基于双氧水检测的硼酸酯荧光探针的研究

黄雅, 张春香, 杨智权, 邓燕, 梁敏, 张宇, 郑清云, 申有名, 张向阳



基于双氧水检测的硼酸酯荧光探针的研究

黄雅, 张春香, 杨智权, 邓燕, 梁敏, 张宇, 郑清云, 申有名, 张向阳

(湖南文理学院化学化工学院, 湖南常德, 415000)

以邻羟基苯乙酮和苯甲醛为原料经过羟醛缩合反应、氧化反应以及取代反应, 合成了一种新型荧光探针, 其结构经过1H NMR、MS进行了表征。利用荧光光谱, 探讨了该探针对双氧水响应的光谱性能、选择性、pH值以及反应时间等因素。结果表明, 该探针能很好地对双氧水进行检测。

荧光探针; 双氧水; 硼酸酯; 合成; 表征

作为一种重要的活性氧物质, 双氧水在环境和生物活动中扮演着重要的角色。在环境中, 双氧水可以用于自来水的净化[1], 在生命活动中, 双氧水在细胞中起着免疫标志的功能[2], 同时过量的双氧水会导致癌症[3]、阿尔察默病等疾病[4]。因此, 在环境和生物体中对双氧水的进行检测具有重要的意义。

目前对双氧水检测的方法有比色法[5]、滴定法[6]、电化学法[7]、色谱法[8-9]等, 这些方法虽然能够对双氧水实现灵敏的且选择性的检测, 但是这些方法大部分比较复杂, 耗时、耗力, 干扰因素多, 一般不适用于生物体内快速、实时、原位定量对双氧水进行检测和分析。因此, 研究一种新的方法检测双氧水是十分必要的。近几年发展起来的荧光探针法, 具有高选择性和灵敏度, 非破坏性的分析和检测系统易操作性等优点, 在环境、化学、生物和医学等领域有广泛的应用, 用于生物小分子检测的荧光探针也受到了人们的广泛关注[10-14]。因此, 本文合成了一种新型小分子荧光探针, 利用双氧水和硼酸酯反应脱去硼酸酯形成酚羟基的原理, 实现分子内荧光开关, 通过荧光强度与双氧水浓度的关系, 实现对双氧水的检测。

1 仪器与试剂

实验采用仪器为Varian INOVA-400型核磁共振仪(CDCl3为溶剂, TMS为内标)、F-7000荧光光谱。实验所用试剂二氯甲烷经干燥处理后使用, 其他试剂均为市售分析纯。

2 化合物合成

化合物的合成路线如图1所示。

(1) 化合物1的合成。在100 mL的三颈烧瓶中, 加入邻羟基苯乙酮(1.36 g, 10 mmol)、20 mL甲醇和20 mL 60%的氢氧化钠水溶液, 冷却到室温, 然后再加入苯甲醛(1.06 g, 10 mmol)。室温搅拌反应12 h, 将反应液倒入100 mL冰水中, 用浓盐酸调至pH值为2, 析出粗品, 粗品用乙醇重结晶, 得化合物1, 淡黄色晶体1.59 g, 其产率71%。

(2) 化合物2的合成。在100 mL的三颈烧瓶中, 加入化合物1 (0.67 g, 3 mmol)、20 mL甲醇和4 mL 20%的氢氧化钠水溶液, 冰浴, 然后再缓慢加入3 mL 30%的双氧水溶液。滴加完后在室温搅拌反应8 h, 反应液抽滤, 干燥, 得化合物2, 黄色固体0.7 g(未提纯直接用于下一步反应)。1H NMR (500 MHz, CDCl3):8.27 (3 H, d,= 8.5 Hz),7.73 (1 H, m), 7.62 (1 H, d,= 8.5 Hz), 7.56 (2 H, t,= 8.0 Hz), 7.49 (1 H, t,= 8.5 Hz), 7.43 (1 H, t,= 7.5 Hz), 7.03 (1 H, s)。

(3) 化合物3的合成。在100 mL的三颈烧瓶中, 加入化合物2 (0.48 g, 2 mmol)、4–溴甲基苯硼酸频哪酯(0.65 g, 2.2 mmol)、碳酸钾(0.30 g, 2.2 mmol)和20 mL丙酮。合成路线见图1。加热回流12 h, 反应液加水, 然后用乙酸乙酯萃取3次, 合并有机层, 用水、饱和食盐水分别洗涤2次, 无水硫酸镁干燥, 旋干, 经柱层析, 洗脱剂为石油醚/乙酸乙酯= 8∶1, 得化合物3, 白色固体0.59 g, 其产率65%。1H NMR (500 MHz, CDCl3):8.30 (1H, d,= 8.5 Hz),8.01 (2 H, q,= 8.5 Hz), 7.70 (3 H, d,= 8.0 Hz), 7.54 (1 H, d,= 8.5 Hz), 7.45 (4H, m), 7.31 (2 H, d,= 8.5 Hz), 5.18 (2 H, s), 1.35 (12 H, s)。MS:/= 455[M+H]+。

