一种三角架结构的罗丹明-Cu2+ 比色探针研究＊

余 梅，牟 兰，曾 晞*，卫 钢

(1.贵州大学 化学与化工学院，贵州省大环化学及超分子化学实验室，贵州 贵阳 550025;2.澳大利亚联邦科学与工业研究组织，制造业旗舰，新南威尔士州 悉尼2070)

以氮为中心原子的三角架结构分子，由于其三条柔性链可自由翻转，调控合适的空腔，以适应不同分子、离子的结合。同时，三条侧链通过缩合反应很容易进行修饰，侧链取代基的多样性，使其具有丰富多变的立体配位结构，表现出优良的识别配位性能。文［1］报道由三氨乙基胺与三个羟基芘甲醛缩合得到的三角架探针，通过比率吸收识别钒酸四聚体;文［2］在三角架结构中分别引入吡啶、8-氨基喹啉及蒽荧光团得到Zn2+的荧光探针。文［3］利用三氨乙基胺与罗丹明、丹酰氯或对甲苯磺酰氯分步缩合得到支链不同的三角架荧光探针，在含水10%的乙腈中性溶剂中识别Cu2+;文［4］在罗丹明二乙基三胺上引入2-羟基萘甲醛，得到同时响应Cr3+和Fe3+的荧光探针。文［5］用亲水的酰胺基连接2-氨基吡啶和罗丹明得到一种完全溶于水的Fe3+荧光探针。利用罗丹明的螺环和开环两种互变结构，实现对离子的可视检测是该类探针的设计思想。本课题组也报道了以三乙醇胺构建的系列罗丹明三角架型的Cu2+、Hg2+荧光探针［6－7］。

作为课题组在三角架荧光探针研究工作的延续，本文以三乙醇胺为三角架结构平台，在其三个侧链上分别用2，4-二羟基苯甲醛将罗丹明B 酰肼连接，对三个侧链羟基进行修饰，制备得到三角架结构的罗丹明探针(s4)。作为检测微量金属离子的比色探针，表现出对Cu2+的高灵敏、高选择识别，且在中性水溶性介质中实现对合成水样中微量Cu2+的检测。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Ultrospec 5300 pro 紫外－可见分光光度计(Amersham Biosciences);JEOL ECX-500 核磁共振仪(日本电子株式会社);质谱HP579-MSFD(美国惠普公司);Vertex 70 FT-IR 红外光谱仪(德国Bruker);X-5 数字显示显微熔点测定仪(北京泰克仪器有限公司，温度未校正)。

1.2 合成

探针s4 的合成路线如图1。中间体a 和罗丹明B 酰肼参照文献［8－9］合成，探针s4 通过中间体a 和罗丹明B 酰肼分子间缩合反应即可制得。

图1 探针s4 的合成路线

氮气保护下，于装有30 mL 无水甲醇/无水氯仿(v/v，1/1)的100 mL 圆底烧瓶中加入中间体a(0.5 g，0.9 mmol)，搅拌下滴加过量的罗丹明B 酰肼(1.5 g，3.2 mmol)的30 mL 无水甲醇/无水氯仿(v/v，1/1)溶液，滴加完毕，加入1 mL 冰乙酸。回流24 h，TLC 跟踪反应进程。蒸干溶剂，得红色粘稠物，向其中加入20 mL 甲醇，超声波震荡后产生沉淀。将沉淀物过滤，用甲醇洗涤，真空干燥，得淡红色固体s4，产率78%。mp:184～187 ℃;1H NMR(500 MHz，CDCl3)，δ(ppm):1.14(t，36H，NCH2CH3，J=6.9 Hz)，3.01 (d，6H，NCH2CH2O，J=5.2 Hz)，3.32 (d，24H，NCH2CH3，J=6.9 Hz)，3.96 (d，6H，NCH2CH2O，J=5.2 Hz)，6.25～6.32(m，12H，Xanthene-H and ArH，J=8.6 Hz)，6.46～6.51(m，12H，Xanthene-H，J=8.6 Hz)，6.91(d，3H，ArH，J=8.6 Hz)，7.17 (d，3H，ArH，J=7.5 Hz)，7.51(t，6H，ArH，J=6.0 Hz)，7.96(d，3H，ArH，J=6.8 Hz)，9.18(s，3H，－CH=N)，10.99(s，3H，－OH);13C NMR (CDCl3)，δ(ppm):12.73，44.45，55.83，66.60，66.75，98.03，101.93，105.64，106.94，108.13，112.36，123.27，124.23，128.27，130.52，132.67，149.10，150.68，153.48，153.73，160.59，161.49，164.04;ESI-MS:m/z 1825.6［M+2H］+。

