罗丹明-乙二胺类荧光探针的合成及对Hg2+识别研究*

杨 杨，高超颖，郑秋颖，张 丽，陈 静，刘景林

（内蒙古民族大学化学化工学院，内蒙古通辽028000）

罗丹明-乙二胺类荧光探针的合成及对Hg2+识别研究*

杨 杨*，高超颖，郑秋颖，张 丽，陈 静，刘景林

（内蒙古民族大学化学化工学院，内蒙古通辽028000）

基于罗丹明螺内酰胺在金属离子诱导下发生开环的机理，以罗丹明B和乙二胺缩合反应得到一种罗丹明酰乙二胺类探针分子RbEA。通过紫外光谱法和荧光光谱法研究了探针RbEA在乙醇-Tris缓冲溶液中与金属离子的识别特性。结果表明探针RbEA可选择性比色和荧光识别汞离子，体系的吸收和荧光强度与汞离子浓度具有较好的线性关系，等物质的量连续变化法实验显示探针与汞离子形成1：1的配合物。

荧光探针；汞离子识别；比色响应；荧光响应

随着工业化尤其是电子业的发展，大量含Hg2+、Pb2+、Cd2+、Cr3+等重金属离子的污染物被排放到环境中，已经成为危害人类的一个世界问题。虽然现代仪器分析手段已经很成熟的检测上述离子，但是由于仪器运行成本较高、使用维护繁琐，只被专业检测机构所采用［1，2］。荧光探针技术具有灵敏度高、选择性好、检测方便、成本低廉等特点，在众多检测手段中脱颖而出，成为环境分析和生命科学领域研究的热点［3］。罗丹明类荧光染料具有光稳定性好、量子产率高、对酸碱不敏感等特点，成为荧光探针的设计的首选材料［4-8］。本文在前期离子型荧光传感器研究工作的基础上［9，10］，利用罗丹明螺内酰胺母体在金属离子诱导下发生开环的机理，将罗丹明B和乙二胺缩合得到了罗丹明探针分子RbEA。通过与汞离子配位前后的紫外-可见吸收光谱和荧光发射光谱的波长变化，实现了对环境中汞离子目视比色分析和荧光定性、定量分析检测。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

仪器：TU-1901型双光束紫外可见分光光度计，谱析通用仪器；JASCO FP-6500型荧光分光光度计，日本分光公司；Nicolete-5700型红外光谱仪，美国热电尼高力仪器；Bruker AVANCE-300M核磁共振光谱仪，德国布鲁克分析仪器。

实验材料：罗丹明B，乙二胺，无水乙醇均为市售分析纯，金属硝酸盐为结晶水合物，蒸馏水为二次蒸馏制得。

1.2 探针的制备

1.2.1 荧光探针RbEA的合成

按照文献报道的方法［11］合成了探针RbEA。准确称量罗丹明B（2.22 g，5 mmol）于50 mL的圆底烧瓶中，加入30 mL无水乙醇将其溶解，加入2 mL乙二胺，磁力搅拌下将反应液回流过夜。当罗丹明颜色褪去后，停止反应。将反应液逐渐冷却至室温，倾倒入饱和食盐水中，二氯甲烷萃取，无水硫酸镁干燥浓缩后进行柱层析分离（展开剂为石油醚：乙酸乙酯=5∶1）得白色粉末，即为罗丹明酰乙二胺RbEA，产率约为65%。1H NMR（300 MHz，CDCl3）δ 7.89（d，J= 10.9 Hz，1H），7.52-7.38（m，2H），7.09（d，J=3.4 Hz，1H），6.42（d，J=8.8 Hz，2H），6.36（d，J=2.5 Hz，2H），6.27（dd，J=8.9，2.6 Hz，2H），3.33（q，J=7.1 Hz，8H），3.26（d，J=5.8 Hz，2H），2.71（t，2H），1.16（t，J=7.0 Hz，12H）.IR（KBr，cm-1）：ν=3426，2967，2925，1690，1634，1614，1515，1380，1218，1118，820，787。

1.2.2 罗丹明荧光探针溶液制备和检测

将化合物RbEA用乙醇配成1.0×10-4mol/L储备溶液，测试前用乙醇-Tris（体积比为8∶2，pH=7.4）混合液将上述储备液稀释为1.0×10-5mol/L；金属盐用去离子水配成1×10-2mol/L溶液。取3 mL样品液于比色皿中，测定紫外-可见吸收光谱和荧光光谱。

测试条件：室温，样品池为1 cm×1 cm×4 cm石英比色皿，荧光光谱以λex=550 nm为激发波长，扫描560 nm～680 nm波长范围内的荧光发射光谱，狭缝为1 nm。

1.3 样品测定

1.3.1 探针对汞离子的比色检测

为测试探针RbEA对金属离子的选择性，首先进行裸眼比色检测实验。探针RbEA本体溶液无色，无荧光发射。当加入Hg2+后，溶液颜色迅速变为粉红色，在365 nm紫外灯照射下，出现较强的红色荧光。在相同条件下，其它金属离子如：Mg2+、Ca2+、Fe2+、Fe3+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+，Cd2+、Pb2+、Ag+均无明显响应。

