荧光探针2-硼酸基苯甲醛-(2′-羟基-4′-磺酸基)萘腙的合成及对Pb2+的识别

肖 敏, 吴芳英， 吴生彪

(1.南昌大学化学系,江西南昌 330031;2.南昌大学共青学院，江西九江 332020)

铅是重金属污染中毒性较大的一种，一旦进入人体将很难排除，会对神经、造血、心血管、肾脏和内分泌等多个系统产生严重伤害[1]。当成人血液中铅的浓度达到400 μg/L时，就可确诊为职业性铅中毒；儿童血液中铅浓度超过100 μg/L时，就会对他们的身体造成危害。因此微量铅的测定[2 - 5]十分必要。常用的Pb2+定量测定方法有电感耦合等离子体质谱法[6]、电化学法[7]、原子吸收光谱法[8]和分子荧光光谱法[9]等。其中分子荧光光谱法以其低成本、高灵敏及简便快捷等优势成为检测Pb2+的重要手段，但在已报道的方法中多数为荧光猝灭[10]，而荧光增强的文献报道则相对较少，如Goswami等[11]合成了邻二氮杂菲类荧光受体；XIAO[12]等合成了喹啉腙衍生物；Tan等[13]合成了基于纳米金和脱氧核酶的荧光探针。它们均可结合Pb2+并出现荧光增强现象，由此建立了高选择性识别Pb2+的荧光传感体系。

图1 主体2-BBHSNH的结构图Fig.1 Structure of the host(2-BBHSNH)

硼酸衍生物具有低毒性及生物活性，其在糖类传感器[14]方面的研究报道比较常见。但硼酸类衍生物用于金属离子识别的文献报道还较少。本文设计合成了2-硼酸基苯甲醛-(2′-羟基-4′-磺酸基)萘腙衍生物(2-BBHSNH)(结构式见图1)。这种衍生物与前期合成的喹啉腙衍生物[12]相比，不仅保留了可与金属离子结合的位点和可增强与金属离子结合能力的硼酸基团，而且具有更好的水溶性，可实现水相中Pb2+的识别，据此建立了稳定的高选择性识别Pb2+的荧光传感体系，拓展了硼酸类衍生物在识别金属离子方面的应用。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Hitachi F-4600型荧光光谱仪；Shimadzu 2501PC型紫外-可见分光光度计；Bruker Avance 600 MHz核磁共振仪，溶剂为D2O-d6，以TMS为内标；Waters ZQ4000/2695型液-质联用仪；Nicolet 360 FT-IR光谱仪。

2-甲酰基苯硼酸购于Matrix Scientific公司(含量>97%)；1-氨基-2-萘酚-4-磺酸购于国药集团化学试剂有限公司；金属离子溶液均为对应的硝酸盐或硫酸盐(分析纯，上海青析化工科技有限公司)按常规法配制，浓度均为0.1 mol·L-1；pH=6.0的KH2PO4-NaOH缓冲溶液由0.1 mol·L-1NaOH和0.2 mol·L-1KH2PO4溶液按比例配制而成。其它所用试剂均为分析纯。实验用水为二次蒸馏水。

1.2 化合物2-BBHSNH的合成与表征

化合物2-BBHSNH的合成：称取邻甲酰苯硼酸0.15 g(0.001 mol)，以适量乙醇超声溶解完全。称取1-氨基-2-萘酚-4-磺酸0.24 g(0.001 mol)，用0.1 mol·L-1NaOH溶液使其溶解完全，再以36%乙酸中和至中性。将上述两种溶液混合于50 mL圆底烧瓶中，在温度80 ℃水浴条件下搅拌回流约3 h，有紫红色结晶物从溶液中析出，继续回流8～9 h，停止反应，冷却过滤，产物先后用95%乙醇和蒸馏水洗涤数次，自然干燥后得最终产品，产率约为20%。

制得的目标产物2-BBHSNH经1H NMR和质谱确认。C17H12BNNaO6S[M-H]-质荷比(m/z)为392.05，在质谱中，观察到了质荷比(m/z)为392.50处的[M-H]-质谱峰，可以推断合成得到目标产物2-BBHSNH。

2-BBHSNH的合成路线如下：

1H NMR(D2O,600 MHz)(ppm):5.568(s,1H,-CH=N-),7.068(t,3H,Ar-H),7.187-7.242(m,1H,Ar-H),7.355(s,1H,Ar-H),7.355(s,1H,Ar-H),7.468(t,1H,Ar-H),7.561(d,1H,Ar-H),7.710(d,1H,Ar-H),8.354(d,1H,Ar-H)

1.3 主体化合物2-BBHSNH储备液的配制

称取0.0046 g的主体化合物2-BBHSNH，用蒸馏水溶解后转移到25 mL容量瓶中定容，配成5.0×10-4mol·L-1的储备液。

2 结果与讨论

图2 主体2-BBHSNH及加入各种金属离子后的荧光光谱图(a)和荧光强度变化图(b)Fig.2 Fluorescence spectra(a) and intensity change(b) of the host 2-BBHSNH in the presence and absence of various metal ions The concentrations of the host 2-BBHSNH and metal ions are 5.0×10-6 mol/ L and 1.0×10-4 mol/ L,respectively.Reference solution is pH=6.0 KH2PO4-NaOH,λex =450 nm.