1.3 实验方法

1.3.1 标准溶液配制

探针s4 储备液(1.00×10－4mol·L－1):称取17.8 mg s4 用DMF 溶解，配制成100 mL 溶液。Cu2+储备液(1.00×10－2mol·L－1):称取241.5 mg Cu(NO3)2·3H2O，DMF 溶解，配制成100 mL 溶液。其它金属离子配制方法相同。实验用水为二次蒸馏水。Tris-HCl 缓冲溶液(5.00×10－3mol·L－1，pH 6):取0.05 mol·L－1Tris 及适量的HCl相混合，调节pH 值至所需。

1.3.2 光谱测量

在10.0 mL 容量瓶中依次加入探针s4 储备液(1.00×10－4mol·L－1，0～8.0 mL)，Tris-HCl 缓冲溶液(5.00×10－2mol·L－1，0～2.0 mL)，Cu2+储备液(2.00×10－3mol·L－1，1mL)或其他金属离子。用DMF/H2O(1/1，v/v)溶液稀释至刻度，摇匀，超声震荡3 min，进行光谱测定。

2 结果与讨论

2.1 光谱性质

通过考察不同溶剂中探针s4 的光谱性质，筛选出DMF/H2O(1∶1，v/v，pH 6)为测试的最佳介质条件。在此条件下进行紫外－可见光谱扫描，探针s4 溶液无明显的紫外－可见吸收。金属离子(40 μm)Cu2+，Cr3+，Ca2+，Cd2+，Mg2+，Na+，Co2+，Ni2+，Mn2+，Hg2+，Fe3+，K+，Sr2+，Zn2+，Al3+分别加入探针s4(2 μm)溶液中，只有Cu2+的加入能使探针s4 溶液颜色立即由无色变为紫红色，在558 nm 处产生强烈吸收，探针对Cu2+表现出高选择性识别作用，而其他金属离子均不能引起探针s4 的颜色和吸光度变化(图2)。

图2 探针s4(2 μm)对金属离子(40 μm)的紫外-可见吸收光谱(其他金属离子X:Cr3+，Ca2+，Cd2+，Mg2+，Na +，Co2+，Ni2+，Mn2+，Hg2+，Fe3+，K +，Sr2+，Zn2+，Al3+)

改变Cu2+浓度对探针s4 溶液进行的光谱滴定显示，随着Cu2+浓度的增大，探针s4 溶液的紫红色逐渐加深，在558 nm为最大吸收波长下测定的吸光度值逐渐增大。测定Cu2+浓度对探针s4溶液(2 μm)的吸收增强校准曲线，在Cu2+浓度为2.0×10－7～1.6×10－5mol·L－1范围内，吸光度与Cu2+浓度呈线性相关，相关系数R=0.9985(n=12)，检出限为1.052×10－7mol·L－1(n=10)，平行测定5 次1.40×10－5mol·L－1Cu2+与探针s4(2.00×10－6mol·L－1)溶液的相对标准偏差为3.57%。

在2 μm 的探针s4 和40 μm 的Cu2+混合溶液中分别加入其它金属离子作为共存干扰离子，测定共存离子加入前后对探针s4 检测Cu2+吸光度值的影响(图3)。结果表明，吸光度的偏差在5%以内时，探针s4 对Cu2+的检测几乎不受其它实验金属离子的干扰。共存金属离子量相当于Cu2+浓度倍数分别为:Ca2+，Mg2+，Na+，K+为100 倍;Mn2+，Hg2+，Sr2+，Ni2+为50 倍;Fe3+，Al3+为5 倍;Cr3+，Cd2+，Co2+，Zn2+为1 倍。

图3 干扰离子影响(灰色条代表探针s4(2 μm)中加入Cu2+离子(40 μm)的吸光度变化，黑色条代表在探针s4-Cu2+配合物中，再分别加入其他金属离子的吸光度强度变化。其他金属离子:Cr3+，Ca2+，Cd2+，Mg2+，Na +，Co2+，Ni2+，Mn2+，Hg2+，Fe3+，K +，Sr2+，Zn2+，Al3+)

