罗丹明甲醛酰肼类Cu2+和Hg2+双识别荧光探针

袁跃华，朱永军，王海雁，田茂忠，冯 锋

（山西大同大学化学与环境工程学院，山西大同037009）

罗丹明甲醛酰肼类Cu2+和Hg2+双识别荧光探针

袁跃华，朱永军，王海雁，田茂忠，冯 锋

（山西大同大学化学与环境工程学院，山西大同037009）

设计合成了一种对Cu2+和Hg2+具有双识别功能的荧光增强型分子探针3',6'-双(二乙氨基)-2-(亚甲氨基)螺[异吲哚-1,9'-氧杂蒽]-3-酮，并用核磁和质谱对其结构进行了表征，同时对目标荧光探针进行了荧光光谱性能测试。研究表明：探针溶液本身荧光很弱，在乙醇∕水（V∕V，1∶1）体系中与Hg2+作用后荧光显著增强，但在乙腈∕水V∕V，1∶1）体系中Cu2+会诱导其荧光显著增强，由此建立了基于一种探针对Cu2+和Hg2+测定的新方法。Cu2+浓度在1.83×10-7～3.58×10-6mol∕L范围内，Hg2+浓度在1.18×10-7～5.05×10-6mol∕L范围内，探针的荧光强度均与之呈现良好的线性关系。

罗丹明；Cu2+；Hg2+；荧光增强型探针

对于多数生物体来说铜是一种营养必需的微量金属元素，是人体中含量位居第3的过渡金属元素[1]。像铁和锌一样，体内Cu2+的含量出现异常也会导致疾病甚至死亡，如阿尔茨海默疾病、肌萎缩性脊髓侧索硬化症、帕金森疾病、威尔逊疾病等神经退行性疾病[2]。在生理学方面，与Cu2+相比Hg2+是毒性非常大的一种重金属离子，它主要对中枢神经系统、消化系统等造成明显的伤害。富集在空气、水和土壤中的Hg2+很容易通过皮肤、呼吸道和食物链进入人体并蓄积从而影响人的健康[3]。因此，可以灵敏、准确检测Cu2+和Hg2+的浓度具有很重要的意义。

一些传统的分析测试方法（如原子吸收∕发射光谱和电感耦合等离子体质谱）有高的灵敏度和准确度，但是需要复杂昂贵的仪器、懂得专门技术的操作人员和繁琐的样品预处理，不能实现实时、在线检测样品，限制了其实际应用，因此，人们设计开发检测Cu2+和Hg2+的其它分析方法以便更好地解决以上问题，如荧光分析法等。目前，基于金属离子诱导荧光性能变化的光化学传感器已有大量报道[4-5]。由于罗丹明染料具有摩尔消光系数大、荧光量子产率高、吸收和发射波长大（在可见区）等优异的光物理性能，故罗丹明类Cu2+离子和Hg2+离子荧光探针已引起很多人的关注[6-7]。这些罗丹明基荧光探针是没有荧光和无色的，而金属离子选择性诱导罗丹明探针分子的螺酰胺环开环引发探针分子结构变化，显示紫红色并产生桔红色荧光。到目前为止，一种罗丹明荧光探针可以检测Cu2+和Hg2+2种金属离子的报道较少[8-13]。我们设计合成了一个新型罗丹明类Cu2+和Hg2+荧光增强型双识别分子探针RNM，通过荧光光谱研究了它对Cu2+和Hg2+的荧光识别性能，其合成路线如图1。

图1 化合物RNM的合成

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

核磁共振仪（瑞士Bruker公司，DRX-300型）；质谱仪（美国Varian公司，Saturn 2200∕2100型）；荧光分光光度计（美国Perkin Elmer公司，LS-55型）；旋转蒸发仪（德国IKA公司，RE200型）；循环水式真空泵（巩义市予华仪器有限公司，SHZ-D型）；磁力加热搅拌器（江苏省金坛市医疗仪器厂，DF-Ⅱ型）。

实验所用试剂均未经纯化（市售分析纯），水是二次蒸馏水。柱层析硅胶从青岛Makall公司购买。利用乙腈配制荧光探针RNM储备液，其浓度为5.0×10-3mol∕L。利用硝酸盐配制金属离子储备液，其浓度均为5×10-2mol∕L的溶液。

1.2 探针RNM的合成

按照文献[13]合成中间体RN。往100 mL的单口烧瓶中依次加入1.0 g化合物RN，50 mL乙醇和4.0 mL甲醛水溶液（40%），然后在氮气保护下，升温到50℃搅拌反应1 h，用乙酸乙酯萃取粗产品后经减压旋转蒸去大部分溶剂。最后用硅胶柱色谱分离粗产品（V石油醚（bp60～90°C）:V乙酸乙酯=5:1）,得到913.9 mg的白色固体RNM（89.1%）。1H NMR(300 MHz CDCl3)δ7.91(d,J=7.6 Hz,1H),7.46～ 7.49(m,2H),7.05(d,J=7.6 Hz,1H),6.48～6.52(m,4H),6.25(s,2H),3.68(s,2H),3.37(q,J=7.2 Hz,8H),1.13(t,J=7.2 Hz,12H)。MS positive:m ∕z[M+H]+=469.2。

