黃 昆

(西華師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院四川南充 637002)

生活污水、工業(yè)廢水等水體中含有的S2-極容易轉(zhuǎn)變成劇毒和臭雞蛋氣味的H2S氣體，給環(huán)境和安全造成危害。因此，水體中S2-濃度的監(jiān)測(cè)是水質(zhì)檢測(cè)中的一項(xiàng)重要指標(biāo)。目前監(jiān)測(cè)S2-(H2S)的方法中，亞甲基藍(lán)法和S2-選擇性電極檢測(cè)法為首要選擇。但這些方法通常需將樣品進(jìn)行勻漿處理，對(duì)樣品破壞性較大。有機(jī)小分子探針的出現(xiàn)及紫外、熒光無(wú)損分析檢測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，建立了許多新的檢測(cè)方法和手段[1-4]。反應(yīng)型探針是近年發(fā)展起來(lái)的一類以化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)的探針。它通過(guò)目標(biāo)分析物與探針特定基團(tuán)之間的化學(xué)反應(yīng)，引起探針?lè)磻?yīng)前后光譜性能的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)分析物的高選擇性、高靈敏性識(shí)別[5，6]。Wang課題組利用此方法首次設(shè)計(jì)合成一種將疊氮基引入丹磺酰胺熒光團(tuán)中的H2S探針DNS-Az[7]，該探針可用于檢測(cè)水溶液、血清和小鼠全血中的H2S。隨后，Chang課題組報(bào)道了一系列基于疊氮官能團(tuán)的氧雜蒽硫化氫探針SF1、SF2、SF4、SF5、AM、SF7-AM[8,9]。此外，Sun課題組設(shè)計(jì)了含雙疊氮官能團(tuán)的探針也能實(shí)現(xiàn)對(duì)S2-的高選擇性響應(yīng)，檢測(cè)限為0.112 μmol/L[10]。近年來(lái)，基于類似機(jī)理設(shè)計(jì)的S2-(H2S)探針層出不窮，并在生物成像等領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景[11,12]。

熒烷染料(Fluoran)是分子內(nèi)含螺環(huán)內(nèi)酯結(jié)構(gòu)的比較有發(fā)展前途的第三代壓、熱敏染料。該類物質(zhì)在熔點(diǎn)相對(duì)低的基質(zhì)中和質(zhì)子性顯影劑共存時(shí)能發(fā)生熱致褪色現(xiàn)象[13,14]。雖然它們與羅丹明B熒光染料有著極為相似的結(jié)構(gòu)，也在印染業(yè)得到了較廣泛的應(yīng)用，但作為信號(hào)報(bào)告基團(tuán)在識(shí)別領(lǐng)域的研究極少[15，16]。鑒于此，本文利用熒烷母體合成了一種新型比色探針Flu-S。通過(guò)S2-與探針疊氮基團(tuán)之間的專一性化學(xué)反應(yīng)，在含有十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)的0.001 mol/L磷酸鹽緩沖溶液(pH=7.4)中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)S2-的高選擇性光譜響應(yīng)，檢測(cè)限可達(dá)微摩爾級(jí)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器及試劑

Bruker micro TOF-QⅡ高分辨質(zhì)譜儀，Bruker Avance Ⅱ 400核磁共振儀;島津2550紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)；日立F-4600熒光分光光度計(jì)；恒溫磁力加熱攪拌器(鞏義予華)；電子分析天平(上海力辰)；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(上海亞榮)。

化合物Flu參照文獻(xiàn)方法[17]自制，熔點(diǎn):178～180 ℃；4-二乙胺基酮酸、4-乙酰氨基酚、NaN3、還原型谷胱甘肽(GSH)、L-半胱氨酸(Cys)、高半胱氨酸(Hcy)、苯硫酚(ArSH)、十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)、Na2S、磷酸鹽等試劑購(gòu)自阿拉丁化學(xué)試劑(中國(guó))公司，皆為分析純。乙酸乙酯、二氯甲烷、乙腈、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)等溶劑購(gòu)自成都科龍?jiān)噭┕荆詾榉治黾?。?shí)驗(yàn)用水為二次蒸餾水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 Flu-S的合成稱取Flu(386 mg,1 mmol)加入5 mL 10%HCl中，冰鹽浴中冷卻到-5 ℃以下。緩慢加入3 mL NaNO2(104 mg,1.5 mmol)溶液，維持溫度在0 ℃以下，攪拌30 min。在此溶液中緩慢加入溶解了NaN3(98 mg,1.5 mmol)的3 mL溶液，并保持溫度在0 ℃以下攪拌1 h。將混合溶液用二氯甲烷萃取3次(20 mL×3)，無(wú)水Na2SO4干燥，減壓蒸餾除去溶劑后，將殘留物通過(guò)硅膠柱層析提純，洗脫溶劑為乙酸乙酯-二氯甲烷(體積比為1∶30)。得淡粉紅色固體268 mg，產(chǎn)率：65.0%，熔點(diǎn):98～100 ℃。

