一种识别Pd2+的近红外发射荧光探针

汤立军，夏俊影

（渤海大学 化学化工学院，辽宁 锦州121013）

0 引言

随着现代工业的发展，重金属和过渡金属离子在化学，生物学和环境科学等领域受到了广泛关注［1-3］.其中，钯（Pd）是一种稀有的过渡金属，被广泛用作材料科学，药物合成，有机催化反应，汽车尾气处理和燃料电池等.残余的Pd2+会干扰许多生物过程，导致难以忽视的危害.因此，研究开发有效的检测Pd2+的方法具有重要的实际意义［4］.

迄今为止，已报道了许多检测Pd2+的传统方法，例如原子吸收/发射光谱法，固相微萃取-高效液相色谱法，离子耦合等离子体发射质谱法，X射线荧光法等［5-8］，但是这些技术都需要昂贵的设备和相关的技术人员，从而限制了它们的进一步实际应用.荧光探针由于具有高灵敏度和选择性以及易于操作的特点而备受关注［9-11］.近年来，已有较多识别Pd2+的荧光探针被相继报道，但其中大多数探针都要在低水含量中进行Pd2+的检测，而且由于短波长的发射导致背景荧光干扰大，灵敏度低，选择性差等缺陷［12-16］.为此，开发近红外发射，可在较高水含量介质中对Pd2+进行识别的荧光探针尤为必要.

本文设计并合成了一种以苯并噻唑衍生物为母体的荧光探针L（反应式1），通过溴丙炔对化合物3上的羟基进行保护［17］，抑制了ESIPT过程，导致其长波长荧光的猝灭，在Pd2+的存在下，炔丙基醚键断裂释放出化合物3，恢复了原有的ESIPT性质，进而实现了近红外的荧光发射.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

化合物1［18］和2［19］分别按文献方法制备.所用药品均购自安耐吉、阿拉丁公司，无特殊说明可直接使用.

表1 实验主要仪器设备

表1 实验主要仪器设备（续）

1.2 化合物3 的合成

称取化合物1（538 mg，2 mmol）和化合物2（372 mg，2 mmol）混合溶于干燥的20 mL乙腈中，滴加两滴哌啶，在氮气保护下回流反应过夜.旋蒸除去溶剂，向残留物中加60 mL水，用二氯甲烷（3×20 mL）萃取，合并有机层并用无水硫酸钠干燥，过滤后旋干，所得粗产品经柱层析分离（EA：PE=1：10，v/v），得到红色粉末化合物3（568 mg），产率65%. 熔点280.5 ℃～281.1 ℃.1H NMR（400 MHz，CDCl3）δ13.26（s，1H），7.98（d，J=8.4 Hz，1H），7.93（d，J=8.0 Hz，1H），7.58-7.40（m，5H），7.14（d，J=16.0 Hz，1H），6.85（s，1H），2.59（s，2H），2.53（s，2H），2.39（s，3H），1.09（s，6H）.13C NMR（100 MHz，CDCl3）δ 169.41，169.05，154.59，151.48，132.54，131.35，130.75，129.89，129.74，128.75，126.89，125.82，124.49，123.47，122.10，121.58，116.99，113.61，112.84，78.21，43.02，39.04，32.04，28.02，20.59.HRMS（ESI+）：实测值C27H23N3OS［M-H］-m/z436.1489，计算值m/z436.1698.

