高灵敏度的氰根离子荧光探针的合成及其性质研究

王佳佩，李雅琴，王晓帆，黎俊波

武汉工程大学化学与环境工程学院，湖北 武汉 430205

氰化物是对生活环境危害最大的化学物质之一［1-3］，它能强烈结合细胞色素C 活性位点，抑制线粒体电子转运链，导致氧化代谢和氧利用降低。因此，世界卫生组织将饮用水中氰化物的最大允许含量定为 1.9 μmol/L［4］。同时，工业废水中的氰化物含量也受到严格管制，中国环境保护总局规定工业废水允许含量为 38.5 μmol/L［5］。然而，氰化物盐的工业用途十分广泛，被广泛应用于电镀［6］、金矿开采［7］、冶金［8］、尼龙［9］、纤维和树脂的合成［10］，不可避免地会导致CN-释放到环境中。实际上，某些种子中也含有少量氰化物，如苹果、芒果、桃子和苦杏仁［11］；汽车尾气中甚至香烟烟雾中也含有氰化物，这些氰化物是含氮物质不完全燃烧时形成的［12］。

基于此，对环境样品特别是化工厂周边水体中氰根离子浓度进行快速、准确的检测尤为重要。目前已有的分析方法，包括伏安法［13-14］、电位法［15］和色谱法［16］等，已经成功检测出极低浓度的氰根离子（＜0.1 μmol/L），但这些方法样品预处理过程繁杂或仪器昂贵难以得到，不适合快速、大批量样品检测。氰根离子荧光探针方法，定性分析可以通过溶液颜色及荧光变化判断，简单快速。同时，其定量分析也可以通过普通的紫外及荧光分光光度计进行，受到人们的普遍关注。当前，虽然有大量的氰根离子荧光探针被报道，但也存在探针水溶性较差［17］、选择性不强［18］、检出限较高（＞2 μmol/L）［19］等缺点，设计新的低成本、高选择性、高灵敏度氰根离子探针［20］，特别是基于颜色及荧光双通道信号输出的探针意义重大。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

仪器：核磁共振仪（美国瓦里安公司VX 400）；BiflexⅢ型质谱仪（Bruker 公司）紫外分光光度计（日本岛津公司）；荧光光谱仪（日本日立公司F-7000）。

试剂：四丁基氰化铵、四丁基高氯酸铵、四丁基氯化铵、四丁基溴化铵、四丁基氟硼酸铵、四丁基磷酸二氢铵、四丁基碘化铵、四丁基硝酸铵、四丁基氟化铵均为市售分析纯，且所有试剂及溶剂均经过常规纯化处理，水为二次蒸馏水。

1.2 实验方法

探针（E）-2-（4-［二苯基氨基）苯乙烯基］-1，3，3-三甲基-3H-吲哚-1-鎓［2-（4-（diphenylamino）styryl） -1，3，3-trimethyl-3H-indol-1-ium iodide，DADI］合成路线如图1 所示。

1.3 化合物1 的合成

将20 g 三苯胺冰浴下溶于16 mLN，N-二甲基甲酰胺，氮气保护。冰浴下，将58.8 mL 三氯氧磷逐滴加入，升温至45 ℃，反应2 h，加入冰水猝灭，将pH 值调至7～8，随即大量固体析出，静置过夜。抽滤，滤饼经乙酸乙酯重结晶后得到黄色目标产物 19.6 g（产率：88%）［21］。

图1 探针DADI的合成路线Fig.1 Synthetic route for DADI

1.4 化合物2 的合成

将 3.2 g 碘甲烷和 3.0 g 2，3，3-三甲基吲哚溶于甲苯（60 mL），回流反应48 h，冷却至室温。抽滤，滤液倒入100 mL 正己烷，超声处理10 min，有沉淀析出，抽滤，得棕色固体5.4 g（产率：95%）［22］。