圖1 Flu-S的合成路線Fig.1 The synthetic route of Flu-S

1.2.2 Flu-S的紫外吸收光譜測(cè)試將探針Flu-S溶于DMF中，配成濃度為0.005 mol/L的主體溶液，客體分析物配成0.01 mol/L的溶液。取探針溶液3/6 μL加入5 mL玻璃樣品瓶中，用磷酸鹽緩沖溶液(0.01 mol/L,pH=7.4，CTAB=0.001 mol/L)稀釋成5/10 μmol/L的主體溶液。其中，CTAB的加入是為了加快反應(yīng)速率[18]。在上述溶液中分別加入相同體積的客體離子溶液，放置30 min后進(jìn)行光譜測(cè)試，在4 h 內(nèi)完成測(cè)試。熒光光譜儀參數(shù)設(shè)置為：室溫25 ℃下，激發(fā)波長(zhǎng)為516 nm，激發(fā)和發(fā)射狹縫寬度分別為10 nm和20 nm。在1 cm的石英密閉比色皿中，以0.01 mol/L pH=7.4磷酸鹽緩沖溶液(PBS,含有0.001 mol/L CTAB)做參比。

2 結(jié)果與討論

2.1 Flu-S的結(jié)構(gòu)表征

1H NMR(400 MHz，CDCl3)δ:8.03(d,J=7.2 Hz,1H),7.69-7.60(m,2H),7.28(s,1H),7.18(d,J=7.4 Hz,1H),7.06(dd,J=8.8 Hz,2.7 Hz,1H),6.57(d,J=8.9 Hz,1H),6.46(d,J=2.3 Hz,1H),6.37(dd,J=8.8 Hz,2.6 Hz,2H),3.36(q,J=7.1 Hz,4H),1.18(t,J=7.1 Hz,6H)。13C NMR(100 MHz,CDCl3)δ:169.47,152.92,152.48,149.87,149.18,135.10,134.92,129.89,128.92,127.03,125.22,124.06,121.23,121.07,118.76,118.08,108.76,104.59,97.70,83.61,44.63,12.62。HRMSm/z413.1615[M+H]+,Calcd.m/z413.1614[M+H]+。

2.2 Flu-S對(duì)S2-的識(shí)別性能研究

2.2.1 反應(yīng)時(shí)間的選擇響應(yīng)時(shí)間是探針識(shí)別過(guò)程中一個(gè)重要因素，尤其是實(shí)時(shí)檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)考察了10 μmol/L探針在加入10倍量Na2S后紫外吸收光譜隨時(shí)間的變化情況，如圖2所示。在反應(yīng)前10 min內(nèi)，551 nm處的吸光度急劇增加，在10 min以后變化較小，20 min后探針與Na2S的反應(yīng)速度趨于緩慢，30 min后基本完成。因此，選擇30 min作為測(cè)試時(shí)間，所有測(cè)試在4 h內(nèi)完成。

2.2.2 pH的影響為了解探針在復(fù)雜的生理環(huán)境中應(yīng)用的能力，進(jìn)一步考察了pH對(duì)探針識(shí)別性能的影響。10 μmol/L探針及探針在加入100 μmol/L的S2-后，在不同pH溶液中的吸收強(qiáng)度變化如圖3所示。由圖可知，探針在pH=4.0～8.0的范圍內(nèi)仍然能夠很好地對(duì)S2-響應(yīng)，這對(duì)探針在生理環(huán)境的應(yīng)用具有重要意義。

