新型BODIPY荧光探针的光谱性能研究

蒋 琳，蔡丽波，周 欢，王婵娟，章明芳，董 琳，尹守春

(杭州师范大学材料与化学化工学院，浙江 杭州 310036)

新型BODIPY荧光探针的光谱性能研究

蒋 琳，蔡丽波，周 欢，王婵娟，章明芳，董 琳，尹守春

(杭州师范大学材料与化学化工学院，浙江 杭州 310036)

设计合成了一种新型的BODIPY近红外荧光探针分子1，并采用紫外-可见吸收光谱、荧光光谱研究了其对各种金属离子的响应.结果表明：在乙腈溶液中，采用630 nm激发波长时，在所有的检测金属离子(Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Ba2+, Cu2+, Zn2+, Cd2+, Fe2+, Pb2+, Ni2+, Co2+, Hg2+，Ag+)中，1对Cu2+具有高度选择性；Cu2+的加入导致1的乙腈溶液在636 nm处显示一个很强的红色吸收峰，在662 nm处显示一个很强的荧光发射峰；同时，由于发生了显著的颜色变化，1也可以作为对Cu2+的比色传感器.

BODIPY；荧光探针；Cu2+

0 引 言

Cu2+是生物体系中不可缺少的过渡金属离子，在有机体的许多基础生理过程中起着核心作用.如果人体中Cu2+含量不足，将会引起一些神经性的疾病，如门克斯病、威尔逊病和阿尔兹海默氏症[1].Cu2+也是现代环境污染的重要来源[2].因此，在过去的几十年里，科学家们一直致力于设计发展用来检测Cu2+的荧光化学传感器.目前，大多数已报道的Cu2+荧光探针是以“关闭”(即淬灭)模式进行工作的，这主要是因为Cu2+具有顺磁性.从灵敏度的角度而言，金属离子络合后导致荧光增强(“开启”)的荧光探针比那些金属离子络合后导致荧光淬灭(“关闭”)的灵敏度更高[3-5].虽然最近已报道了一些对Cu2+具有选择性“开启”响应的荧光探针[6-9].但是这些荧光探针分子在实践应用中还有些缺陷，如对其它金属离子的交叉灵敏性和荧光量子产率较低.因此，发展新的对Cu2+具有选择性的“开启”荧光探针是非常重要和必要的.

BODIPY(4,4-二氟-4-硼-3a,4a-二氮杂-s-引达省)是一类性能优异的荧光染料，其在可见光区域有尖而强的吸收和发射、高的摩尔吸收系数和荧光量子产率，对光和化学有较好的稳定性.而且BODIPY荧光染料易于进行化学结构修饰，这可使其吸收和发射谱带红移至红外或近红外区[10].在这个波长范围的荧光探针由于减弱了生物体自身的荧光发射和对活细胞的光损伤，非常适合于对细胞进行检测[11].

笔者曾合成了一种含BODIPY和二(2-甲基吡啶)胺的荧光染料分子1(图1)，并研究了其分子内能量转移性能[12].由于二(2-甲基吡啶)胺可以与许多金属离子发生配位作用，因此本文将研究荧光染料分子1对金属离子的响应性能.

图1 化合物1的结构式Fig. 1 The structure of compound 1

1 实验部分

1.1 主要实验试剂

金属盐：AgClO4, Ba(ClO4)2, Ca(ClO4)2, Cd(ClO4)2, Co(OAc)2·4H2O, Cu(ClO4)2·6H2O, FeCl2·4H2O, Hg(ClO4)2, KClO4, Mg(ClO4)2，NaClO4, Ni(ClO4)2·6H2O, Pb(ClO4)2·3H2O和Zn(ClO4)2，均从 Aldrich公司购买；光谱级乙腈从 Acros公司购买.