1.3.2 探针检测条件

通过对探针在580 nm处荧光强度的时间扫描光谱测试，发现加入Hg2+后探针溶液荧光强度与反应时间成正比关系，在20 min后荧光强度达到最大值。这表明探针RbEA对Hg2+的选择性检测最佳时间为20 min。因此，在吸收和发射光谱的选择性和干扰、滴定测试中，一般加入金属离子20 min后记录光谱数据。

2 结果与讨论

2.1 测定结果

2.1.1 紫外-可见光谱法研究结果

为了定量分析探针对相关离子的选择性，选取可见光区（450 nm～650 nm）进行了吸收光谱选择性的测定。实验结果如图1所示，空白探针溶液和在加入Mg2+、Ca2+、Fe2+、Fe3+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+、Pb2+、Ag+等离子时，557 nm处的吸收强度均低于0.05，此时探针溶液无明显颜色变化。当加入Hg2+后，探针RbEA在557 nm处的吸收强度迅速增加到0.4，溶液的颜色由无色变为粉红色，这是由于Hg2+诱导探针螺环结构打开所致。

图1 探针RbEA的吸收选择性和干扰实验

探针的吸收光谱干扰试验如图1插图所示：当Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+、Pb2+、Ag+离子存在时（黑色柱状图），再向混合体系中加入Hg2+（红色柱状图），557 nm处的吸收强度均接近0.4，溶液颜色迅速变为粉红色。该结果表明在其他离子共存条件下，探针RbEA对Hg2+的识别几乎不产生干扰，探针RbEA可高选择性的识别Hg2+并具有较强的抗干扰能力。

图2 探针RbEA的吸收滴定光谱

为了更好研究探针RbEA对不同浓度的Hg2+的响应能力，进行了紫外-可见吸收光谱的汞离子滴定实验（图2）。当Hg2+体积为0时，探针螺环结构未开启，此时溶液无色、无吸收。随着加入Hg2+体积的逐渐增大（1 μL～120 μL），在556 nm处的吸收光谱强度逐渐增强，并随汞离子浓度的改变呈现较好的线性关系，通过拟合得到线性回归方程y=0.003 56x-0.003 8（线性相关系数：R=0.997 5）。这表明探针RbEA可用来定量检测Hg2+的浓度。

2.1.2 荧光光谱法研究结果

探针RbEA的荧光选择性实验在550 nm的光源激发下测定探针溶液荧光光谱的变化。结果如图3所示，空白探针溶液的波长大于500 nm处无明显荧光发射，而当溶液中存在Hg2+时，探针在578 nm处荧光强度迅速增强至370。在相同条件下，除了Fe3+加入后出现了微弱的荧光变化（强度约为30），其它金属离子均无响应。这些数据表明探针RbEA在排除Fe3+产生的荧光干扰后，对Hg2+具有较高的识别能力。

图3 探针RbEA的荧光选择性

图4为荧光探针RbEA随Hg2+体积逐渐增大荧光发射光谱的变化。光谱数据显示，随着Hg2+浓度的逐渐增大，荧光强度在578 nm处不断增强，溶液颜色也从无色逐渐变为粉红色，裸眼即可方便地定性分辨出溶液中是否含有Hg2+。当过量的Hg2+存在时，RbEA溶液的荧光发射强度仍有所增加，但其增加趋势逐渐减弱，表明探针与Hg2+存在着良好的络合作用。利用578 nm处的光谱滴定数据进行Poly⁃nomial拟合，其线性相关系数R=0.996，如图4插图所示，当Hg2+体积为0～200 μL范围内，与荧光强度具有良好的线性关系。

图4 探针RbEA的荧光滴定光谱

2.2 荧光探针检测机理

为了进一步确定Hg2+与探针RbEA之间的配位比，采用等物质的量连续变化法［12］（Job’s plot）进行分析。试验中将探针RbEA与Hg2+的总浓度保持10-4mol/L不变。从图5可以看出，随着Hg2+摩尔分数的不断变化，探针RbEA在最大发射波长处的荧光强度随之变化。当Hg2+的摩尔分数为0.5时，探针溶液荧光响应强度最大，表明探针RbEA与Hg2+的络合比是1∶1。

图5 探针RbEA和Hg2+的工作曲线测试

根据探针与汞离子作用的现象，我们推测其识别过程为：在加入Hg2+之前，探针分子为螺内酰胺结构，整个分子的平面性较高，此时溶液无色、无荧光。当探针检测到汞离子后，酰胺的N和O结合位点与Hg2+进行配位，分子的螺内酰胺环打开，光诱导电子转移过程受阻，溶液颜色由无色变为粉红，同时产生明显的荧光变化。

图6 探针RbEA与Hg2+可能的配位机理

3 结论

本文基于金属离子诱导罗丹明螺内酰胺开环反应特性，合成了罗丹明酰乙二胺类荧光探针分子RbEA，并利用核磁共振氢谱和红外光谱对其结构进行表征。在乙醇-Tris（V∶V=8∶2，pH=7.4）溶液中，探针RbEA与汞离子配位后紫外-可见吸收光谱和荧光发射光谱发生明显变化，溶液颜色由无色变为粉红并伴随着红色荧光发射。通过等物质的量连续变化法实验测试，当Hg2+摩尔分数为0.5时荧光出现最大值，说明RbEA-Hg2+的络合比为1∶1。该探针能快速、高效地比色和荧光识别Hg2+，在土壤和水体中的汞离子检测具有一定的价值。

［1］孙启永，张文，赵炎，等.基于微电极阵列和无线传感器网络的水环境重金属检测系统研究［J］.传感技术学报，2013，26（7）：907-911.

