一种pH荧光特性物质的合成及其特性研究

马永山,吴俊森,刘 雷,张 超 (山东建筑大学市政与环境工程学院,山东 济南 250101)

一种pH荧光特性物质的合成及其特性研究

马永山*,吴俊森,刘 雷,张 超 (山东建筑大学市政与环境工程学院,山东 济南 250101)

合成并表征了化合物:N,N'-二苯丙氨酸铵-3,4,9,10-苝四羧酸二酰亚胺(PDCDA).研究了pH值变化对其水溶液可见吸收光谱和荧光发射光谱的影响,探讨了荧光强度变化的机理,并利用PDCDA构建了具有“开-关”特性的pH荧光传感器.结果表明,PDCDA化合物水溶性好、荧光量子产率高,荧光强度与 pH值间有着强烈的依赖关系,在碱性及中性溶液中荧光强度较强且稳定,而在酸性溶液中荧光被淬灭,PDCDA在一个非常窄的pH范围内荧光强度发生了明显的变化, pH值的改变对发光团π-π堆积产生影响进而导致其荧光发射光谱和可见吸收光谱发生改变.PDCDA可用作水溶液的pH荧光传感器,检测pH值范围为3.8～6.3.

苝二酰亚胺；水溶性；pH荧光传感器；吸收光谱；荧光光谱

近年来, pH荧光探针广泛应用于分析化学、生物分析化学、细胞生物学(量度细胞内的 pH值)和医学(监控血液中的pH值)领域[1-2].苝及其衍生物具有优异的化学、热和光化学稳定性[3-4],对从可见区到红外区的光有很强的吸收,而且其荧光量子产率接近 1,单线态的荧光寿命大约为4ns[5],在分子电子学材料、激光材料、液晶显示材料、电致发光器件、感光体及太阳能电池方面应用广泛[6],是一类性能优异的分子荧光探针[7].

带有羧基的苝酰亚胺型荧光染料具有显著的优点:苝骨架使其具备亲脂性;羧基兼具亲水性,使其能渗透到细胞内,可用于活体组织内 pH值的测定;斯托克斯位移较大可避免吸收光谱干扰发射光谱,从而提高测试的灵敏度与准确性[8].因此将带有胺基的苝酰亚胺类荧光染料开发作为pH荧光探针具有重要的应用价值和广阔的发展前景.苝二酰亚胺衍生物的合成方法已有报道[9-10],作者参考文献[9-10]自行设计合成了含有2个羧基亲水性基团的苝二酰亚胺衍生物,并研究了它作为pH荧光探针的光谱特性.

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

氢氧化钾、二甲基亚砜、浓硫酸、无水乙醇、氢氧化钠、盐酸等均为市售分析纯;苝四酸酐与L-苯丙氨酸购于 Aldrich公司,为分析纯;水为二次蒸馏水.测试仪器主要有:瓦里安 Inova 400MHz核磁共振氢谱仪;布鲁克TENSOR27型傅里叶变换红外光谱仪;CARY50紫外可见分光光度计;日立 F-4500型荧光分光光度计;上海雷磁PHS-3C精密pH计.

1.2 N,N'-二苯丙氨酸铵-3,4;9,10-苝四羧酸二酰亚胺(PDCDA)的合成

PDCDA的合成路线见文献[9-10].首先合成N,N'-二苯丙氨酸基-3,4;9,10-苝四羧酸二酰亚胺 :将 3.3g(0.02mol)苯 丙 氨 酸 和 1.12g (0.02mol)KOH溶于 20mL水中,室温磁力搅拌12h,蒸发至干,得 4.06g苯丙氨酸钾盐晶体.将苯丙氨酸钾盐超声分散在 40mL DMSO(二甲基亚砜)溶液中,磁力搅拌下加热回流 0.5h,再加入0.8g精制的苝四酸酐继续搅拌、回流,每隔0.5h取少量样品溶解在浓硫酸中测可见吸收光谱,直到 500,546nm 左右苝酐的特征吸收峰消失,560,600nm左右出现对称苝四羧酸二酰亚胺的特征吸收峰,且560,600nm特征峰的相对强度基本不变时停止反应.将反应后体系 3000r/min离心,沉淀用无水乙醇洗至滤液基本无色,加水用稀盐酸酸化至pH=1,水洗3次,得到目标固体化合物.将其溶于20mL15%的氨水,磁力搅拌5min,过滤得滤液,蒸发除去溶剂得红棕色固体,80℃真空干燥得0.75g产物PDCDA,产率约40%.