1.2 使用仪器

目标化合物1已经1H NMR,13C NMR和ESI-MS等进行详细的结构表征[12].采用Perkin Elmer Lambda 40 UV-可见分光光度计测试紫外可见吸收光谱，HITACHI F-2700 荧光分光光度计用于测试稳态发射光谱.

1.3 实验方法

分别配置2 μmol/L的1的乙腈溶液和3 mmol/L的金属水溶液.在测试1对不同金属离子的响应时，将50 μL的上述金属溶液滴加到3 mL上述1的乙腈溶液中.在竞争实验时，将20 μL的Cu2+水溶液滴加到3 mL1的乙腈溶液中，均匀混合2 min后，再分别加入100 μL所有测试的金属离子水溶液.

2 结果与讨论

2.1 紫外-可见吸收光谱

1的乙腈溶液在540 nm处显示一个对应于BODIPY生色基团S0→S1的跃迁的最大吸收峰，如图2所示.当分别加入Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Ba2+, Zn2+, Cd2+, Fe2+, Pb2+, Ni2+, Co2+, Hg2+, Ag+离子后，1的紫外可见吸收光谱基本没有变化；而加入Cu2+后，1的紫外可见吸收光谱发生了很大变化:540 nm处的最大吸收峰明显降低，636 nm处则出现一个新的强吸收峰.图3所示为Cu2+对1的滴定曲线。可见，随着Cu2+浓度的增加，1在540 nm处吸收峰的强度逐渐降低，同时636 nm处吸收峰的强度逐步增强.这一过程可以通过肉眼直接观察：随着Cu2+浓度的增加，1的乙腈溶液的颜色由原来的粉红逐渐变为蓝色.因此，1可以作为对Cu2+的比色传感器.

1的浓度为2 μmol/L，检测离子的浓度为50 μmol/L.图2 在1的CH3CN溶液中加入不同金属离子的紫外可见吸收光谱Fig. 2 UV-vis absorption of 1 in CH3CN upon addition of different metal ions

图3 不同浓度Cu2+ (0,0.5,1,2,4,6,8,12,16,20 μmol/L)存在下，1在CH3CN中的紫外可见吸收光谱Fig. 3 UV-vis absorption spectra of 1 in the presence of different concentrations of Cu2+ (0, 0.5,1,2,4,6,8,12,16,20 μmol/L) in CH3CN

2.2 荧光发射光谱

采用630 nm激发波长，考察在1的CH3CN溶液(2 μmol/L)中加入各种金属离子(50 μmol/L)时相应的荧光发射光谱的变化.如图4所示，1的乙腈溶液几乎没有荧光发射；分别加入Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Ba2+, Zn2+, Cd2+, Fe2+, Pb2+, Ni2+, Co2+, Hg2+, Ag+后，1与金属离子的混合物溶液依然没有荧光.这主要是因为1和1与金属离子的混合物在630 nm处几乎没有吸收.但当1的CH3CN溶液中加入Cu2+时，662 nm处出现了一个新而强的荧光发射峰.这表明，在630 nm波长激发下，1对于Cu2+具有很高的选择性.

图4 在1的CH3CN溶液中加入不同金属离子的荧光发射光谱 (λex = 630 nm)Fig. 4 Fluorescence emission spectra of 1 in CH3CN upon addition of different metal ions(λex = 630 nm)

图5 在1的CH3CN溶液中加入不同浓度Cu2+(0, 0.5, 1, 2,4, 6, 8, 12, 16, 20 μmol/L)的荧光发射光谱(λex=630 nm)Fig. 5 Fluorescence emission spectra of 1 in CH3CN upon addition of different concentrations of Cu2+(0, 0.5, 1,2, 4, 6, 8, 12, 16, 20 μmol/L) (λex=630 nm)

图5所示为1在不同Cu2+浓度存在条件下的荧光滴定实验.当激发波长为630 nm时，随着Cu2+浓度的增加，662 nm处的荧光强度也随着逐步增强.当Cu2+浓度增加到20 μmol/L时，1的荧光强度由原来的基线背景水平增加到最大的强度；进一步增加Cu2+浓度，荧光强度没有进一步增强.未络合的1几乎没有荧光发射，这可能是由于二(2-甲基吡啶)胺部分的氮原子和强缺电子BODIPY受体上的激发态发生了分子内电荷转移(ICT)过程导致了荧光淬灭.当1和Cu2+络合后，胺的供电子性减弱，抑制了ICT过程，从而提高了荧光发射强度.