2.1 金属离子对主体化合物(2-BBHSNH)荧光光谱的影响

图2显示了不同金属离子存在时主体化合物2-BBHSNH的荧光光谱及荧光强度的变化。由图可见，当加入20倍于主体浓度的Pb2+时，荧光强度增强了8倍，而加入同等量的其它金属离子时光谱变化较小且趋势不同，如Cu2+、Mn2+使其荧光强度略有增强，而加入Cd2+、Zn2+、Ag+、Fe3+、Ca2+、Co2+、Ni2+、Hg2+以及碱金属离子和碱土金属离子时主体2-BBHSNH的荧光光谱变化较小，表明主体2-BBHSNH对Pb2+具有高选择性光谱响应。

2.2 主体2-BBHSNH与Pb2+配合物的吸收光谱及结合常数的测定

图3为不同浓度Pb2+存在时主体2-BBHSNH在pH=6.0的KH2PO4-NaOH缓冲液中吸收光谱的变化。由图可见，主体2-BBHSNH在溶液中最大吸收波长为520 nm，摩尔吸光系数为2.03×103L·mol-1·cm-1，Pb2+的加入使主体2-BBHSNH的最大吸收波长移至595 nm，但摩尔吸光系数降低；同时在419、450、578 nm处出现3个等吸收点。吸收光谱的剧烈变化表明了主体2-BBHSNH与Pb2+金属配合物的形成。

依据主客体结合模型[15]，采用紫外-可见光谱滴定数据并结合下式计算主客体的结合常数与结合比：

H+nG=HGn

(1)

ln[(A0-Ae)/(Ae-A∞)]=nlnc0+lnKs

(2)

式中，H代表主体，G代表客体，n为二者的结合比，A0为无客体存在时主体试剂的初始吸光度，Ae为主体试剂与客体结合后的吸光度，A∞为主体试剂与客体结合后的饱和吸光度，Ks为结合常数，n为结合比。拟合曲线见图4。

图3 Pb2+不断加入主体2-BBHSNH的吸收光谱Fig.3 Absorption spectra of the host 2-BBHSNH(5.0×10-5mol/L) upon the addition of Pb2+The concentration of Pb2+ according to the direction of arrow in turn is:0,0.05,0.10,0.15,0.25,0.30,0.40,0.50,0.60,0.70 and 0.80(×10-5 mol·L-1),respectively.Reference solution is pH=6.0 KH2PO4-NaOH.

图4 ln[(A0-Ae)/(Ae-A∞)]对lncpb2+的拟合曲线图Fig.4 Plot of ln[(A0-Ae)/(Ae-A∞)] vs.lncPb2+

图5 2-BBHSNH与Pb2+可能的结合模式图Fig.5 Proposed binding model between the host 2-BBHSNH and Pb2+

由图4中的斜率与截距计算出主体2-BBHSNH与Pb2+的配位数n及结合常数Ks，该体系的n值接近于1，与Job-Plot实验方法采取等摩尔连续变化法(保持主体2-BBHSNH与Pb(NO3)2溶液的总浓度为5.0×10-5mol·L-1，从0.0到1.0逐渐增加Pb2+的摩尔分数配制不同的溶液，测定荧光光谱，绘制Job-plot曲线)测定结果一致。故认为识别过程中主客体间形成了1∶1型配合物；结合常数为43 028.16 L·mol-1，由于邻位硼酸基团参与铅配合物的配位，故使其配位能力增强，该配合物可能的结合模式如图5所示。

2.3 2-BBHSNH用于Pb2+的测定

2.3.1工作曲线在pH=6.0的KH2PO4-NaOH缓冲溶液中，以激发波长为450 nm，发射波长为568 nm，其相对荧光强度△F(△F=F-F0,F为配合物荧光强度，F0为试剂的荧光强度)与Pb2+浓度呈线性关系，Pb2+的线性范围为5.0×10-7～1.0×10-4mol·L-1，校正方程为：△F=1.890c(μmol·L-1)+1.977，相关系数R=0.9983，检出限为9.7×10-8mol·L-1。

2.3.3水样中Pb2+的检测采用标准加入法，运用本实验方法对前湖校区湖水样品中的Pb2+进行测定，结果见表1，回收率在111%～116%范围内。

表1 前湖校区湖水样品中的Pb2+ 测定结果(n=5)

3 结论

合成了2-硼酸基苯甲醛-(2′-羟基-4′-磺酸基)萘腙衍生物(2-BBHSNH)，该化合物显示出对Pb2+高选择性光谱响应，两者形成1∶1型发光配合物。采用荧光光谱法和紫外吸收法研究了主体2-BBHSNH与Pb2+的相互作用。采用紫外-可见光谱滴定数据计算了主体2-BBHSNH与Pb2+的结合常数，结合常数显示出主体2-BBHSNH与Pb2+的结合能力强，可能源于邻位硼酸基团参与了Pb2+的配位作用，使得配合物稳定性增强，据此建立了测定Pb2+的新方法。该研究不仅拓展了硼酸类荧光传感器在测定金属离子方面的应用,而且因主体分子具有极好的水溶性，抗菌、抗病毒等生物活性，把它作为一种对环境友好型的Pb2+荧光传感器，具有很好的应用前景。