基于罗丹明内酰胺结构的“关-开”型Fe3+荧光探针的性能研究

罗傲恒，黄 乔，张 勤

(南华大学 化学化工学院，湖南 衡阳 421001 )

基于罗丹明内酰胺结构的“关-开”型Fe3+荧光探针的性能研究

罗傲恒，黄 乔，张 勤

(南华大学 化学化工学院，湖南 衡阳 421001 )

以对苯二甲酰氯与罗丹明B乙二胺缩合反应的产物(Rh-1)为荧光“关-开”型探针，研究了探针Rh-1选择性识别Fe3+的各种影响因素，建立了Rh-1荧光检测分析痕量Fe3+的方法，其线性范围为1.0×10-7mol/L～2.6×10-5mol/L，检出限为2.31×10-8mol/L。

荧光探针；铁离子；罗丹明；增强型

铁是人体内的必需微量元素，它有参与氧的运输和贮存、细胞色素和多种金属酶的合成、具有增强机体免疫功能等非常重要的生理作用[1]。当机体摄入铁不足时，往往会导致缺铁性贫血、电子传递、氧化还原等代谢紊乱，并损害机体的免疫机制，从而产生许多生理病理变化，进一步诱发多种疾病的产生[2]。反之，人体因铁吸收过量且不被排出体外时，则铁在体内将催化氧自由基的产生，使生物组织遭到不可逆的损伤[3]。同时，随着工农业的快速发展，铁作为重金属污染物已经危及到水体的质量安全和农作物的生产品质[4-5]。目前,样品中微量铁的测定方法主要有原子吸收光谱法，电感藕合等离子体质谱法和电化学方法等。但是，上述方法存在着难以回避的实际应用问题，例如操作繁琐，预处理复杂，设备昂贵等。近年来，荧光探针分析检测技术由于其具有操作简便、灵敏度高、选择性好以及响应速度快等优点而备受青睐[6]。本文以对苯二甲酰氯与罗丹明B乙二胺缩合反应的产物(Rh-1)为荧光探针，研究了各种影响该探针选择性识别Fe3+的因素，建立了分析检测Fe3+的新方法，并且验证了该分析方法检测痕量Fe3+的可靠性和实用性。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

F-7000型荧光分光光度计，日本日立公司；pHs-3C型数字酸度计，上海鹏顺仪器公司。

所有试剂均为分析纯：罗丹明B乙二胺，参照文献方法合成[7]；实验所用水为二次蒸馏水。

1.2 溶液的配制

1.0×10-4mol/L荧光探针Rh-1储备液：由适量的荧光探针Rh-1溶解在THF中制得，避光备用。

1.0×10-2mol/L各种金属离子储备液：由适量的各种水溶性金属离子氯化物或硝酸盐溶解在二次水中制得，避光备用。

Tris-HCl缓冲溶液(0.05 mol/L，25℃)：用三羟甲基氨基甲烷(Tris)溶液与盐酸配制。

不同pH值溶液：由HCl或者NaOH调节0.05 mol/L的Tris-HCl缓冲溶液制得不同pH值溶液。

1.3 荧光光谱的测定

于10 mL棕色容量瓶中，移取1 mL探针化合物Rh-1储备液，然后加入所需当量的金属离子，V(THF):V(H2O)=4/6稀释定容，震荡混合，静置待测。

测试条件：室温，1cm×1cm×4cm石英样品池，荧光激发和发射狭缝均为5nm，激发波长为550nm。

2 结果与讨论

2.1 体系荧光强度的影响因素

2.1.1 pH的影响

溶液环境的酸碱度可能对探针在检测金属离子时造成干扰，为了确保检测的可靠性必须选择合适的pH值范围。在V(THF):V(H2O)=4/6溶液体系中，固定Fe3+的浓度5.0×10-5mol/L，调节溶液pH值，于不同pH值下测定其溶液的荧光强度，结果见图1。在没有加入Fe3+的情况下，该探针在pH值=4.0～14.0范围内没有明显的荧光变化。但是当pH值低于4.0时，溶液荧光强度发生了急剧变化，这是由于强质子化作用导致探针内酰胺开环的结果。当溶液中加入Fe3+时，该探针在pH值2.0～10.0之间荧光强度显著增强。尤其当pH值介于4.0到9.0范围内，其主要原因是Fe3+与探针的配位作用诱导内酰胺开环释放荧光。考虑到探针更广泛的实际应用，pH值选择调节至7.2。

图1 不同pH值对体系荧光强度的影响

2.1.2 络合时间的影响

在[V(THF):V(H2O)=4/6, pH值=7.2]溶液体系中固定Fe3+的浓度5.0×10-5mol/L，于不同的络合时间下测定其溶液的荧光强度，结果见图2。溶液中未加入Fe3+时，其溶液几乎无荧光强度且不随时间变化，表明探针具有很好的光稳定性。当加入Fe3+后，其溶液的荧光强度在几分钟内成倍增加并且随着时间的推移其强度不断增强。当20min后，溶液体系的荧光强度达到最大值并保持不变，表明探针与Fe3+络合反应达到平衡。