3 分析

3.1 探针的光谱性质

为了进一步考察探针对不同浓度双氧水的响应性能, 在20 µM探针的乙腈-水(MeCN∶H2O＝1∶1,pH值为7.0)溶液中加入不同摩尔浓度的双氧水, 测定其荧光光谱, 结果如图2所示。从图2可以看出, 在加入双氧水之前, 探针在440 nm处有荧光, 加入双氧水之后, 探针在543 nm处出现新的荧光, 并随着双氧水浓度的增大, 荧光强度在440 nm逐渐减弱, 543 nm处逐渐增强。这表明双氧水与探针进行了反应。

3.2 探针的选择性

对于探针分子来说, 高选择性是非常必要的。因此, 利用荧光光谱法测试了探针对物种的选择性识别(图2)。在20 µmol/L探针的乙腈-水溶液中分别加入双氧水、叔丁基过氧化氢、硝基超氧根离子、次氯酸根、羟基自由基、Cu2+、Fe3+、Mg2+、NO3-、Br-, 在＝465 nm 激发下测定其荧光比值, 结果如图3所示。从图3可以看出, 当双氧水加入到探针的缓冲溶液中时, 体系荧光发生了显著的变化, 而其他物种并不能引起探针荧光增强, 这也进一步说明该探针对双氧水具有很好的选择性。

图2 探针对双氧水响应荧光光谱图

3.3 pH值对探针的影响

为了获得实验的最佳检测条件, 还考查了缓冲溶液的pH值对检测双氧水的影响。在固定探针的摩尔浓度为20 μmol/L, 双氧水的摩尔浓度为50 μmol/L, 加入的 PBS对应的pH值依次为1到12, 测得440/543, 如图4所示。由图4可以看出, 在一定条件下, 当PBS的pH值为1～3时, 探针的荧光强度基本没有变化, 当PBS的pH值为4～7时, 荧光强度比值随着pH值的增大而增强; 当PBS的pH值为7～12时, 荧光强度比值不再变化。因此, 实验中选择pH值为7.0的缓冲溶液。

图3 探针的选择性

图4 pH值对探针的影响

3.4 探针与双氧水的反应时间

为了进一步探讨探针与双氧水反应的动力学关系, 研究了探针在乙腈-水(MeCN∶H2O＝1∶1, pH值为7.0)溶液中加入10当量的双氧水后的反应时间曲线(图5)。从图5可看出, 当没有加入双氧水时, 探针在440/543时不随时间的增长而变化, 当加入双氧水后,440/543的比值发生了明显的变化, 大约40 min时, 荧光比值达到最大。因此, 实验过程中选择反应时间为40 min。

图5 探针与双氧水反应的时间图

4 结论

本文合成了一种新型用于双氧水检测的硼酸酯荧光探针, 其结构用核磁共振光谱和质谱进行了表征, 通过荧光光谱探讨了其对双氧水响应的性能。结果表明, 该探针能够对双氧水实现比率荧光检测, 对双氧水具有较好的选择性, 同时能够在生物环境中对双氧水进行检测, 为在生物体中对双氧水实现实时、在线检测提供了参考。

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(责任编校:刘晓霞)

Study on fluorescent probe for the detection of hydrogen peroxide based on borate ester

Huang Ya, Zhang Chunxiang, Yang Zhiquan, Deng Yan, Liang Min, Zhang Yu, Zheng Qingyun, Shen Youmin, Zhang Xiangyang

(College of Chemistry and Chemical Engineering, Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, China)

A fluorescent probe is synthesized via aldol reaction, oxidative reaction, electrophilic substitution reaction from 2-hydroxyacetophenone and benzaldehyde. Its structure is characterized by1H NMR and MS. The spectroscopic properties, selectivity, pH-dependent, time response of the target probe with H2O2is investigated by the fluorescence spectrophotometry. The results show the probe can detect H2O2.

fluorescent probe; H2O2; Borate ester; synthesis; characterization

10.3969/j.issn.1672–6146.2015.03.007

O 657.3

1672–6146(2015)03–0026–07

张春香, cxzhang81@163.com; 黄雅, 1633848427@qq.com。

2015-05-15

材料科学与工程湖南省大学生创新训练中心大学生研究性学习和创新性实验计划项目(15YCYB02); 湖南文理学院科学研究项目(14YB05); 湖南省十二五重点建设学科—应用化学资助; 湖南文理学院芙蓉学院大学生研究性学习和创新性实验计划项目; 湖南文理学院大学生研究性学习和创新性实验计划项目。