席夫碱-Zn2+复合物对乙醇中微量水的荧光检测

吴琦，王煜

（山西大学 化学化工学院，山西 太原 030006）

0 引言

有机溶剂中痕量水的定性和定量检测在各个化学领域，如有机合成、分离测试等都具有至关重要的意义。因此，测定有机溶剂中的微量水也是各种化学过程中所需的关键分析方法［1］。实验室中最常用的水含量测定方法是Karl-Fisher滴定法［2］。但该法存在操作烦琐，试剂吡啶有毒且有恶臭的缺点。与之相比，荧光法具有灵敏度高、选择性好、操作简便等优点。近年来，基于分子内电荷转移（ICT）、光诱导电子转移（PET）、激发态分子内质子转移（ESIPT）、分子聚集、溶致变色、化学计量反应等识别机理已经研制出一些荧光传感器用于有机介质中水含量的测定［3-6］。如Yang等［4］基于共振能量转移（FRET）设计的丹磺酰-罗丹明复合物荧光探针用于检测DMF中的微量水；Wu等［5］利用激发态分子内质子转移（ESIPT）和聚集诱导发光（AIE）研制的吡咯并吡咯二酮衍生物荧光探针用于检测非质子溶剂中的水含量。然而这些探针存在合成方法烦琐的缺点。此外，由于醇和水分子之间存在强的氢键，对于醇溶剂中微量水的测定是一项挑战性的工作［7-10］。Zargoosh［7］等报道了一种 N，N-二甲苄胺-Pd-姜黄素络合物，基于氢键作用可检测乙醇中微量水，检测限为 0.001%（V/V）。Niu等［8］合成了一种铕配合物，利用其对溶剂极性的敏感性可检测乙醇中水的含量，检测限为0.056%（V/V）；Yousuke［10］等基于PET原理设计的苯-硼酸酯用于乙醇中微量水的测定，检测限为0.04%（质量百分含量）。相比非质子溶剂，对醇溶剂中微量水测定的报道较少，且存在探针结构复杂、灵敏度有待提高及不能裸眼识别检测等问题。因此，开发性能优良的荧光传感体系用于醇溶剂中微量水的检测迫在眉睫且具有较大的发展空间。

本文合成了一种结构简单的久洛尼定席夫碱荧光传感器HP。研究表明，在无水乙醇溶剂中，HP对Zn2+产生良好的“开启”型荧光响应。而乙醇溶剂中的微量水对HP-Zn2+复合物的荧光具有定量猝灭作用，从而可实现对乙醇中微量水的快速灵敏检测，检测限为0.001 2%（V/V）。微量水的存在可能减弱了HP对Zn2+的络合作用，导致溶液的蓝绿色荧光猝灭，并伴随颜色的变化，因而也能够方便快捷地裸眼识别检测乙醇中的微量水。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

8-羟基久洛尼定-9-甲醛购自东京化成工业株式会社（＞96%），2-（甲硫基）苯胺购自上海吉至生化科技有限公司（98%），无水乙醇购自天津市大茂化学试剂厂。其他化学试剂均为分析级，可直接使用。在实验的过程中使用双蒸水。

UV-2450分光光度计（日本，岛津）；F-4600分光光度计（日本，日立），激发为422 nm，狭缝为10/10 nm；DRX-600核磁共振仪（布鲁克，德国）；红外光谱仪（SHIMADZU 8400S，Nicolet，Waltham，日本）。

1.2 探针HP的合成及结构表征

图1为用于制备探针HP的合成路线。三颈烧瓶中加入0.5 mmol（0.108 6 g）8-羟基久洛尼定-9-甲醛，将其充分溶解于无水乙醇溶剂中，然后加入0.5 mmol（62.4 μL）2-（甲硫基）苯胺及四滴冰乙酸，将此混合物在80℃下加热回流并过夜。反应结束后，过滤得黄色固体，干燥并保存。IR ν max（KBr）2 937，1 644，1 594，1 520，1 426，1 312，1 173，787，763 cm—1。1H NMR（600 MHz，CDCl3）δ：13.68（1H，S），8.37（1H，S），7.20（1H，m），7.15（2H，m），7.11（1H，m），6.77（1H，S），3.24（4H，q，J＝4.74），2.79（2H，t，J＝6.42），2.69（2H，t，J＝6.24），1.94（4H，m），2.45（3H，S）。13C NMR（600 MHz，CDCl3）δ：158.72，134.04，130.06，125.75，125.23，116.49，113.05，108.58，106.62，50.17，49.83，27.23，21.94，21.01，20.38，14.90。

