O、AgNO3、Cd(NO3)2·4H2O、Ba(NO3)2、Hg(NO3)2、Pb(NO3)2]，其他試劑和原料均為分析純(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)。

1.2 合成路線

1.2.13-甲酸甲酯-1-(喹啉-2-基)-9H-β-咔啉(化合物3)的合成參考文獻(xiàn)[12]以L-色氨酸甲酯鹽酸鹽(化合物1)和2-喹啉甲醛(化合物2)為原料合成3-甲酸甲酯-1-(喹啉-2-基)-9H-β-咔啉，產(chǎn)率：35.69%。m.p.：220.8～222.2 ℃。ESI-MS(m/z):354.1767[M+H]+。1H NMR(400 MHz,CDCl3)∶δ11.92(s,1H),9.02(d,J=8.7 Hz,1H),8.95(s,1H),8.36(d,J=8.7 Hz,1H),8.29(d,J=8.4 Hz,1H),8.24(d,J= 7.9 Hz,1H),7.91(d,J=8.1 Hz,1H),7.86～7.77(m,1H),7.73(d,J=8.2 Hz,1H),7.69～7.55(m,2H),7.39(t,J=7.5 Hz,1H),4.11(s,3H)。

1.2.23-甲酰肼-1-(喹啉-2-基)-9H-β-咔啉(化合物4)的合成向250 mL燒瓶中，加入3.53 g(10 mmol) 3-甲酸甲酯-1-(喹啉-2-基)-9H-β-咔啉、50 mL乙醇和100 mL甘油，攪拌1 h；加入10.00 g(200 mmol)水合肼，回流4 h；冷卻，抽濾，再用30 mL乙醇洗滌3次，真空干燥，得固體3.32 g，收率：94.05%。m.p.:263.9～261.9 ℃。ESI-MS(m/z):354.1834[M+H]+。1H NMR(400 MHz,DMSO):δ12.32(s,1H),10.24(s,1H),9.39(d,J=8.7 Hz,1H),9.00(s,1H),8.79(d,J=8.4 Hz,1H),8.60(d,J=8.8 Hz,1H),8.50(d,J=7.8 Hz,1H),8.12 ～ 8.06(m,2H),7.94～7.90(m,1H),7.73～ 7.67(m,2H),7.38(t,J=7.4 Hz,1H),4.68(s,2H)。

1.2.33-{N′-(2-羥基苯亞甲基)甲酰肼基}-1-(喹啉-2-基)-9H-β-咔啉(QCS)的合成合成路線如圖1所示。向100 mL燒瓶中加入0.353 0 g(1 mmol) 3-甲酰肼-1-(喹啉-2-基)-9H-β-咔啉、0.122 0 g(1 mmol)水楊醛，15 mL乙醇和30 mL甘油，回流3 h，TLC跟蹤反應(yīng)完全，冷卻，抽濾，再用10 mL乙醇洗滌，真空干燥，得QCS 0.389 1 g，收率：85.14%。m.p.>300 ℃。ESI-MS(m/z):458.174 6[M+H]+。1H NMR(400 MHz,DMSO):δ12.42(s,1H),12.31(s,1H),11.55(s,1H),9.39(d,J=8.7 Hz,1H),9.14(s,1H),9.04(s,1H),8.81(d,J=8.4 Hz,1H),8.67(d,J=8.7 Hz,1H),8.53(d,J=7.8 Hz,1H),8.14 ～ 8.08(m,2H),7.93(t,J=7.2 Hz,1H),7.74 ～ 7.69(m,2H),7.61(d,J=6.9 Hz,1H),7.42 ～ 7.33(m,2H),6.98(t,J=7.8 Hz,2H)。

1.3 熒光光譜測(cè)定方法

稱取0.002 4 g化合物QCS，溶于10 mL DMF中配制成1.0×10-3mol/L的儲(chǔ)備液，放置備用。測(cè)試均在乙醇-水(9∶1)混合液中進(jìn)行，金屬硝酸鹽的濃度為1.0×10-2mol/L，所有測(cè)試重復(fù)3次。在一定量的乙醇-水(9∶1)混合溶液中加入鹽酸或氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH值，配制pH 2.02、2.97、3.55、4.70、5.70、6.22、7.21、8.46、9.48、10.38、11.04、12.06、13.10的系列緩沖溶液。熒光參數(shù)λem為375 nm，Ex、Em的狹縫寬度均為5 nm，電壓為500 V。

