罗丹明类荧光探针的合成及在铜离子测定中的应用

王尚芝，郭 永，冯 锋，梁俊杰，李 平，孟双明*

(山西大同大学化学与化工学院，山西大同037009)

人体中微量元素铜，在生命过程中具有非常重要的作用，对肿瘤血管生长因子也起着重要调节作用[1]，但高浓度的铜可能有害健康[2]。因此，检测铜元素的含量是非常有必要的。

目前，检测Cu2＋的主要方法有原子吸收光谱法[3]、原子发射光谱法[4]、电化学法[5]、荧光光谱法[6]等。其中荧光法因检出限低、操作简单和高选择性，已得到了广泛的关注[7-8]。由于二价铜离子是d9结构顺磁性离子，对荧光具有较强的猝灭性，大多数报道的铜离子荧光分子探针都是猝灭型的，由于在探针识别客体时荧光猝灭不利于高通量信号输出，所以开发高灵敏、高选择性的荧光增强型铜离子荧光分子探针具有重要意义。

我们合成了一个新的苯甲醛-罗丹明类铜离子荧光增强型分子探针，并就探针的光谱特性及对铜离子的选择性识别作用进行了研究。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

试剂主要有罗丹明B、乙腈、80%水合肼、无水乙醇、3，4-二甲氧基苯甲醛等。实验用水为超纯水(18 MΩ·cm)，其他试剂均为分析纯。

图1 化合物2和1的合成

金属离子标准溶液：均由其硝酸盐以水溶解制备。

化合物1的标准溶液：准确称取一定量的化合物1溶于乙腈中，配制成1.0×10-3mol/L化合物1储备液。

实验仪器主要有：SHZ-D(Ⅲ)循环水式真空泵(巩义市予华仪器有限公司)，ADP31型真空烘箱 (日本yamato公司)，精密烘箱 (DX-400型，日本yamato公司)，RE200型旋转蒸发仪，ZF-20C暗箱式紫外分析仪(上海宝山顾村电光仪器厂)，LS-55型荧光/磷光/发光分光光度计(美国PerkinElmer公司)。

1.2 实验过程

1.2.1 化合物 1 和 2 的合成

化合物1的合成过程见图1。中间体化合物2是根据文献[9]报道的方法合成。在50 mL容量瓶中，加入0.456 g(1 mmol)中间体化合物2并用20 mL 无水乙醇溶解。然后加入 0.159 g(1.5 mmol)3，4-二甲氧基苯甲醛。将混合物加热回流约8 h后，冷却溶液，加入20 mL水，有沉淀生成，过滤并用10 mL体积比为1∶1的水和无水乙醇的水溶液洗涤3次。减压干燥后，得到棕色固体。

1.2.2 荧光光谱的测定

在10 mL容量瓶中加入5.0 mL乙腈、0.5 mL储备液和一定体积的Cu2＋溶液，用水稀释至刻度，摇匀，将溶液放置1.5 h后，用1 cm的石英比色皿，以550 nm为激发波长，记录溶液在555～640 nm波长范围内的荧光光谱。

2 结果与讨论

2.1 荧光光谱

按照1.2.2配制含不同铜离子的溶液，对化合物1进行荧光和紫外光谱测定。图2显示在未加入铜离子时荧光强度很弱，表明在这种情况下化合物1的螺酰胺环处于关闭状态[10]。当加入Cu2＋后，荧光强度增大，并随铜离子浓度的增加增大，最大发射荧光波长由571 nm红移到584 nm。溶液由无色变为桃红色。铜离子浓度在2.8×10-7～2.8×10-5mol/L与荧光强度呈良好的线性关系。线性回归方程为ΔF=241.75 C ＋ 1.39 (C 的单位是 10-6mol/L)，相关系数 R=0.999 4。

