新型Fe3+分子荧光探针的合成与表征

刘艳红 马晓光 李俊杰 刘殿卫

摘 要：本文设计合成新型氨基酸席夫碱受体1（甘氨酸肟-5-硝基水杨醛），对其进行红外光谱扫描，基本确立了其结构.通过UV-Vis和荧光光谱考察了其与Zn2+，Fe3+，K+，Pb2+，Al3+，Cd2+，Li2+和Mn2+之间的相互作用.当加入Fe3+时受体1的DMSO溶液中由浅黄色变成红色，而其它阳离子加入基本不变色，因此新型受体1能够对Fe3+进行裸眼识别.通过紫外光谱可知，在受体1的DMSO溶液中加入Fe3+后，随着Fe3+浓度的逐渐加大，在420nm处的吸收峰的吸收光度值降低，在370nm处的吸收峰的吸收光度值升高，而其它阳离子变化没有铁离子明显.由荧光光谱可知，受体1的最大激发在484nm，最大发射出现在513nm.当加入同浓度的阳离子时，当加入Fe3+时，受体1在513nm的发射峰出现淬灭，而加入其它金属阳离子，其在513nm的发射峰变化很小或基本不变.从而表明受体1的DMSO溶液对Fe3+识别的独特性和专一性.

关键词：氨基酸席夫碱;合成;阳离子;裸眼识别;紫外荧光研究

中图分类号：O657.3  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2020）07-0053-04

利用化学传感器检测金属离子正逐渐成为环境监测和生物科学的研究热点，因为这类传感器具有制备简单、选择性强、灵敏度高的优点.所以，开发检测过渡金属离子和重金属离子的化学传感器是化学、环境化学和生物科学的一个活跃而又有意思的领域.近几年来，合成成本低、毒性小的席夫碱已成为研究人员的研究目标.Fe3+作为过渡金属离子，在发展生命体系的过程中也具有很重要的作用，是人体微量元素所必需最多的一种，在人体内起到不可替代的作用，人体内铁缺乏会导致缺铁性贫血，影响人体正常的生理活动[1].人体缺铁或铁元素过量都会导致许多疾病[2-4].因此，Fe3+的检测对人类健康具有重要意义.

2006年，Tong组[5]利用二乙烯三胺将两个罗丹明B连接起来，从而形成新型的席夫碱配体，该配体呈无色且无荧光，在加入Fe3+后其内酰胺结构开环，荧光光谱增强，从而检测出Fe3+.

2007年，Tae和Bae等人[6]设计合成了探针，该探针是利用两步简单步骤合成的以甲氧基为识别基团，将氧肟酸作为Fe3+的功能团，以氧肟酸引入罗丹明内酰胺和开环结构的平衡中，从而形成一种新型的Fe3+探针，这种基荧光探针由于具有特殊的结构片段，在甲醇-乙腈同摩尔比的溶液中可以很好的识别Fe3+，加入后能使Fe3+荧光显著增强同时溶液颜色变为紫红色.

同年，Huang等人[7]基于罗丹明的闭环-开环 （off-on）这一机理设计合成了罗丹明B-席夫碱衍生物，成功的识别了Fe3+，而且能用于检测活体细胞中的Fe3+，并取得了很好的效果.

武汉大学傅恩琴组[8]，使用亲水性较好的环糊精与吡啶二甲酰胺连接的多胺链反应生成的配合物，荧光分子识别研究表明，水溶液中Fe3+能使其荧光迅速淬灭，而在相同条件下加入其它离子则几乎没有荧光变化或者淬灭非常有限.

2017年，贵州大学江光奇组[9]，合出两种新型席夫碱化合物，这两种配合物可用于不同水样的二价和三价的铁离子的比色识别，通过光谱滴定及液质谱联用等方法研究了这两种化合物与Fe3+的识别作用，化合物与Fe3+同摩尔配比，对Fe3+的检出限分别为0.19mol/L和0.21mol/L，比世界卫生组织规定的饮用水的检出标准（5μmol/L）低，具有一定的现实价值.