1.5 探针DADI的制备

往30 mL 绝对无水乙醇中加入化合物1（180 mg）和化合物 2（280 mg，0.001 mol）及 3 滴哌啶，体系回流反应24 h。冷却至室温后，过滤，用无水乙醇、二氯甲烷依次洗涤沉淀，得深紫色目标产物 65 mg（产率：61.8%）。1H NMR（CDCl3，300 MHz）δ：8.10（d，1H），7.99（d，2H），7.47～7.51（m，5H），7.31～7.36（m，4H），7.14～7.21（m，6H），6.97（d，2H），4.27（s，3H），1.79（s，6H）。13C NMR （CDCl3，75 MHz）δ：181.7，154.3，153.8，145.2，142.5，141.6，134.0，129.9，129.4，128.8，126.6，126.0，122.6，119.2，113.8，107.9，51.7，36.2，27.3.MS（TOF）m/z：［M-I］+，calcd for C31H29N2429.23，found：429.63。

1.6 实验方法

无水乙醇作为溶剂，首先配置化合物DADI 的溶液（1×10-4mol/L）。精确量取该浓度溶液1.0 mL，加入100 mL 容量瓶中，加10 mL 蒸馏水，并补加无水乙醇并定容至100 mL，得到探针DADI（1×10-6mol/L）标准溶液。

取3.00 mL 新配制的探针DADI 标准溶液，移至1 cm 厚紫外或荧光池中，测其紫外-可见光光谱，同时，以355 nm 为激发波长，测试其荧光光谱。配置浓度为1×10-3mol/L 的各种阴离子的水溶液，取30 μL 分别加入到探针溶液中，反应5 s 后，测其紫外-可见光光谱及荧光光谱。 同时可观察到溶液颜色是否有变化。

以9，10-二苯基蒽作为标准物（在CH2Cl2中Фf= 0.95），DADI 在V（C2H5OH）/V（water）=9∶1 溶液中荧光量子产率接近0.07；DADI-CN-在V（C2H5OH）/V（water）=9∶1 溶液中荧光量子产率接近20%。

2 结果与讨论

2.1 设计与合成

吲哚骨架上的氮原子易与卤代烃发生亲核取代反应，氮原子变为四级铵正离子，此时C=N 双键被活化，容易受亲核试剂的进攻而断裂为C-N单键。同时，如果分子体系C=N 双键被打开，必然导致原来分子共轭给受体系被破坏，也就导致探针溶液的颜色及荧光发生明显变化，从而达到高效检测的效果。三苯胺醛合成［20］及吲哚甲基化反应［21］依据文献报道方法合成，碱性条件下，1 和2（见图1）在乙醇溶液中反应得到探针DADI，整个合成过程简单，每步产率高，探针DADI廉价易得。

2.2 离子选择性研究

在V（C2H5OH）/V（water）=9∶1 时，探针 DADI溶液呈紫色，最大吸收波长为545 nm，且有弱的荧光。向探针溶液中分别加入10 倍物质的量的阴离子 CN-，Cl-，BF4-，ClO4-，Br-，H2PO4-，I-，NO3-和 F-等。如图2（c）所示，只有当加入10 倍物质的量的氰根离子时，溶液颜色很快由紫色变为无色，且发出强烈的蓝色荧光，而其它阴离子加入后溶液颜色及荧光均无变化。探针溶液紫外及荧光光谱也相应发生变化，如图2（b）所示，加入氰根离子后，溶液在545 nm 处的最大吸收峰明显下降，溶液颜色由紫色变为无色，同时，溶液在428 nm 处发射峰明显增强。其它常见阴离子加入对其紫外及荧光光谱无明显影响。探针DADI 展现出高的氰根离子检测选择性。

图2 DADI溶液加入不同阴离子后溶液：（a）荧光光谱，（b）紫外吸收光谱，（c）256 nm 光激发下及可见光下图片Fig.2 DADI solution after addition of various anions:(a)fluorescence spectra,(b)UV-vis spectra,(c)pictures under 256 nm emission and visible light