图2 不同络合时间对体系荧光强度的影响

2.1.3 Fe3+的浓度对体系荧光强度的影响

采用1.3的方法，测定在不同浓度的Fe3+存在条件下体系的荧光强度，其结果见图3。[V(THF):V(H2O)=4/6, pH值=7.2]溶液中不存在Fe3+时，在560～700nm范围内检测不到明显的荧光变化。但是当溶液中加入Fe3+时，体系就会立刻出现具有罗丹明B荧光发射特征(584nm)的荧光增强峰，这是因为探针的内酰胺螺环结构在Fe3+的配位诱导作用下开环而发射强烈荧光。同时，溶液的荧光强度随着Fe3+的浓度不断增大而呈现递增的趋势。

图3 不同Fe3+浓度对体系荧光强度的影响

2.1.4 线性关系与检出限

在[V(THF):V(H2O)=4/6, pH值=7.2]溶液体系中分别加入一系列不同浓度的Fe3+，测定体系的荧光强度，其结果见图4所示。当Fe3+的浓度为1.0×10-7mol/L～2.6×10-7mol/L时，体系的荧光强度与Fe3+的浓度之间存在良好的线性正比例关系，线性拟合得其标准曲线方程：F-F0= 112.55416 + 107.26775C (单位10-6mol/L)，相关系数R2=0.99911。对空白溶液平行测定10次，以空白的3倍标准偏差除以标准曲线斜率而得到检出限为2.31×10-8mol/L。

图4 体系荧光强度与Fe3+的浓度拟合曲线

2.1.5 选择性实验

向[V(THF):V(H2O)=4/6, pH值=7.2]溶液体系中分别加入与Fe3+等量的各种金属离子，研究探针Rh-1对不同金属离子荧光选择性，其结果如图5所示。向溶液中加入Fe3+之后，该体系在584nm处的荧光发射峰急剧增强，表明探针Rh-1与Fe3+能够有效配位反应。但是当加入相同浓度的其他各种金属离子，其溶液未产生可检测到的荧光，仅仅除了Hg2+和Al3+导致了微弱的荧光发射。

图5 探针Rh-1与不同金属离子作用的荧光强度

2.1.6 竞争性实验

探针Rh-1抗干扰性研究结果如图6所示。在常见的各种金属离子共存的[V(THF):V(H2O)=4/6, pH值=7.2]溶液中，探针Rh-1依然表现出对Fe3+很高的识别性。即使其它共存金属离子的浓度达到Fe3+的两倍时，探针Rh-1对Fe3+的选择性识别也几乎不受干扰。因此，探针Rh-1能够满足实际应用的要求。

图6 探针Rh-1与Fe3+作用在不同金属离子共存时的荧光强度

3 结论

本实验主要以对苯二甲酰氯与罗丹明B乙二胺缩合反应的产物(Rh-1)作为荧光探针用于检测分析痕量Fe3+。结果表明，Rh-1能够选择性识别Fe3+并且其荧光显著增强。基于该探针建立了分析检测Fe3+的新方法，其线性范围为1.0×10-7mol/L～2.6×10-5mol/L，检出限为2.31×10-8mol/L。

[1] 孙长峰, 郭 娜. 微量元素铁对人体健康的影响[J]. 微量元素与健康研究, 2011, 28(2): 64-66.

[2] 梁 聪, 吴仕伟, 王 立, 等. 铁元素的生理功能及缺铁性贫血对人体健康的影响[J].医学信息 , 2011(1): 149.

[3] 王建英, 任引哲, 王迎新. 氧自由基与人体健康[J]. 化学世界, 2006, 47(1): 61-63.

[4] Jolly Y N, Islam A, Akbar S. Transfer of metals from soil to vegetables and possible health risk assessment[J]. Springerplus, 2013, 2(1):1-8.

[5] Hofmann J, Watson V, Scharaw B. Groundwater quality under stress: contaminants in the Kharaa River basin (Mongolia) [J].Environmental Earth Sciences, 2014, 73(2):629-648.

[6] Gemma A, Josefina P, Arben M. Recent trends in macro-, micro-, and nanomaterial-based tools and strategies for heavy-metal detection[J].Chemical Reviews, 2011, 111(5):3433-58.

[7] Xuan Z, Yasuhiro S, Takayuki H. Cu(II)-selective green fluorescence of a rhodamine-diacetic acid conjugate[J].Organic Letters, 2007, 9(24):5039-42.

(本文文献格式：罗傲恒，黄 乔，张 勤基于罗丹明内酰胺结构的“关-开”型Fe3+荧光探针的性能研究[J].山东化工，2016，45(14)：13-15.)

Properties of Turn-on Fluorescent Probe for Fe3+Based on Rhodamine

LuoAoheng,HuangQiao,ZhangQin

( College of Chemistry and Chemical Engineering, University of South China, Hengyang 421001, China )

A turn-on fluorescent probe Rh-1 based on rhodamine for trivalent ferric ion (Fe3+) was synthesized. It was studied that the various factors affected the fluorescence of Rh-1 and Fe3+complex. And an approach was developed for the detection of trace amount of Fe3+based on Rh-1 as fluorescent probe. The linear range covered from 1.0×10-7mol/L to 2.6×10-5mol/L, and the detection limit was found to be 2.31×10-8mol/L.

fluorescent probe; ferric ion (Fe3+); rhodamine; turn-on; Rh-1

2016-05-12

湖南省研究生科研创新项目(X2015B400)

罗傲恒(1989—)，湖北襄阳人，硕士研究生，主要从事功能小分子合成及应用。

O657.3

A

1008-021X(2016)14-0013-03