激发波长：630 mm;发射波长：662 nm;F1+Cu：仅Cu2+存在时1的荧光信号；F1+Ca+M：Cu2+与其它竞争离子混合时1的荧光信号.图6 1和20 μmol/L Cu2+的CH3CN溶液中加入选择金属离子后的荧光响应Fig. 6 Fluorescence response of 1 containing 20 μmol/L of Cu2+ to the selected metal ions

2.3 竞争实验

为了进一步考察1是否可作为对Cu2+具有选择性的荧光探针，笔者研究了1的竞争实验.将100μmol/L的Na+,Mg2+,Ca2+,Ba2+,Cu2+,Zn2+,Cd2+,Fe2+,Pb2+,Ni2+,Co2+,Ag+，Hg2+分别加入到含20 μmol/L Cu2+的1的乙腈溶液中，检测这些金属离子加入后的荧光发射光谱，然后将其与仅含20 μmol/L Cu2+的1乙腈溶液的荧光光谱进行对比，考察这些金属离子的加入是否对仅含20 μmol/L Cu2+的1乙腈溶液在662 nm处荧光强度(I662)有影响.从图6可以看出：除了Ag+外，其它竞争离子的加入对Cu2+的检测几乎没有干扰或者只有很小干扰；而Ag+可以部分淬灭1-Cu2+的荧光发射.因此，除去Ag+，化合物1对于Cu2+的检测不受其它金属离子的影响，即使这些金属离子的浓度为Cu2+浓度的5倍.

3 结 论

本文报道了一个新的含有BODIPY和二(2-甲基吡啶)胺为识别基团的近红外荧光化学传感器1.在激发波长630 nm激发下，所有检测金属离子中仅有Cu2+导致1的乙腈溶液显示了一个很强的红色吸收峰，并且荧光发射有明显的增强.因此，1可以用于Cu2+的检测.

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SpectroscopicPropertiesofaNewBODIPYFluorescenceProbe

JIANG Lin, CAI Li-bo, ZHOU Huan, WANG Chan-juan,ZHANG Ming-fang, DONG Lin, YIN Shou-chun

(College of Material, Chemistry and Chemical Engineering, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036, China)

The paper designed and synthesized a new BODIPY near-infrared (NIR) fluorescent chemosensor1, and researched on the responses of1to different metal ions by UV-visible absorption spectra and fluorescence spectra. The results show that among all tested metal ions (Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Ba2+, Cu2+, Zn2+, Cd2+, Fe2+, Pb2+, Ni2+, Co2+, Hg2+, Ag+),1displays a high selectivity for Cu2+upon excitation at 630 nm in CH3CN. The addition of Cu2+causes the appearance of a strong red absorption peak at 636 nm and a strong emission peak at 662 nm in CH3CN of1. Meanwhile, because of the distinct color changes,1also can be used as the colorimetric senor for Cu2+.

BODIPY; fluorescence probe; Cu2+

2012-06-03

国家重大研究计划培育项目(91127032);国家自然科学基金项目(21174035);浙江省自然科学基金项目(Y4100287);浙江省新材料及加工工程省重中之重学科开放课题(20110943)；杭州师范大学优秀中青年教师支持计划项目(HNUEYT 2011-01-019).

尹守春(1976—)，男，副教授，主要从事超分子化学、光电功能高分子和荧光探针方面的研究.E-mail: yinsc@ustc.edu

10.3969/j.issn.1674-232X.2012.06.001

O657.39

A

1674-232X(2012)06-0481-04