基于咪唑并[1，2-α]吡啶结构turn-on型碱土金属离子传感器的合成与性质研究

张细稳

(江西科技师范大学，有机功能分子研究所，南昌 330013)

1 引言

碱土金属元素包括铍、镁、钙、锶、钡、镭，Mg2+在细胞增殖的生化过程和脱氧核糖核酸(DNA)结构的稳定性等许多细胞机制中起着重要的作用[1，2]，饮食中缺乏Mg2+是一些疾病的诱发原因[3-5]，同时也参与了生物体的神经信号的传递[6，7]；Ca2+是生理液体和生物体中最丰富的元素之一，钙离子在生物信号转导通路中起着重要作用[8]，而且与多种疾病息息相关，如骨质疏松[9]、冠心病[10]和阿尔茨海默症[11]；90Sr2+是一种放射性金属，在核电站附近的水环境中普遍存在。由于其半衰期较长(T1/2=28.7年)，可对生态系统造成长期污染[12，13]。因此开发能够检测碱土金属离子的荧光传感器对生命科学和环境保护具有重要意义。

咪唑并[1，2-a]吡啶是一种天然骨架，广泛应用于药物化学，尤其是抑制类药物的合成[14]，如CBP/P300的选择性抑制剂[15]、醛脱氢酶抑制剂[16]等；除此之外，它还具有独有的荧光特性和简单的合成方法，逐渐被用于离子检测和细胞靶向荧光探针[14，17-20]。为此，本研究设计并合成了一种对称的含有两个咪唑并[1，2-a]吡啶单元的增强型荧光探针1。

合成路线：探针1的合成路线

2 材料与方法

2.1 材料与仪器

除非另有说明，实验过程中的溶剂均为色谱级溶剂与蒸馏水。测试仪器也会在后面提及。布鲁克核磁共振谱仪(AV 500 MHz)，荧光光谱测量采用Hitachi F-4600荧光分光光度计，质谱使用Agilent 1100离子阱质谱仪。

2.2 探针1的制备与表征

在无水无氧、氩气保护的氛围中，向装有10 mL色谱甲醇的50 mL史莱克瓶中加入2，6-二醛基吡啶(1.35 g，1.0 mmol)、2-氨基吡啶(1.88 g，2.0 mmol)和三氟甲基磺酸钪(60.0 mg，0.12 mmol)，在室温下搅拌60 min，随后注入1.0 mmol叔丁基异腈。反应继续室温搅拌48 h，反应结束后，减压旋干甲醇，用硅胶柱层析纯化(石油醚：乙酸乙酯=5：1)得到淡黄色固体。1H NMR(500 MHz，CD3CN δ 8.36-8.37(d，J=5 Hz，2 H)，8.00-8.01(d，J=5 Hz，2 H)，7.90(t，J=5 Hz 10 Hz，1H)，7.46-7.47(d，J=5 Hz，2 H)，7.19(t，J=10 Hz 5 Hz，2 H)，6.83(t，J=5 Hz 10 Hz，2 H)，4.93(s，2 H)，1.02(s，18 H)。13C NMR(500 MHz，CDCl3)δ152.82，140.72，136.34，134.84，126.72，123.22，123.04，119.59，116.53，110.29，55.30，28.91。ESI-MS：m/z 454.2726[M+H+]+(calcd 453.2641)。

2.3 配制探针1溶液和分析物溶液

称取4.53 mg(0.01 mmol)探针1并溶于10 mL色谱乙腈中，Ca2+、Mg2+、Sr2+、Al3+、Zn2+、Cd2+、Ag+、Cr3+、K+、Fe3+、Hg2+、Mn2+、Ni2+、Cu2+、Co2+和Pb2+分别用各自对应的硝酸盐配制，浓度为0.1 mol/L。

3 结果与讨论

3.1 探针1对Mg2+、Ca2+、Sr2+的荧光识别及其光学性质

在室温下，研究了探针1在乙腈溶液(2×10-5mol/L)中对各种金属离子(Ca2+、Mg2+、Sr2+、Al3+、Zn2+、Cd2+、Ag+、Cr3+、K+、Fe3+、Hg2+、Mn2+、Ni2+、Cu2+、Co2+和Pb2+)的响应，如图1A所示，在380 nm光的激发下，当向探针1的乙腈溶液中加入2 μL的各种金属离子后，Mg2+使探针1的荧光从112增强到1544，发射波长由原来的493 nm变为545 nm；Ca2+使探针1的荧光从112增强到2021，发射波长由原来的493 nm变为523 nm；Sr2+使探针1的荧光从112增强到912，发射波长由493 nm移动到483 nm；荧光从很弱的黄色荧光变为明亮的黄色。而从图1B和1C中则可以更明显地看出加入除Mg2+、Ca2+、Sr2+之外的金属离子，并不能改变探针1的荧光强度，可以初步看出探针1对Mg2+、Ca2+、Sr2+具有选择性。