2.3 离子干扰性研究

在V（C2H5OH）/V（water）=9∶1 的溶液中，将CN-分别加入到含有如下阴离子（阴离子与CN-等理，且为 DADI 的 10 倍物质的量）的探针 DADI 溶液中，如 Cl-，BF4-，ClO4-，Br-，H2PO4-，I-，NO3-和 F-等，测试其荧光光谱。如图3 所示。当加入CN-后，除F-对CN-的检测有较小的影响外，其它阴离子荧光光谱的强度并无明显变化，进一步证明其它阴离子对探针DADI对CN-检测无干扰。

图3 其它阴离子干扰Fig.3 Interference of other anions

2.4 检测限研究

在探针DADI 溶液中逐步滴加氰根离子，其滴定曲线荧光光谱图如图4（a）所示，以355 nm 为激发波长，探针DADI 在428 nm 处呈现弱的荧光，加入氰根离子后，428 nm 处荧光逐渐增强。

将415 nm 处荧光强度和所对应氰根离子浓度进行线性拟合，得到图4b，在浓度为7～70 μmol/L范围内，探针溶液荧光强度与氰根离子浓度呈线性关系。由公式检测限=3Sd/ρ（Sd为空白测定标准偏差，ρ为曲线斜率）可得，该探针对氰根离子检测限为0.067 μmol/L，远低于世界卫生组织对饮用水中氰根离子含量标准。

2.5 pH 值影响

如图5 所示，在 pH=2～9 的范围，探针 DADI 能稳定发出较弱荧光，加入氰根离子后，在pH=5～11范围，探针DADI 内荧光强度明显增大，在pH 低于5 高于12 时，则不稳定，有可能是由于DADI-CN-配体在此过程中发生了分解。因此，探针DADI 可以在较宽的pH 范围（pH=5～9）内对氰根离子进行选择性识别。

图4 (a)随CN-浓度增加DADI溶液荧光变化曲线,(b)CN-浓度与荧光强度的线性拟合图Fig.4 (a)Fluorescence titration of DADI with increasing of CN-concentration,(b)plot of fluorescence intensity versus concentration of CN-

图5 DADI和DADI-CN-在不同的pH 条件下428 nm处的荧光强度Fig.5 Variation of fluorescence intensity at 428 nm of DADI in presence and absence of CN-as a function of pH

2.6 可能的作用机理

可能的络合机理如图6 所示，氰根离子具有较强的亲核性，能与探针中活性较大的C=N 双键发生亲核加成反应，进而破坏分子共轭性，分子内电荷转移消失，探针的颜色及荧光也会因此改变。

图6 探针DADI与CN-可能的作用方式Fig.6 Possible binding mode of CN-with DADI

在最佳溶剂体系中［V（C2H5OH）/V（water）=9∶1］，取适量探针DADI，加入10 倍当量氰根离子后，室温搅拌，溶液很快由红色变为无色，且具有蓝色荧光。旋蒸掉溶剂，得到DADI+CN-。如图7所示，在DADI+CN-红外光谱中，2 200 cm-1出现氰基的特征峰，表明氰根离子与DADI 发生反应。在1 100 cm-1出现较强峰，归属于碳氮单键，同时，在DADI 红外光谱中，1 600 cm-1对应的碳氮双键峰在DADI+CN-红外光谱中消失，表明氰根离子打开C=N 双键形成C-N 单键。

图7 探针DADI和DADI+CN-的红外光谱图Fig.7 FTIR spectra of DADI and DADI+CN-

3 结 论

本论文设计、合成了一种高选择性识别氰根离子新型探针DADI，并利用1H NMR、13C NMR、质谱手段对其结构进行了全面的表征。研究结果表明，该类探针 DADI 与 CN-反应比为 1∶1，在 7～70 μmol/L 范围内，探针的荧光强度与氰根离子浓度呈线性关系，检测限达到0.067 μmol/L。后续通过在分子体系中引入水溶性基团构建完全水相检测的探针，进一步增强此类探针的实用性。