圖2 10 μmol/L Flu-S加入100 μmol/L Na2S后吸收強(qiáng)度(A551 nm)隨時(shí)間的變化Fig.2 Absorption intensity (A551 nm) of 10 μmol/L Flu-S over time after the addition of 100 μmol/L Na2S

圖3 不同pH對(duì)Flu-S選擇性識(shí)別的影響Fig.3 The pH-dependent experiment of Flu-S

圖4 Flu-S(10 μmol/L)以及Flu-S(10 μmol/L)中加入各種分析物(80 μmol/L)后的吸收光譜(a)和熒光發(fā)射光譜(b)Fig.4 Absorption (a) and fluorescence (b) spectra of Flu-S (10 μmol/L) and Flu-S (10 μmol/L) with the addition of various analytes (80 μmol/L)λex:516 nm,slit:10,20 nm;cell=1 cm

2.2.4 線性范圍和檢測(cè)限在PBS中5 μmol/L的探針與不同濃度的Na2S(0～100 μmol/L)作用后的紫外吸收光譜如圖5A所示。在沒(méi)加入Na2S之前探針溶液在551 nm左右的最大吸光峰強(qiáng)度較弱，溶液沒(méi)有明顯的顏色。隨著S2-的加入，探針的最大吸收峰強(qiáng)度逐漸增大，溶液顏色逐漸轉(zhuǎn)變成紫紅色。當(dāng)加入的S2-濃度達(dá)到約50 μmol/L時(shí)吸收強(qiáng)度達(dá)到最大值，吸收強(qiáng)度(A551)與S2-濃度(0～50 μmol/L)之間有良好的線性關(guān)系(圖5A插圖)，相關(guān)系數(shù)為0.9976。當(dāng)加入S2-濃度超過(guò)50 μmol/L后，S2-濃度的繼續(xù)增加不引起吸收強(qiáng)度的明顯變化，說(shuō)明探針與S2-之間的反應(yīng)基本完成。將探針與8倍量S2-反應(yīng)后的溶液進(jìn)行質(zhì)譜分析，發(fā)現(xiàn)m/z387.1707(理論值m/z387.1709[Flu+H]+)的吸收峰。研究表明探針與S2-作用后生成了化合物Flu(在水中螺環(huán)內(nèi)酯開(kāi)啟)，即在S2-作用下探針疊氮基團(tuán)被還原為氨基[4]。利用外推法[19]得探針對(duì)S2-的檢測(cè)限為1.5 μmol/L，相關(guān)系數(shù)為0.9963，如圖5B所示。

圖5 Flu-S(5 μmol/L)中加入不同濃度Na2S(0～100 μmol/L)后的吸收光譜(A)及檢測(cè)限(B)Fig.5 Absorption spectra of Flu-S(5 μmol/L) towards the incremental concentration of Na2S(0～100 μmol/L)(a) and the detection limit of Na2S(b)

2.3 實(shí)際樣品中S2-檢測(cè)

基于該探針在S2-檢測(cè)中良好的選擇性和靈敏度，將其應(yīng)用到飲用純凈水(西華師范大學(xué)子露泉)、自來(lái)水(校內(nèi))和某化肥廠排放污水中S2-的檢測(cè)。將渾濁的試樣以3 000 r/min離心10 min,取上清液稀釋。采用標(biāo)準(zhǔn)加入法進(jìn)行分析，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1，回收率在97.75%～102.16%之間。說(shuō)明該方法的分析準(zhǔn)確度較好，能夠用于實(shí)際樣品中S2-含量的檢測(cè)。

表1 樣品的分析結(jié)果Table 1 Analytical results of water samples

3 結(jié)論

合成了一種基于熒烷染料的反應(yīng)型S2-(H2S)探針Flu-S。通過(guò)紫外吸收光譜、熒光發(fā)射光譜考察了Flu-S對(duì)S2-的識(shí)別行為。研究表明，F(xiàn)lu-S可在眾多分析物中高選擇地檢測(cè)S2-，響應(yīng)時(shí)間為30 min。機(jī)理研究證實(shí)Flu-S對(duì)S2-之間的選擇性響應(yīng)源于其與Flu-S分子中疊氮基團(tuán)之間的專一性反應(yīng)。將該方法用于純凈水、自來(lái)水及化肥廠污水中S2-的測(cè)定，回收率在97.75%～102.16%之間。該研究有助于拓展熒烷染料在化學(xué)傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用。