图1 探针HP的合成路线Fig.1 Synthesis route of probe HP

1.3 紫外和荧光光谱分析

称取一定量的HP溶解在无水乙醇中，配置1×10—3mol/L的HP母液。使用去离子水制备1×10—2mol/L的锌离子储备液。在比色管中加入20 μmol/L或4 μmol/L的探针母液，而后加入一定量的Zn2+溶液，使用无水乙醇定容至5 mL，将该混合溶液充分摇匀并放置5 min，然后进行相应的紫外或荧光光谱测定。对于水的影响，在上述体系中逐渐加入二次水，摇匀并静置5 min后记录光谱数据。

2 结果与讨论

2.1 Zn2+对HP紫外吸收光谱的影响

图2为HP在无水乙醇中加入Zn2+前后的紫外吸收光谱。HP在～402 nm处具有强吸收带。当加入Zn2+时，新的吸收带逐渐移至～422 nm，并且峰强度不断增强，同时在403 nm出现等吸收点，表明HP和Zn2+络合形成了新的复合物。在日光灯下，可以观察到溶液颜色从淡黄色变成黄色。可以推测，Zn2+和HP的供体N和O原子的孤电子对配位结合，导致HP-Zn2+复合物的平面化程度增加及光谱红移［11］。

图 2 不同浓度 Zn2+（0-2.5 equiv.）存在下HP（20 μmol/L）的紫外吸收光谱。插图：在日光灯下HP溶液的颜色变化Fig.2 Uv-vis absorption spectra of HP（20 μmol/L）when incremental concentrations of Zn2+（0-2.5 equiv.）are added.Insert：Color change of HP solution under daylight

2.2 Zn2+对HP荧光光谱的影响

由图3（a）可以看出，在422 nm激发下，HP的无水乙醇溶液在480 nm及560 nm处具有微弱的荧光发射。弱的荧光一方面可能是因为分子中存在C＝N的顺反异构化，另一方面可能是由于发生了从酚—OH到席夫碱N上的激发态分子内质子转移，增加了非辐射跃迁的概率。其中发射光谱中的480 nm为烯醇式发射峰，560 nm为酮式发射峰。在HP的无水乙醇溶液逐步加入Zn2+后，溶液的荧光显著增强（～23倍）。同时，在紫外灯下可观察到强的蓝绿色荧光（图3a插图）。图3（b）显示Zn2+浓度在4.0×10—7mol/L～1.0×10—5mol/L有较好的线性关系，因此可以用于Zn2+的定量分析。计算得出其检测限为4.15×10—9mol/L。

图3 Zn2+浓度对HP荧光光谱的影响：（a）加入不同浓度Zn2+（0～2.5 equiv.）的HP（4 μmol/L）的荧光滴定图。插图：HP的颜色变化（365 nm紫外灯）；（b）480 nm处荧光强度与［Zn2+］的关系图Fig.3 Effect of Zn2+concentration on the fluorescence spectrum of HP：（a）Fluorescence spectra of HP（4 μmol/L）when increasing concentrations of Zn2+（0-2.5 equiv.）are added Insert：The color change of the HP solution under a 365 nm UV lamp；（b）Intensity at 480 nm vs.［Zn2+］plot

实验进一步考查了HP对Zn2+的选择性。在相同的实验条件下，测定了其他金属离子对HP荧光强度的影响。如图4所示，除了Zn2+之外，其他金属离子都不能使探针溶液的荧光显著增强，说明HP对Zn2+有很好的选择性。荧光强度的变化可能是由于在加入Zn2+后，Zn2+与HP中的N原子、酚-O原子及S原子络合，阻碍了ESIPT过程和C＝N异构化，同时增加了分子的平面化，使得体系有着显著的荧光增强，即产生络合荧光增强作用。

图4 HP对Zn2+ 的选择性（a）不同金属离子（10 μmol/L）存在下HP（4 μmol/L）的荧光光谱图；（b）480 nm处荧光强度柱状图Fig.4 Selectivity of HP towards Zn2+：（a）Fluorescence spectra of HP（4 μmol/L）in the presence of different metal ions（10 μmol/L）；（b）Fluorescence intensitiy histogram at 480 nm