1.3 探针L 的合成

先称取化合物3（437 mg，1 mmol）和三乙胺（619 mg，5 mmol），将之溶解在25 mL的丙酮中，再加入溴丙炔（476 mg，4 mmol），回流过夜后，旋蒸除去丙酮，向残留物中加60 mL水，用二氯甲烷（3×20 mL）萃取，合并有机相并用无水硫酸钠干燥，过滤后旋干，所得粗产品用乙醇重结晶，得到黄色粉末L（339 mg），产率70%. 熔点235.5 ℃～237.6 ℃.1H NMR（400 MHz，CDCl3）δ8.17（s，1H），8.11（d，J=8.0 Hz，1H），7.96（d，J=8.0 Hz，1H），7.57-7.48（m，3H），7.43（t，J=7.6 Hz，1H），7.09（d，J=16.4 Hz，1H），6.90（s，1H），4.58（s，2H），2.62（s，2H），2.55（s，3H），2.46（s，3H），1.10（s，6H）.13C NMR（100 MHz，CDCl3）δ169.17，162.55，153.80，152.65，152.36，136.04，135.56，131.52，131.01，130.81，130.20，129.71，127.71，126.31，125.35，124.20，123.18，121.52，113.36，112.59，79.23，78.09，76.90，62.75，42.95，39.21，32.05，28.05，20.97.HRMS（ESI+）：实测值C30H25N3OS［M+Na］+m/z498.1213，计算值m/z498.1616.

1.4 光谱性能测试

缓冲溶液PBS的配置：准确称取7.16 g Na2HPO4-12H2O和1.56 g NaH2PO4-2H2O，用二次蒸馏水分别定容到100 mL和50 mL容量瓶中，将已配好的Na2HPO4-12H2O溶液倒入烧杯中，用NaH2PO4-2H2O溶液调节至pH=7.4，随后取出50 mL溶液用二次蒸馏水定容到500 mL容量瓶中，得到20 mM的PBS缓冲液.

各种阳离子的配制，用相应的硝酸盐或氯化盐配制所需阳离子溶液.以Pd2+为例：准确称取8.87 mg PdCl2固体，用MeOH/PBS（1/3，v/v）溶液定容至10 mL，得到所需Pd2+离子溶液（5 mM）.其他阳离子溶液（Al3+、Ca2+、Cd2+、Mg2+、Ba2+、Cr3+、Mn2+、Pb2+、Co2+、Ni2+、Zn2+、Hg2+、K+、Ag+、Fe2+、Fe3+、Na+和Cu2+）均用PBS缓冲液定容至10 mL，配制成5 mM的溶液. 将探针L用THF溶液制备成浓度1.0 mM的储备液，用THF/H2O（4/6，v/v，PBS 20 mM，pH=8.6）将其稀释成10 μM后进行测试.

1.5 实际水样的制备

参照文献［20］方法制备.

2 结果与讨论

2.1 探针L 对Pd2+的荧光响应

首先，评估了探针L对各种金属离子的传感性质，包括Al3+、Fe2+、Ba2+、Fe3+、Na+、Ca2+、Cd2+、Ni2+、Mg2+、Cu2+、Pb2+、Mn2+、Co2+、Zn2+、Hg2+、K+、Ag+和Cr3+，如图1A所示，当在THF/H2O（4/6，v/v，PBS 20 mM，pH=8.6）溶液中以441 nm作为激发时，探针L（10 μM）及添加的20 μM其他阳离子后，显示出以530 nm为中心的弱发射带.向探针L中加入等摩尔量的Pd2+时，在720 nm处有显著荧光增强的现象.结果表明探针L对Pd2+具有良好的选择性.此外，还考察了探针L对Pd2+的时间响应，如图1B，在720 nm处，探针L对Pd2+反应的荧光强度随时间增加而增强，并在3 min内荧光强度基本保持稳定，说明此时探针L对Pd2+反应基本完成，体现出了良好的时间响应.

为进一步研究其它离子（Al3+、Ca2+、Cd2+、Mg2+、Ba2+、Cr3+、Mn2+、Pb2+、Co2+、Ni2+、Zn2+、Hg2+、K+、Ag+、Fe2+、Fe3+、Na+和Cu2+）对探针L识别Pd2+是否存在影响. 进行了竞争性实验（图2A）的测试. 向探针L中分别加入20 μM的金属离子后，在720 nm处的荧光强度无明显变化，继续向测试液中加入等摩尔量的Pd2+，720 nm处的荧光强度均显著增强.结果表明，在其金属离子与Pd2+共存时探针L对Pd2+的识别几乎无干扰.说明探针L对Pd2+的识别具有较强的抗干扰能力.