2 结果与讨论

2.1 PDCDA的结构表征

图1为PDCDA的核磁共振氢谱图,化学位移 8.12×10-6和 7.61×10-6处出现了 2组双重峰,分别为苝环上的 4个内侧氢和 4个外侧氢,7.12×10-6和7.02×10-6处的2组双重峰,分别为2个苯环上的4个邻位氢和4个间位氢,6.98×10-6处的双重峰为2个苯环的对位氢, 3.46×10-6处的单重峰为2个羧基氢.

图2为PDCDA的红外光谱图,3443, 3163cm-1处为酰胺N—H的伸缩振动峰, 3052cm-1处为苝环上的C—H伸缩振动峰, 2846cm-1处为饱和C— H伸缩振动峰,1690cm-1处为羧酸C=O键的伸缩振动峰,1592cm-1处出现了苝环C=C的伸缩振动峰,1399,1361cm-1处为 C—N伸缩振动峰, 1273, 1183, 1114, 1021, 951cm-1为羧酸中C—O伸缩振动峰, 853, 809, 793, 737, 659, 461, 432cm-1处为C-H非平面摇摆峰.

基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱测得其分子量为624.2.

图1 PDCDA的1H-NMR图谱Fig.1 1H-NMR spectrum of compound PDCDA

图2 PDCDA的FTIR图谱Fig.2 FTIR spectrum of compound PDCDA

2.2 UV-vis吸收光谱

10-5mol/L的PDCDA水溶液的pH值,用标准的KOH或HCl水溶液滴定时,CARY50紫外可见分光光度计测得可见吸收曲线如图3所示.可见, PDCDA的最大吸收波长为541nm,当溶液pH值由12.01降低到3.22时,吸收峰强度逐渐降低,且在酸性区域吸收峰红移.

对于苝系衍生物来说,电子振动吸收具有自身的特点,电子振动能级存在从υ = 0 → υ’ = 0和1的跃迁,υ和υ’分别对应于基态和激发态.在自由单体状态下,傅兰克-康顿(Franck-Condon)效应系数为A0→0＞A0→1,而当单体开始聚集时,电子从0→1跃迁的几率会增加[11-12].从pH 12.01到6.28,0→1与0→0相比跃迁的几率变化不大,说明在这个pH值范围苝四羧酸根以单体形式存在;从6.28到3.86,吸收峰强度急剧降低,且0→1跃迁的几率明显增大,说明在这个pH值范围的π-π作用较强;而当pH值降到3.86以下,峰形不再改变,初始的吸收峰发生红移,最终在整个检测波段内出现吸收,这是因为伴随pH值降低, PDCDA的苝四羧酸单体发生π-π作用而聚集,从而阻止了光的通过.

图3 pH值对水溶液中PDCDA吸收光谱的影响Fig.3 The absorption spectra of PDCDA in aqueous solution with varied pH

