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《武汉工程大学学报》 2021年02期 119-123 出版日期：2021-04-30 ISSN:1674-2869 CN:42-1779/TQ

高灵敏度的氰根离子荧光探针的合成及其性质研究

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?mL N，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］。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 C31H29N2 429.23， 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（1×10-4 mol/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（1×10-6?mol/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1×10-3?mol/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。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。[4 5004 0003 5003 0002 5002 0001 5001 0005000][Fluorescence intensity （a.u.）][CN- Cl- BF4- ClO4- Br- H2PO4- I- NO3- F-Cation]图3　其它阴离子干扰 Fig. 3　Interference of other anions2.4　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。[0 2 4 6 8 10 12 14 16pH][7 0006 0005 0004 0003 0002 0001 000][Fluorescence intensity （a.u.）][DADI-CN-DADI]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 pH2.6　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。[DADIDADI+CN-][4 000 3 500 3 000 2 500 2 000 1 500 1 000 500σ / cm-1][Transmittance （a.u.）]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。