席夫碱是一类重要的被广泛探索的有机化合物之一，由于其成本低，容易合成并具有巨大的应用，因而研究人员将席夫碱作为化学传感器用于阳离子的识别研究，但氨基酸席夫碱作为荧光探针来检测阳离子报道较少，氨基酸席夫碱具有生物活性，且具有低毒的优点.总结前人研究成果，我们以甘氨酸与5-硝基水杨醛为原料，合成新的受体1，并利用紫外、荧光研究了受体与阳离子的作用.

1 实验部分

1.1 实验试剂

甘氨酸（国药集团化学试剂有限公司），5-硝基水杨醛（成都贝斯特试剂有限公司），硝酸铁，硝酸钾，硝酸铅，硝酸锌，硝酸镉，硝酸汞，硝酸锰，氢氧化钾，甲醇，二甲基亚砜均为市售分析纯.

1.2 实验仪器

85-2恒温磁力加热搅拌器（常州国华电器有限公司），Nicolet iS5-红外分光光度计（美国，赛默飞尼），F97pro荧光分光光度计（上海棱光技术有限责任公司），TU-1910型紫外-可见分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司）

1.3 受体席夫碱的合成

称取甘氨酸（0.7507g，10mmol），置于100mL圆底烧瓶中，在加入20mL无水乙醇并缓慢加热直至全部溶解，再往该溶液中加入5-硝基水杨醛（1.6368g，10mmol），氢氧化钾（0.5611g，10mmol）的无水乙醇溶液，然后将反应混合物搅拌、加热回流2小时.生成黄色沉淀，趁热过滤，用无水乙醚洗涤干燥，得到受体1（0.6327g.产率为73.4%）.熔点146-147℃.

1.4 受体席夫碱的表征

以二次蒸馏水为溶剂，配制5.0×10-3mol/L的硝酸锌，硝酸铁，硝酸铅，硝酸铝，硝酸镉的金属阳离子备用，并测定其对应离子的荧光光谱.

以受体1为溶质，二甲基亚砜为溶剂称取0.0023g样品，配制10mL溶液，浓度为5.0×10-3mol/L，量取溶液观察荧光性质.

加入各种金属阳离子对比，加入上述的稀释溶液中，观察荧光光谱，各种金属阳离子分别加入各自互相对照，觀察荧光光谱的变化.

2.5 主客体的紫外光谱测定

以二次蒸馏水为溶剂，配制5.0×10-3mol/L的待测溶液的金属阳离子Zn2+，Cu2+，Fe3+，K+，Pb2+，Al3+和Cd2+，以留备用，并测定其对应离子的紫外光谱.

2.6 受体1红外光谱测定

分别称取各配合物0.0100g，称取溴化钾0.0020g，分别将各配合物和溴化钾置于玛瑙研钵研磨，取2/3进行压片，分别测定受体1的红外吸收光谱.

2 实验结果与讨论

2.1 主客体的裸眼识别

从下面图2中可以看出受体L（5.0×10-3mol/L）的DMSO溶液是浅黄色，但是分别加入5.0×10-3mol/L的Zn2+，Fe3+，K+，Pb2+，Al3+，Cd2+，Li2+，Mn2+以后，只有加入Fe3+的主体发生明显的变色，加入其它几种金属阳离子后的主体溶液的颜色基本不变.为研究在受体1的DMSO（5.0×10-3mol/L）溶液对Fe3+具有裸眼识别的独特性时，观察溶液颜色的变化，如图2所示，向受体1的DMSO溶液中加入Fe3+后，溶液的颜色明显发生变化，由淡黄色渐渐加深，最后变为血红色;在同样的条件下，加入其他金属阳离子后的溶液的颜色无明显颜色变化，这表明受体1对Fe3+具有较强的专一性识别作用，受体1可以用来识别Fe3+，是识别Fe3+的良好感应器，受体1是对Fe3+具有高选择性的探针.

