四苯乙烯-苯并咪唑荧光探针的合成及对Fe3+的检测

高超颖，杨 杨，王曦烨，刘景林，许 良

苯并咪唑是一类含氮的杂环化合物，广泛存在于天然产物和药物分子中，如咖啡因、茶碱、可可碱、黄嘌呤等分子中就含有咪唑单元［1］。苯并咪唑分子中的氮原子含有的孤对电子可与金属离子发生配位，另外其N—H键可与某些阴离子形成氢键作用，导致光谱出现显著变化。因此，该类化合物可设计成具有特定识别能力的荧光探针分子，应用于离子识别和细胞成像领域［2］。目前，苯并咪唑类荧光探针已经实现了对 Fe2+、Zn2+、Cu2+、Cr3+、Hg2+、Pb2+、ClO-、卤素和硫醇分子的识别和检测［3-6］。

本工作在前期苯并咪唑探针和聚集诱导发光（AIE）材料研究的基础上［7-9］，将具有AIE效应的四苯乙烯基团与苯并咪唑结合，合成了四苯乙烯-苯并咪唑分子TPE-BZ，考察了TPE-BZ的AIE性质及其对离子的选择性，进行了探针抗干扰实验，并研究了Fe3+对探针TPE-BZ荧光滴定的影响。

1 实验部分

1.1 主要试剂与仪器

四苯乙烯、乌洛托品、三氟乙酸、邻苯二胺：AR，国药集团化学试剂有限公司；无水乙醇、二氯甲烷、七水硫酸亚铁、六水氯化铬、金属硝酸盐水合物：AR，天津大茂化学试剂公司。

JASCO FP-6500型荧光分光光度计：日本分光株式会社；Nicolete-5700 型傅里叶变换红外光谱仪：美国热电尼高力仪器公司；Thermo Q Exactive Focus型高分辨质谱仪：美国赛默飞世尔科技有限公司；Bruker Avance-500M 型核磁共振光谱仪：德国布鲁克分析仪器公司。

1.2 TPE-BZ的合成

四苯乙烯-醛按照Dulf法合成［10］。将四苯乙烯甲醛（0.155 3 g，0.5 mmol）和邻苯二胺（0.054 1 g，0.5 mmol）溶解于30 mL无水乙醇中，在85 ℃恒温下加热回流10 h，反应完毕冷却，将反应液倾倒于饱和食盐水中，CH2Cl2萃取、浓缩、柱层析（石油醚/乙酸乙酯体积比10∶1）分离得白色粉末。

1.3 溶液的配制

称取TPE-BZ固体0.004 5 g，用无水乙醇配制成1.0×10-4mol/L的TPE-BZ储备液。移取10 mL储备液于100 mL容量瓶中，依次加入10 mL无水乙醇和80 mL蒸馏水摇匀后，用20%（φ）的乙醇定容，得1.0×10-5mol/L的TPE-BZ探针溶液。准确配制Fe2+，Fe3+，Cr3+，Co2+，Cu2+，Zn2+，Ni2+，Hg2+，Cd2+，Pb2+，Ag+等离子储备液1.0×10-2mol/L。

2 结果与讨论

2.1 TPE-BZ的AIE性质

TPE-BZ粉末的激发和发射光谱见图1。由图1可知，TPE-BZ在粉末状态时具有较强的蓝色荧光发射，在390 nm波长的光源激发下，粉末在457 nm处出现了荧光发射峰值。当对粉末进行研磨后，颜色从蓝色变为蓝绿色，光谱发生红移［11］。将具有AIE特性的四苯乙烯基团引入苯并咪唑后，TPE-BZ在粉末的状态也出现了AIE发光的特性。

图1 TPE-BZ粉末的激发和发射光谱Fig.1 Emission and excitation spectra of TPE-BZ in powder state.