通过Job’s图分析测定了Zn2+离子与HP的结合比。图5a表明，两者形成了1∶1的络合物。根据Benesi-Hildebrand方程，HP-Zn2+的缔合常数为 2.33×105mol/L—1（图 5b）。

图5 HP和Zn2+的结合以及结合常数：（a）在乙醇中HP和Zn2+络合的Job’s图（HP和Zn2+的总浓度为20 μmol/L）；（b）Benesi-Hildebrand图Fig.5 Complexation stoichmetry between HP and Zn2+and binding constant：（a）Job’s diagram of complexation of HP and Zn2+in EtOH（The total concentration of HP and Zn2+is 20 μmol/L）；（b）Benesi-Hildebrand diagram

2.3 HP-Zn2+复合物检测乙醇中微量水

研究发现，HP-Zn2+复合物的荧光强度对水的存在极为敏感。由图6（a）可以看出，在无水乙醇溶液中逐渐加入微量水时，HP-Zn2+复合物的蓝绿色荧光被显著猝灭，显示出该复合物对乙醇中的水具有高灵敏响应。图6（b）表明体系的荧光强度和水体积比在0.001 2%～1.8%范围内呈良好的线性关系，因此可以用于乙醇中微量水的定量分析。计算得出其检测限为0.001 2%（V/V）。

图6 微量水对乙醇中HP-Zn2+荧光的影响：（a）加入增量水时HP-Zn2+（4 μmol/L）在乙醇中的荧光光谱，内插图：加入微量水后在365 nm紫外灯下溶液颜色的变化；（b）480 nm处荧光强度与水含量的关系Fig.6 Effect of trace water on the fluorescence of HP-Zn2+in ethanol：（a）Fluorescence spectra of HP-Zn2+（4 μmol/L）in ethanol when adding incremental water；Insert：The color change of the solution under a 365 nm ultraviolet lamp after adding a small amount of water；（b）Intensity at 480 nm vs.［H2O%］plot

表1列出了近年来报道的乙醇中微量水荧光探针的分析特性［12-18］。可以看出，探针HPZn2+的灵敏度与已报道的其它探针的灵敏度相当或更好。此外，探针合成方法简单，可以快速方便地检测乙醇中的微量水。

表1 探针HP与现有乙醇中微量水荧光探针的比较Table 1 Some reported fluorescence probes for trace water detection in EtOH

2.4 结合模式及响应机理

为考察响应机理，测定了微量水对HP-Zn2+复合物紫外吸收的影响。随着微量水的加入（图7），HP-Zn2+溶液的吸收光谱逐渐恢复至HP本身的吸收光谱，表明微量水的存在会使HP-Zn2+复合物分解，使HP恢复游离态。这可能是由于水的存在会作为配体竞争结合Zn2+离子，从而减弱HP与Zn2+的络合能力。

图7 添加增量水分时HP-Zn2+（20 μmol/L）在乙醇中的紫外光谱图Fig.7 UV-vis spectra of HP-Zn2+（20 μmol/L）in ethanol when adding incremental water

进一步通过核磁氢谱测定考察了HP与Zn2+的结合位点。如图8所示，HP的H1～H7质子的化学位移分别为 8.37、6.80、7.33、7.30、7.21、7.16，2.45 ppm。添加 Zn2+后（1.0当量），所有这些峰均移至低场，表明甲亚胺N、酚羟基氧及硫原子参与了Zn2+的络合（图9）。当向HP-Zn2+配合物体系中加入 D2O（2%）H1～H7的质子峰又移向高场，证实了水的存在会使HP-Zn2+复合物分解（图9）。

图8 探针HP、HP+Zn2+（1.0 equiv.）及 HP+Zn2+（1.0 equiv.）+D2O（2%V/V）在d4-MeOH中的核磁氢谱图Fig.8 Partial1H NMR spectra of HP only，HP+Zn2+（1.0 equiv.）and HP+Zn2+（1.0 equiv.）+D2O（2%V/V）in d4-MeOH

图9 HP与Zn2+可能的结合方式及检测微量水的感应机制Fig.9 Possible binding mode of HP and Zn2+and sensing mechanism for detecting trace water

3 结论

合成了久洛尼定席夫碱荧光探针HP。在无水乙醇中，Zn2+对HP的荧光有着显著增强作用。微量水的加入会引起HP-Zn2+复合物的解离并定量猝灭荧光，因此可以定量检测乙醇中的微量水，检测限为0.001 2%（V/V）。该检测方法显示出简便、灵敏的特点。