圖1 QCS的合成路線Fig.1 Synthesis routes of QCS

2 結(jié)果與討論

2.1 探針QCS對(duì)金屬離子的識(shí)別

在乙醇-水(9∶1)混合溶液中，分別測(cè)定空白試樣和探針QCS識(shí)別14種金屬離子(Al3+、Ca2+、Cr3+、Mn2+、Fe3+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Ag+、Cd2+、Ba2+、Hg2+、Pb2+)的熒光發(fā)射光譜，如圖2A所示。同時(shí)，為了進(jìn)一步考察探針QCS的選擇性，進(jìn)行了抗干擾測(cè)試，結(jié)果如圖2B所示。

由圖2B可見(jiàn)，當(dāng)Al3+與其他金屬離子共存時(shí)，除Cu2和Zn2+使體系發(fā)生熒光猝滅外，其他金屬離子基本不會(huì)干擾探針QCS對(duì)Al3+的響應(yīng)。推測(cè)Cu2+和Zn2+對(duì)其的干擾可能是Cu2+、Zn2+與QCS的絡(luò)合能力比Al3+強(qiáng)。飲用水、自來(lái)水、鋁廠廢水等實(shí)際樣品中一般不含Cu2+或Zn2+，故Cu2+和Zn2+對(duì)Al3+的檢測(cè)無(wú)影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明探針QCS能夠特異性識(shí)別Al3+。

2.2 不同濃度的Al3+對(duì)探針QCS熒光強(qiáng)度的影響

在混合液中，考察了不同濃度的Al3+(0～100 μmol/L)對(duì)探針QCS(10 μmol/L)熒光光譜的影響。結(jié)果顯示，隨著Al3+濃度的增加，在425 nm處的熒光強(qiáng)度不斷增強(qiáng)并紅移至490 nm處，且當(dāng)Al3+過(guò)量時(shí)熒光強(qiáng)度仍有增強(qiáng)趨勢(shì)，表明探針QCS與Al3+有良好的絡(luò)合作用。在9～100 μmol/L濃度范圍內(nèi)，Al3+濃度(x)與相應(yīng)的熒光強(qiáng)度(y)呈良好的線性關(guān)系，線性回歸方程為y=-133.428 78+17.035 83x(r2=0.999 1)。表明在9～100 μmol/L濃度范圍內(nèi)，探針QCS可實(shí)現(xiàn)對(duì)Al3+的定量檢測(cè)。依據(jù)公式LOD=3SD/b[14]計(jì)算得檢出限為4.40×10-9mol/L，低于我國(guó)環(huán)境保護(hù)局標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定飲用水中可存在Al3+的最高濃度，可用于監(jiān)測(cè)飲用水的水質(zhì)。

2.3 探針QCS對(duì)Al3+的響應(yīng)測(cè)試

為了研究探針QCS的適用性，考察了pH值和時(shí)間對(duì)探針QCS識(shí)別Al3+的影響。熒光光譜結(jié)果顯示，探針在一系列pH值緩沖溶液中未顯示出明顯的熒光發(fā)射。加入Al3+后，在pH 5.0～8.0條件下探針QCS結(jié)合Al3+后熒光強(qiáng)度保持穩(wěn)定，但在堿性條件下，QCS-Al3+絡(luò)合物的熒光強(qiáng)度隨著pH值的增加而降低，推測(cè)是由于強(qiáng)堿影響了Al3+與探針QCS的絡(luò)合[15]。該結(jié)果表明探針QCS能夠滿足環(huán)境水樣及生命體系的檢測(cè)條件。

圖3 探針QCS對(duì)Al3+的可逆熒光響應(yīng)譜圖(λex=375 nm)Fig.3 Reversible fluorescence response of QCS to Al3+(λex=375 nm)