［2］王旭，哈达，张文，等.基于光寻址电位传感器的水环境重金属无线检测仪器设计［J］.传感技术学报，2014，27（1）：6-11.

［3］Quang D T，Kim J S.Fluoro-and Chromogenic Chemodosimeters for Heavy Metal Ion Detection in Solution and Biospecimens［J］.Chem Rev，2010，110（10）：6280-6301.

［4］Chen X，Pradhan T，Wang F，et al.Fluorescent Chemosensors Based on Spiroring-Opening of Xanthenes and Related Derivatives［J］.Chem Rev，2012，112（3）：1910-1956.

［5］林奇，陈佩，刘娟，等.汞离子荧光、比色传感器［J］.化学进展，2013，25（7）：1177-1186.

［6］杨杨，高超颖，许良，等.多枝罗丹明酰肼类荧光探针的研究进展与应用［J］.应用化学，2014，31（10）：1123-1134.

［7］Zheng H，ZhanX Q，Bian Q N，et al.Advances in Modifying Fluo⁃rescein and Rhodamine Fluorophores as Fluorescent Chemosen⁃ sors［J］.Chem Commun，2013，49（5）：429-447.

［8］Yang Y，Zhao Q，Feng W，et al.Luminescent Chemodosimeters for Bioimaging［J］.Chem Rev，2013，113（1）：192-270.

［9］Yang Y，Li B，Zhang L，et al.Multi-Branched Triphenylamine-Rhodamine Derivatives：Synthesis and Fluorescent Sensing for Cu2+and Hg2+Ions［J］.Talanta，2013，115：938-942.

［10］Yang Y，Gao C，Li B，et al.A Rhodamine-Based Colorimetric and Reversible Fluorescent Chemosensor for Selectively Detection of Cu2+And Hg2+Ions［J］.Sens Actuators B，2014，199：121-126.

［11］Wu J S，Hwang I C，Kim K S，et al.Rhodamine-Based Hg2+-Selec⁃tive Chemodosimeter in Aqueous Solution：Fluorescent OFF-ON［J］.Org Lett，2007，9（5）：907-910.

［12］Renny J S，Tomasevich L L，Tallmadge E H，et al.Method of Con⁃tinuous Variations：Applications of Job Plots to the Study of Molec⁃ular Associations in Organometallic Chemistry［J］.Angew Chem Int Ed，2013，52：11998-12013.

杨 杨（1981-），男，内蒙古民族大学化学化工学院讲师。2013年在中国科学院长春光学精密机械与物理研究所发光学及应用国家重点实验室获博士学位，主要从事有机荧光染料和荧光探针的设计合成，yangyang-000@163.com；

刘景林（1969-），男，内蒙古民族大学化学化工学院教授，2006年毕业于吉林大学获博士学位，研究方向为天然产物化学及有机合成方法学，jlliu2000@126.com。

Synthesis of Rhodamine-Ethylenediamine Fluorescent Probe for Hg2+Ions*

YANG Yang*，GAO Chaoying，ZHENG Qiuying，ZHANG Li，CHEN Jing，LIU Jinglin
（College of chemistry and chemical Engineering，Inner Mongolia University for the Nationalities，Tongliao Neimenggu 028000，China）

Based on the metal ion induced rhodamnine spirolactam ring opening mechanism，the rhodamine fluores⁃cent probe RbEA have been synthesized by the condensation reaction of rhodamine B and Ethylenediamine.The recognition properties of RbEA with metal ions had been investigated in EtOH-Tris solution by fluorescence and UV-vis spectrophotometry.The results showed that the probe RbEA exhibits highly selectivity to Hg2+with colori⁃metric and fluorogenic responses.There was a good linear relationship between the absorbance and fluorescence in⁃tensity of RbEA and the concentration of Hg2+.The job’s analysis indicated a 1∶1 ligand-Hg2+complex was formed.

fluorescent probes；Hg2+recognition；colorimetric response；fluorescent response

O657.3

A

1004-1699(2015)10-1438-04

��7230L

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.10.003

项目来源：国家自然科学基金项目（21362020）；内蒙古自治区自然科学基金项目（2014BS0205）；内蒙古民族大学科学研究基金项目（NMD1311，NMDGP1403）；内蒙古民族大学博士科研启动基金（BS311）

2015-04-03 修改日期：2015-08-07