用EDTA 考察了探针识别Cu2+的可逆性质。由图4 可见，在558 nm 处探针s4(2 μm)溶液本身基本无可见吸收，呈无色透明，加入3 倍量的Cu2+后在该波长处有强吸收，溶液立即变为紫红色，表明探针Cu2+对有良好响应;再加入与Cu2+等量的EDTA 后溶液再次变为无色透明，可见吸收消失，表明Cu2+已被EDTA 全部络合，探针重新游离出来;在该溶液中再次加入3 倍量的Cu2+后，溶液再次变为紫红色，说明重新游离出来的s4 仍可以与Cu2+作用形成配合物。结果证明，该探针与Cu2+的结合是一个可逆过程，探针具备循环使用的特征。

2.2 配合作用的机理

图4 配合物s4-Cu2+(DMF/H2O，1/1，v/v，pH 6)溶液中加入络合剂EDTA 前后的光谱图((a)s4(2 μm);(b)s4(2 μm)+Cu2+(6 μm);(c)s4(2 μm)+Cu2+(6 μm)+EDTA(6 μm);(d)s4(2 μm)+Cu2+(6 μm)+EDTA (6 μm)+Cu2+(6 μm))

用KBr 压片法分别测定了探针s4、s4-Cu2+的红外光谱图。Cu2+的加入使得s4 中的酰胺基氧吸收峰(1693 cm－1)移动到1592 cm－1处，说明酰胺基氧原子参与了s4 对Cu2+的配合。1H NMR 核磁测定谱如图5，加入Cu2+后探针s4 分子中的罗丹明基团的质子峰(Hc，Hd，He，Hf，Hg，Hh和Hi)均变宽，且均向低场移动(Δδ=0.071，0.049，0.043，0.117，0.077，0.146 ppm)，说明罗丹明基团的电子密度降低，证明Cu2+与探针s4 中的酰胺基作用，引起了罗丹明螺环开环，从而引起吸收强度变化;苯环上的羟基质子峰(Ha)及CH=N 上的质子峰(Hb)均显著减小，说明探针s4 结构中的羟基及CH=N 均在s4-Cu2+配合物的形成过程中发挥作用。识别机理与前期文献［7］报道一致。

图5 探针s4(a)及s4-Cu2+(b)在CDCl3/CD3CN(4/1，v/v)中的1H NMR 谱图

2.3 水样中Cu2+的测定

在上述测试条件下，用探针s4 对自来水、湖水等合成样品中Cu2+进行标准加入法测试，见表1。结果显示各样品的检测回收率在95%～105%之间，回收率良好，可作为实际样品中Cu2+的检测方法。

表1 污染水样品中检测Cu2+

(A)自来水和湖水样品的合成:Cu2+(10 μm)，s4(2 μm);(B)自制样品1 的合成:Cu2+(10 μm)，s4(2 μm)，样品中各离子浓度:Cd3+(10 μm);Fe3+(50 μm);Al3+(50 μm);Ni2+(200 μm);Mn2+(500 μm);Hg2+(500 μm);Ca2+(1000 μm);(C)自制样品2 的合成:Cu2+(10 μm)，s4(2 μm)，样品中各离子浓度:Cr3+(10 μm);Al3+(50 μm);Ni2+(200 μm);Mn2+(500 μm);Sr2+(500 μm);Mg2+(1000 μm)。条 件:DMF/H2O，1/1，v/v，pH 6。

3 结果与讨论

三角架结构的探针由于三个柔性臂及连接的基团，提供了与特定金属离子配合的适合空间及作用位点，因而能够获得不同性能的探针。本文报道的三角架型罗丹明探针在分子结构上与前期研究报道有相似性，但由于羟基与罗丹明基团之间连接中间体的结构变化，导致识别性能与已报道的探针相比呈现差异。(1)作为Cu2+比色探针表现出了非常优越的选择性，包括Hg2+、Fe3+及Co2+等离子的共存干扰均很小;(2)作为裸眼可视检测的比色探针，颜色变化敏锐且响应极快。可见吸收检测灵敏性高，检测限达1.052×10－7mol·L－1;(3)良好的水溶性及中性介质测量条件，且可循环使用，将在实际样品检测上显示良好的应用潜力。

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