QCS-Al3+絡(luò)合物的熒光強(qiáng)度隨著絡(luò)合時(shí)間的增加而增強(qiáng)，500 s后熒光增強(qiáng)的速率趨于穩(wěn)定，可認(rèn)為探針QCS與Al3+的相互作用基本完成。表明探針QCS對(duì)Al3+的識(shí)別響應(yīng)迅速。

2.4 探針QCS對(duì)Al3+的可逆性熒光響應(yīng)

對(duì)靶向離子的可逆性檢測(cè)是熒光探針的重要性質(zhì)。向含有QCS和Al3+的混合液中加入EDTA后，490 nm處的熒光強(qiáng)度降低到未加入Al3+時(shí)的熒光強(qiáng)度，表明游離QCS可再生。再加入20 μL濃度為10-2mol/L的Al3+后，熒光再次恢復(fù)，如圖3所示。因此，通過(guò)使用適量的絡(luò)合劑EDTA可以證實(shí)探針QCS的可逆性，實(shí)現(xiàn)熒光探針的“off-on-off”功能[16]。

2.5探針QCS與Al3+的絡(luò)合比與絡(luò)合常數(shù)

依據(jù)熒光定量滴定數(shù)據(jù)，通過(guò)Benesi-Hildebrand方程[18]，以1/[Al3+]為橫坐標(biāo)(x)，1/(F-F0)為縱坐標(biāo)(y)，線性擬合后得方程：y=-2.454 71×10-4+8.436 75×10-8x(r2=0.998 15)，擬合后呈一條直線，進(jìn)一步表明探針QCS與Al3+的絡(luò)合比為1∶1，絡(luò)合常數(shù)Ka=(2.91±0.22)×103(mol/L)-1。

2.6 機(jī)理的探究

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)并合成了一種新型探針QCS，其乙醇-水(9∶1)混合液中加入Al3+后可觀察到熒光紅移且強(qiáng)度增強(qiáng)580倍，該探針可以定性、定量檢測(cè)Al3+且基本不受其他金屬離子的干擾，檢出限為4.40×10-9mol/L。探針QCS與Al3+的絡(luò)合比為1∶1。同時(shí)探針QCS對(duì)Al3+的響應(yīng)是可逆的，可以通過(guò)使用合適的絡(luò)合劑如EDTA再循環(huán)，實(shí)現(xiàn)熒光探針的“off-on-off”功能。

圖4 探針QCS識(shí)別Al3+的可能機(jī)理Fig.4 The possible recognition mechanism of QCS for Al3+

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Synthesis and Properties of Al3+Fluorescence Probe Based on β-Carboline and Schiff Base

HAN Ya-lian,DAN Fei-jun*,LIU Lu-lu,ZENG Min,CHEN Ling,LAN Hai-chuang

(College of Biology and Pharmacy,China Three Gorges University,Yichang 443002，China)

(2-Hydroxybenzylidene)-1-(quinolin-2-yl) -9H-pyrido[3,4-b] indole-3-carbohydrazide(QCS) was synthesized by a series of reactions withL-tryptophan methyl ester hydrochloride and 2-quinolinecarboxaldehyde as raw material. The structure of QCS was characterized by1H NMR,13C NMR and ESI-MS. The probe QCS has a specific response to Al3+,and the limit of detection was 4.40×10-9mol/L. QCS showed a good linearity in the concentration range of 9-100 μmol/L with a correlation coefficient(r2) of 0.999 1. In a mixed system of ethanol-water(9∶1,by volume),the binding ratio of QCS and Al3+was 1∶1,and the complexing constant was proved to be(2.91±0.22)×103(mol/L)-1in the fluorescence titration spectra. Furthermore,the fluorescent intensity of QCS-Al3+maintained stable in the pH 5.0-8.0,which satisfied the requirements for detection on environmental water samples and living cells.

β-carboline;quinolone;schiff base;Al3+fluorescent probe

2017-05-06；

2017-08-01

湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究計(jì)劃優(yōu)秀中青年人才項(xiàng)目(Z2017044)

*

但飛君，博士，副教授，研究方向：有機(jī)合成與熒光分析，Tel:13477122150,E-mail:13477122150@163.com

10.3969/j.issn.1004-4957.2017.11.016

O433.4

A

1004-4957(2017)11-1387-05