2.2 紫外可见光谱

图3展示了在受体1的DMSO溶液中，逐渐加入Fe3+浓度引起受体1（5.0×10-3mol/L）的DMSO溶液的紫外吸收光谱的变化.从光谱图中可以看出：在未引入阳离子溶液时，主体分子在420nm和370nm之间出现了两个较强的吸收峰，在420处的吸收峰呈上升增强，370处的吸收峰呈下降减弱，这是由于分子内电荷中的电子转移引起的.在向受体1的DMSO溶液中加入Fe3+后，主体分子的吸收光谱出现会有很大的变化，随着Fe3+浓度的逐渐加大，在420处的吸收峰的吸收光度值降低，在370处的吸收峰的吸收光度值升高.出现这种变化的原因最主要是阳离子（Fe3+）的浓度的增强，这种增强会导致主体颜色的变化，从而导致这种紫外吸收光度值的变化.这表明紫外吸收光谱的强弱会随Fe3+的浓度的变化而改变.

图4展示了受体1（5.0×10-3mol/L）的DMSO溶液中分别加入同浓度的Cd2+，Zn2+，Pb2+，Fe3+紫外吸收光谱的变化.从光谱图中可以看出：主体分子在420nm和370nm之间出现了两个较强的吸收峰，分别加入同浓度的Cd2+，Zn2+，Pb2+，Fe3+只有Fe3+明显发生变化，其他的金属阳离子变化的幅度很小或无显著变化.

2.3 荧光光谱

金属离子荧光分子探针作为一种高灵敏的检测手段具有广泛的应用价值，其设计、合成及识别机理已受到广泛关注.由于Fe3+具有顺磁性，可以有效的淬灭荧光，Fe3+的荧光探针多为淬灭型[10].故在受体1的DMSO溶液中加入金属阳离子，荧光均表现出淬灭，通过荧光淬灭的大小不同，以此对比来研究加入Fe3+在受体1的DMSO溶液中的荧光的变化，从而说明受体1的DMSO溶液对Fe3+识别具有的特殊性.

图5表示了受体1（5.0×10-3mol/L）的DMSO溶液在荧光光度计通过三维光谱扫描后，以484nm的光波作为最大激发，受体1在513nm处出现最大发射光谱.

图6表示了受体1（5.0×10-3mol/L）的DMSO溶液在加入同浓度（5.0×10-3mol/L）的不同金属阳离子（Fe3+，Al3+，Cd2+，Pb2+，Zn2+）变化情况.受体1在加入Al3+，Cd2+，Pb2+，Zn2+这几种金属阳离子后，其最大发射峰值都出现在513nm处，但是这几种金属阳离子的荧光强度几乎不变或变化很小;当加入Fe3+时，其受体在513nm处的荧光发生淬灭，荧光强度相较于受体1有急剧的降低.由此可以说明受体1的DMSO溶液对Fe3+有很强的选择性识别.

2.4 红外吸收光谱

根据图7中受体1的IR分析可以看出，在2872.08cm-1，2728.01cm-1的C-H键的伸缩振动峰，1675.95cm-1处的中强吸收为C=N键所致，是受体1的特征峰，在1599.35cm-1，1452.91cm-1为苯环C=C的特征吸收峰，在816.58cm-1，763.31cm-1处的峰被指认为芳环=C-H弯曲振动吸收峰，在763.31cm-1的中强吸收为邻位取代苯环的特征吸收峰，初步认定受体的合成.

3 结论

本文利用简单的方法合成了一种新型氨基酸席夫碱受体1，并研究了受体1的DMSO溶液对阳离子的识别能力.发现只有Fe3+加入使受体1由浅黄色变成红色，分别加入其他阳离子时，受体的颜色基本不发生变化或变化很少，从而能够裸眼识别Fe3+.通过主体1与阳离子的紫外光谱、荧光发射光谱，可以看出主体1对不同阳离子的识别作用也不相同.通过受体1的红外光谱表明，受体1的结构的初步确定.总之，受体1的DMSO溶液能有效的识别铁离子，其对于Fe3+有很好的选择性、独特性和敏感性.这种探针对具有重要生物和环境保护意义的金属离子有着良好的专一选择性识别作用.

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参考文献：

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〔5〕Xiang Y， Tong A. A New Rhodamine-Based Chemosensor Exhibiting Selective Fe＼r， III＼r， -Amplified Fluorescence[J]. Organic Letters， 2006， 8（08）：1549-1552.

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