1.3 荧光探针的性能测定

向5 mL容量瓶中加入2.5 mL乙腈（或乙醇）溶剂后,再加入适量RNM储备溶液,然后依次加入一定量的金属离子储备溶液,用二次蒸馏水定容至5 mL,充分摇匀后放置1.5 h测试其荧光光谱。将准备好的测试样品加入1 cm石英池中，在荧光分光光度计上记录520～700 nm波长范围内的荧光发射光谱，激发波长为510 nm。

2 结果与讨论

2.1 荧光探针RNM对金属离子的选择性

通过荧光光谱分别在乙腈∕水(1∕1，V/V)和乙醇∕水(1∕1，V∕V)溶液中检测了荧光探针RNM对碱金属和碱土金属离子（Na+，K+，Mg2+,Ca2+，Ba2+）,过渡金属离子（Fe3+，Co2+，Ni2+，Hg2+,Cr3+，Ag+，Zn2+，Cu2+,Cd2+，Pb2+，Mn2+）的选择性识别。结果表明，在乙腈∕水溶液中，荧光探针RNM更有利于检测Cu2+，如图1（a），Cu2+可以引起RNM荧光光谱更明显变化，荧光强度增加最大，Hg2+也可以诱导探针RNM的荧光强度稍微增加，但远没有Cu2+诱导其荧光强度变化大。如图1（b）所示，在乙醇∕水(1 ∕1，V∕V)溶液中，Hg2+可以引起探针RNM最大的荧光强度变化，但探针RNM对其他金属离子均没有产生强的识别响应荧光信号，这表明探针RNM对Cu2+与Hg2+在不同的体系中具有较高的选择性识别能力。

图1 在乙腈/水中探针RNM对金属离子的荧光选择性

2.2 荧光分子探针RNM对Cu2+与Hg2+的荧光传感

在乙腈∕水(1∕1，V∕V)溶液中，不同浓度的Cu2+对探针RNM荧光光谱的影响如图2（a）所示，不同浓度的Hg2+对探针RNM荧光光谱的影响如图2（b）所示。从图中可以发现，不加Cu2+和Hg2+时，RNM（1 μ mol∕L）的荧光很弱，探针RNM此时主要以螺酰胺环闭合的结构形式存在。随着加入Cu2+或Hg2+的浓度逐渐增大，分别在565 nm(Cu2+)和571 nm（Hg2+）处的荧光强度大幅度增加，加入Cu2+能使探针荧光强度增大约435倍，加入Hg2+能使探针荧光强度增大约441倍，证明罗丹明类荧光分子探针的螺酰胺环由于Cu2+或Hg2+刺激明显发生了开环，然后探针分子的共轭程度变大[6]，因此，探针溶液的颜色从无色变为紫红色，用“裸眼”就可以很容易定性分辨出溶液中是否含有Cu2+或Hg2+。在365 nm的紫外灯光照射下，Cu2+或Hg2+都可以引起溶液荧光从无色变为桔红色。在一定的浓度范围内，Cu2+的浓度（1.83×10-7～ 3.58×10-6mol∕L）或者Hg2+的浓度（1.18×10-7～5.05×10-6mol∕L）都与其相对荧光强度呈良好的线性关系。证明在这些浓度范围内，探针RNM可以在不同的溶剂体系中定量检测Cu2+或Hg2+。

图2 不同Cu2+和Hg2+浓度下的探针RNM(1μM)的荧光光谱

总之,我们合成的含有甲酰基的罗丹明Cu2+和Hg2+双识别荧光分子探针RNM，可以在乙腈∕水(1∕1，V∕V)溶液中选择性识别Cu2+，在乙醇∕水(1 ∕1，V∕V)溶液中选择性识别Hg2+，且其荧光强度明显增强。探针RNM的大幅度荧光增强是由于Cu2+或Hg2+离子诱导罗丹明基荧光分子探针发生螺酰胺环开环，形成共轭体系较大的分子。

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〔责任编辑 杨德兵〕

Recognition of Cu2+and Hg2+by a Rhodamine Formaldehyde Acylhydrazine Based Dual Channel Fluorescence Probe

YUAN Yue-hua，Zhu Yong-jun，WANG Hai-yan,TIAN Mao-zhong,FENG Feng
(School of Chemistry and Chemical Engineering,Shanxi Datong University,Datong Shanxi,037009)

In this paper,a fluorescence enhancement probe，3',6'-bis(diethylamino)-2-(methyleneamino)spiro[isoindoline-1,9'-xanthen]-3-one(RNM),for the recognition of Cu2+and Hg2+has been synthesized.Its structure was characterized by NMR and mass spectrometry.The fluorescence properties of the probe was tested by fluorescence spectra.The results showed that the fluorescence in⁃tensity of the free probe in the solution is very weak.However,Hg2+induced fluorescence significantly enhancement in ethanol∕water(V∕V,1:1)solution.Cu2+irritated the fluorescence enhancement in acetonitrile∕water(V∕V,1:1).Thus a new method for the detection of Cu2+and Hg2+by a rhodamine-based probe was established.The fluorescence intensity of the probe showed a good linear relation⁃ship with the concentration of Cu2+(from 1.83×10-7to 3.58×10-6mol∕L)and the concentration of Hg2+(from 1.18×10-7to 5.05×10-6mol∕L).

rhodamine;cu2+;hg2+;fluorescent enhancement probe

O657.34

A

1674-0874(2017)05-0034-04

2017-08-08

国家自然科学基金项目[21175085；21375083]；大同市基础研究计划项目[2017126]

袁跃华（1966-），女，江苏丹阳人，硕士，副教授，研究分向：荧光探针的合成与性能研究。