为了考察探针L在实际样品中的应用价值，本文进一步考察了pH对探针L识别Pd2+的影响，结果如图2B所示.由图2B可知，在pH为3～12的范围内探针L在720 nm处均无荧光发射；探针L与Pd2+反应后，在pH为3～8范围内，荧光强度均显著增强且较为稳定.实验结果表明，在pH＜8的条件下，探针L对Pd2+的识别具有较好的响应，能够检测实际样品中的Pd2+.

为进一步探究探针L对Pd2+的传感性质，进行了Pd2+对L（10 μM）的荧光滴定实验（图3A）.在探针L在THF/H2O（4/6，v/v，PBS 20 mM，pH=8.6）的缓冲溶液中，随着Pd2+浓度的逐渐增加，720 nm处的荧光强度逐渐增强.当Pd2+浓度增加至20 μM时，其荧光强度几乎保持不变，此时滴定已达到饱和.由此可见，探针L对Pd2+有很好的传感性质.探针溶液在720 nm处的荧光强度与Pd2+浓度（0～9 μM）之间具有良好线性关系（R2=0.9916，图3B），计算出的检测限（LOD=3σ/k）为1.23×10-8M.表明探针L对Pd2+的检测有较高的灵敏度，可进行定量的分析.

2.2 探针L 对Pd2+的识别机制

根据相关文献［21-23］报道，我们推测探针L对Pd2+的识别机理是经由炔丙基醚断裂并释放出近红外发射的荧光团（化合物3）.为了验证此机理，将探针L与Pd2+反应后与化合物3具有相同Rf值的结构分离出来，对其进行了1H NMR和HRMS的测试，从图4所测得的1H NMR中可以看出，分离后的产物中归属于酚羟基（图4a）的质子峰（13.26 ppm）在图4b中出现，而探针L中4.58 ppm处归属于苄基（CH2）的信号峰在图4b中消失，分离后的产物（图4b）与化合物3（图4c）的1H NMR相同，说明机理推测正确.此外，HRMS结果（图5）进一步验证了该机理，在m/z=438.1690处的峰可归属于［M+H］+（计算值为438.1635，M为化合物3的相对分子质量）.探针L对Pd2+的识别机制如反应式2所示.

2.3 实际水样中探针L 对Pd2+的识别

为了探索在实际水样中探针L对Pd2+的检测能力，我们选取了实验室中常用的含Pd2+的催化剂，包括Pd（dppf）Cl2·CH2Cl2、［（C6H5）3P］PdCl2、PdCl2以及Pd（AcO）2. 用探针L对其进行检测，添加Pd2+的浓度为20 μM. 如图6A所示，探针L对不同催化剂在720 nm处的检测都有明显的响应. 为进一步说明探针L的潜在应用价值，本文采用了不同的实际水样进行了荧光光谱的测定. 如图6（B），三种水样在含Pd2+浓度7.5 μM～20 μM范围内具有良好的线性关系（R2＞0.99）.测试结果如表2所示，对于水样品中Pd2+的检测，该方法的回收率在94.83%至108.84%之间，相对标准偏差（RSD）在0.42%至2.17%的范围内.因此，探针L可以用于实际水样中Pd2+的检测.

表2 样品分析的测试结果

3 结论

本文设计合成了一种以苯并噻唑衍生物的反应型荧光探针L，探针L在THF/H2O（4/6，v/v，PBS 20 mM，pH=8.6）的缓冲溶液中对Pd2+的识别具有高选择性，高灵敏度，以及近红外荧光发射（λem=720 nm）的特点，且具有较强的抗干扰能力，检测限为1.23×10-8M.通过1H NMR和HRMS谱证实了探针L对Pd2+的识别机理是通过Pd2+造成炔丙基醚的断裂，释放出近红外的荧光团.此外，探针L能够在含Pd2+催化剂中和真实水样中检测Pd2+.