为了配制最佳AIE荧光发射的探针溶液，对不同含水量的溶液进行了荧光测试。结果见图2。从图2可知，当含水量大于50%（φ）时，最大发射波长从410 nm逐渐红移至478 nm处，荧光强度随含水量进一步增加呈现先上升后下降的趋势，当含水量为80%（φ）时荧光强度出现最大值。这可能是由于在较大含水量溶剂中TPE-BZ分子相互团聚程度变大，导致荧光逐渐下降。因此，当按照水/乙醇体积比4∶1配制探针溶液时，荧光响应更加显著。

图2 TPE-BZ在不同含水量溶液中的荧光发射光谱Fig.2 Emission spectra of TPE-BZ in EtOH/water mixtures with different water content.

2.2 TPE-BZ对离子的选择性

为了确定TPE-BZ对不同离子的荧光的响应特性，分别选取 Fe2+，Fe3+，Cr3+，Co2+，Ni2+，Cu2+，Zn2+，Cd2+，Hg2+，Pb2+，Ag+等离子进行选择性测试。分别在含水量为80%（φ）的探针溶液中加入10倍量的上述金属离子，荧光发射强度变化见图3所示。从图3可看出，空白探针溶液在474 nm和505 nm处荧光发射强度达900左右，当加入Fe3+离子后，探针在474 nm和505 nm处的荧光发射强度降低为初始值的1/8。加入Hg2+时在相同波长处荧光强度下降至初始值的1/2。加入Ag+时，荧光出现一定的增强。在相同条件下加入Co2+，Zn2+，Ni2+，Cd2+，Pb2+后探针溶液荧光强度变化不太明显；Cu2+，Fe2+，Cr3+加入导致探针溶液荧光强度稍有下降，但TPE-BZ对Fe3+，Hg2+的荧光猝灭识别能力较强。

图3 探针对金属离子的荧光选择性Fig.3 The fluorescence changes of TPE-BZ with different metal ions.

2.3 探针抗干扰实验

为了进一步检验探针在复杂水样中对Fe3+的识别能力，对TPE-BZ进行了干扰性实验。在等体积的探针试液中，分别加入10倍量的干扰离子Cu2+，Fe2+，Cr3+，Co2+，Ag+，Zn2+，Ni2+，Hg2+，Cd2+，Pb2+，待溶液混合均匀后，再向探针溶液中逐一加入10倍量的 Fe3+溶液，进行荧光发射光谱测定，结果如图4所示。从图4可看出，干扰离子Cu2+，Fe2+，Cr3+，Co2+，Ag+，Zn2+，Ni2+，Hg2+，Cd2+，Pb2+存在时，探针500 nm处的荧光发射强度几乎没有明显影响，但当Fe3+加入到干扰溶液后，探针的荧光强度受到显著的影响，荧光发射强度均出现不同程度的下降。由此可看出TPE-BZ可在复杂水体中识别出Fe3+，探针对Fe3+有较强的抗干扰能力。

2.4 Fe3+对探针TPE-BZ荧光滴定的影响

为了更深入测试探针TPE-BZ对Fe3+检测的灵敏度，进行了光谱滴定实验。在探针溶液中梯度加入2 μL 的Fe3+，溶液的荧光发射强度出现规律性的变化，结果见图5。从图5可知，在474 nm处荧光强度与Fe3+的加入量（0～30 μL）具有较好的线性关系，拟合后的相关系数为0.985。当Fe3+加入量大于22 μL时，在474 nm和505 nm处的峰消失，而在446 nm处出现单峰。这表明该化合物可用来定量检测Fe3+的存在。

图4 TPE-BZ加入不同离子的荧光强度变化Fig.4 Fluorescence response of TPE-BZ to various metal ions.

图5 Fe3+的荧光滴定光谱Fig.5 The fluorescence spectra of TPE-BZ with different concentrations of Fe3+.Condition：TPE-BZ 10-5 mol/L

3 结论

1）邻苯二胺和四苯乙烯甲醛的缩合产物四苯乙烯咪唑TPE-BZ在固态时具有较强的蓝色荧光发射，在含水量为80%（φ）的溶液中发射蓝绿色荧光，具有明显的AIE特性。

2）TPE-BZ溶液可与多种金属离子作用产生荧光光谱变化，可设计成荧光淬灭型探针用于选择性地检测水体中的Fe3+。

3）TPE-BZ在474 nm处的荧光强度与Fe3+的加入量呈现较好的线性关系，相关系数达0.985，该探针可定量检测试样中Fe3+的含量。

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