图1 380 nm光激发下，探针1的乙腈溶液(2×10-5mol/L)在加入各种金属离子之后的，(A)荧光变化谱图，(B)荧光变化柱状图，(C)荧光变化的照片

随后在探针1的乙腈溶液中分别用Mg2+、Ca2+、Sr2+对探针1进行了荧光滴定实验。如图2A所示，向探针1的乙腈溶液中逐滴滴加Mg2+时，探针1的荧光从112分别增强到1544，荧光强度增强了约14倍，当滴加到1当量。即20 μ mol/L时达到最大荧光强度，且继续滴加荧光强度保持稳定；在图2B所示，根据检测限公式LOD=3δ/A得到探针1对Mg2+的检测限为21 nM；最后根据Benesi-Hildebrand计算得到探针1与Mg2+的结合常数为26187 L/mol。

图2 380 nm光激发下，探针1的乙腈溶液(2×10-5mol/L)对(A)Mg2+的荧光滴定点图，(B)探针1对Mg2+的检测限

同理，当向探针1的乙腈溶液中逐滴滴加Ca2+时，探针1的荧光从112分别增强到2021，滴加到84 μmol/L后荧光强度保持不变(图3A)；根据检测限公式LOD=3δ/A得到探针1对Ca2+的检测限分别48 nM(如图3B)。根据Benesi-Hildebrand计算得到探针1与Ca2+的结合常数为13707 L/mol。

图3 380 nm光激发下，探针1的乙腈溶液(2×10-5mol/L)对(A)Ca2+的荧光滴定图，(B)探针1对Ca2+的检测限

最后向探针1的乙腈溶液中逐滴滴加Sr2+时，探针1的荧光从112分别增强到1140，滴加到50 μmol/L后荧光强度保持不变(图4A)；根据检测限公式LOD=3δ/A得到探针1对Sr2+的检测限分别43 nM(如图4B)。根据Benesi-Hildebrand计算得到探针1与Sr2+的结合常数为209060 L/mol。通过这些测试可以看出探针1对Mg2+、Ca2+、Sr2+有良好的选择性以及较高的灵敏度。

图4 380 nm光激发下，探针1的乙腈溶液(2×10-5mol/L)对(A)Sr2+的荧光滴定点图，(B)探针1对Sr2+的检测限

3.2 探针1对Mg2+、Ca2+、Sr2+的识别机理

为了研究探针1与Mg2+、Ca2+、Sr2+的识别机理，首先通过 Jod’s plot 实验对探针1与Mg2+、Ca2+、Sr2+进行了络合比的测试，如图5所示，当Mg2+、Ca2+、Sr2+的体积分数为0.5时荧光强度最大，说明Mg2+、Ca2+、Sr2+与探针1均是以1：1的方式结合的。

图5 380 nm光激发下，探针1乙腈溶液中与(A)Mg2+的络合比，(B)Ca2+的络合比，(C)Sr2+的络合比

为了进一步了解Mg2+、Ca2+、Sr2+在探针1的乙腈溶剂中与探针分子的作用机理，首先通过质谱仪对添加Mg2+、Ca2+、Sr2+前后的离子峰的变化进行了测定，在探针1+Mg2+的质谱中找到了m/z为602.1348的离子峰，刚好是探针[1+Mg2++2NO3-+H]+的分子量；而在探针1+Ca2+的质谱中的m/z为555.2126处找到了[1+Ca2++NO3-]+的离子峰；用相同的办法，在m/z为602.1352的位置找到了[1+Sr2++NO3-]+的离子峰，以此确认了探针1与Mg2+、Ca2+、Sr2+作用时参加了的微粒种类和个数比。

4 结论

本文设计并合成了一个具有弱荧光性质的对称咪唑并[1，2-α]吡啶，通过分子中芳环上的三个氮原子与碱土金属离子鳌合，产生明亮的荧光，研究了其对碱土金属的灵敏性和快速响应性。该分子由于在和碱土金属配位之前，由于单键的可旋转性，使整体平面性差，荧光性弱，当与碱土金属离子反应后，通过氮原子与离子鳌合，增加了结构的刚性，使结构更加共平面，产生明亮的荧光。探针1对Mg2+、Ca2+、Sr2+具有选择性和灵敏性，并分别在545 nm，523 nm和502 nm处有明显的荧光。

*致谢 非常感谢刘刚教授对本工作的大力支持，感谢江西省教育厅青年基金(GJJ190614)和江西省科技厅青年科学基金(20202BAB213006)的资助。