图2 Cu2+与化合物1络合物的荧光光谱

图3 Cu2+与化合物1络合物在CH3CN中的紫外吸收

2.2 反应时间的影响

对含 5 μmol/L 化合物 1 和 28 μmoL/L Cu2＋的10 mL的乙腈溶液(CH3CN/H2O体积比1∶1)，在室温下测定荧光强度随反应时间的变化情况，图4显示化合物1与铜离子的反应在1.5 h后趋于稳定。

2.3 pH 值的影响

介质酸度对化合物1乙腈体系的荧光强度有很大的影响。如图5所示，在强酸性介质中，由于罗丹明的强质子化，罗丹明衍生物发生开环并造成化合物1在555 nm处荧光强度增加。当pH值大于5.33时，溶液变为无色又几乎无荧光，实验选择CH3CN/H2O(体积比1∶1)体系进行测试。

图4 Cu2+和化合物1的络合物的荧光强度随时间的变化

图5 pH值对探针荧光强度的影响

2.4 选择性研究

将5.0 mL乙腈和0.5 mL化合物1加到10 mL的容量瓶中，然后分别加入2.8×10-6moL/L Na＋，K＋，Ca2＋，Mg2＋，Zn2＋，Ag＋，Cd2＋，Hg2＋，Al3＋，Co2＋，Ni2＋，Pb2＋，Fe3＋和 Cu2＋。发现加入 Cu2＋后溶液立刻变为红色。其他金属离子对化合物1影响很弱，该荧光试剂对铜离子有很高的选择性(图6)。

图6 化合物1的离子选择性

2.5 化合物1与铜离子的反应机理

根据文献[10]推测，探针与Cu2＋的反应机理应该如图7所示。

图7 Cu2+与化合物1的反应方程式

3 结论

合成的新型的罗丹明类衍生物，作为荧光试剂在乙腈/水溶液中呈现出对Cu2＋很好的选择性，可以作为检测Cu2＋的化学传感器，同时，利用此性质可以建立检测罗丹明衍生物的新方法。

[1]Blair B G，Larson C A，Adams P L，et al.Copper transporter 2 regulates endocytosis and controls tumor growth and sensitivity to cisplatin in vivo[J].molecular pharmacol，2011，79(1)：157-166.

[2]Bertinato J，Zouzoulas A.Considerations in the Development of Biomarkers of Copper Status[J].J AOAC International，2009，92(5)：1541-1550.

[3]王瑜.壳聚糖富集火焰原子吸收法测定水中痕量铜[J].分析化学，2005，33(6)：872-874.

[4]Otero-Romanl J，Moreda-Pin~eiro A，Bermejo-Barrera P A.Evaluation of commercial C18 cartridges for trace elements solid phase extraction spectrometry determination[J].Anal Chim Acta，2005，536(1-2)：213-218.

[5]Beni V，Ogurtsov V I，Bakunin N V，et al.Development of aportable electroanalytical system for the stripping voltammetry ofmetals：determination of copper in acetic acid soil extracts[J].Anal Chim Acta，2005，552：190-200.

[6]Yu M，Shi M，Chen Z，et al.Highly Sensitive and Fast Responsive Fluorescence Turn-On Chemodosimeter for Cu2＋and Its Application in Live Cell Imaging[J].Chemistry，2008，14(23)：6892-6900.

[7]Ha N K，Seong W N，Swamy K M K，et al.Rhodamine hydrazone derivatives as Hg2＋selective fluorescent and colorimetric chemosensors and their applications to bioimaging and microfluidic system[J].Analyst，2011，136：1339-1343.

[8]王晓春，刘晓端，杨永亮，等.罗丹明类荧光探针在重金属和过渡金属离子检测中的应用[J].光谱学与光谱分析，2010，30(10)：2693-2699.

[9]Zeng X，Wu C，Dong L，et al.A new tripodal rhodamine B derivative as a highly selective and sensitive fluorescence chemosensor for copper(II)[J].Sience in China Series B：Chemistry，2009，52(4)：523-528.

[10]袁跃华，冯锋，田茂忠，等.罗丹明类荧光探针的合成及对铜离子的检测[J].高等学校化学学报，2011，32(1)：62-66.