2.3 荧光发射光谱

2.3.1 PDCDA与 H+作用,荧光 ON-OFF 用NaOH调节PDCDA水溶液至碱性后再滴加H+,用日立 F-4500型荧光分光光度计测得激发波长为533nm时,不同pH值的荧光发射光谱如图4所示.从图4看出,PDCDA的最大发射波长为547nm,当溶液pH值由12.01降低到3.22时,荧光发射强度逐渐降低,直至荧光淬灭.原因是在碱性溶液中PDCDA以羧酸根的形式存在,羧酸根阴离子为富电子特征,使整个化合物分子具有较高的电子密度,苝核平面之间存在的斥力阻止了它们的聚集,从而获得高的荧光量子产率;随着羧酸根不断的质子化,共轭体系的电子云密度不断下降,荧光强度呈现持续下降的趋势.荧光强度下降全过程根据其下降的快慢程度分为3个阶段:前一阶段(对应pH值由12.01降低到 6.28)荧光强度缓慢降低,是因为在碱性溶液中羧酸根未结合质子,电子云密度较高,发光物种比较稳定;中间阶段(对应 pH值由 6.28降低到 3.86)荧光强度迅速降低直至淬灭,此过程对应于,PDCDA一端的羧酸根结合氢质子,另一端仍保持未质子化状态,质子化过程中未质子化的羧酸根对整个共轭体系仍表现为供电子性,至溶液pH值达3.86,PDCDA另一端的羧酸根也结合了氢质子,整个化合物分子从主要以碱式形式存在变为主要以酸式形式存在,分子负电势减弱,苝分子间发生聚集作用和光诱导电子转移现象使荧光淬灭;后一阶段(pH值降到3.86以下)荧光完全淬灭,峰形不再改变.根据图4荧光强度变化与 pH值的对应关系,通过Sigmoidal拟合,得到荧光强度随pH值变化的改变趋势.由图 5可以看出,伴随溶液 pH值降低,荧光发射强度逐渐降低,整个荧光减弱阶段荧光强度衰减快慢不一样.当pH值从12.01减小到6.28这一阶段时,荧光强度降低缓慢,当pH值由6.28降低到3.86,荧光强度急剧降低,当pH值继续减小到 3.86以下这一阶段时,荧光淬灭.与本化合物的吸收和荧光光谱的变化趋势相反,曾有文献报道了一类吲哚N原子上没有取代基的菁染料,可以产生质子化和脱质子的作用, 这种作用可以引起吸收光谱和荧光光谱的峰值随着 pH值的升高而降低从而被用于检测 pH值[13-14].此类探针的吸收和荧光光谱的变化机理可以理解为是由于酸碱对NH+/N具有不同的推拉电子能力,从而引起共振效应导致的.

2.3.2 PDCDA与OH-作用,荧光OFF-ON 图6是10-5mol/L的PDCDA的水溶液,在加入H+使荧光完全淬灭后,引入不同量的NaOH水溶液时,荧光的变化.从图6可以看出,OH-引入后,荧光逐渐恢复,荧光强度出现递增的趋势,而且荧光光谱的曲线与之前的PDCDA引入H+的形状是一致的,这说明OH-不断地将已质子化的PDCDA去质子化,将整个化合物分子主要以酸式形式存在恢复为以羧酸根阴离子存在的阶段,从而发出荧光.而且在 pH值相同的不同水溶液中,浓度相同的PDCDA的荧光强度几乎相等,说明该化合物可应用于定量分析水体的PH值.

图4 pH值对水溶液中PDCDA荧光光谱的影响Fig.4 The emission spectra of PDCDA in aqueous solution with varied pH

图5 PDCDA最大荧光强度值与pH值的关系Fig.5 The corresponding graph with maximum fluorescence intensity and different pH

2.4 pH荧光传感器的构建

从以上分析可以看出,PDCDA的荧光对pH值具有强烈的依赖性,并可以在pH值从6.28降低到3.86非常窄的范围内发生明显的变化,据此,可以利用PDCDA构建具有“开-关”特性的pH荧光探针.图7为PDCDA在pH6.3和3.8时的荧光光谱图,在pH6.3时荧光处在“开”的状态,而pH3.8时,荧光“关”,可以看出,该体系的荧光强度变化大,荧光开启时的强度大约是关闭时的 30倍以上.这个过程可以很明显的用肉眼观测,pH6.3时,有强的黄色荧光,pH3.8时,几乎没有荧光.图8则说明该荧光传感器可以可逆调节,当pH值在3.8和6.3之间进行调节时,荧光强度发生可逆的变化,每次调节荧光团的荧光强度几乎都可以回到原来的位置,而且几乎是瞬间实现荧光的开启和关闭.这一结果对于深入研究苝二酰亚胺衍生物的基础光物理性质和 pH荧光传感体系的设计具有理论和应用意义.

图6 pH值对水溶液中PDCDA荧光光谱的影响Fig.6 The emission spectra of PDCDA in aqueous solution with varied pH

图7 PDCDA在pH值为6.3和3.8时的荧光Fig.7 Fluorescence spectra of PDCDA with pH 6.3 and 3.8

图8 PDCDA在pH值为6.3和3.8之间调节时的荧光强度的可逆变化Fig.8 Fluorescence intensity reversible change of PDCDA between pH 6.3 and 3.8

3 结论

3.1 合成了一种水溶性的苝二酰亚胺类衍生物:N,N'-二苯丙氨酸铵-3,4;9,10-苝四羧酸二酰亚胺(PDCDA).采用核磁氢谱、红外光谱和基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱表征,谱图上出现了苝环上的8个氢和苯环上的10个氢及2个羧基氢,酰胺N—H的伸缩振动峰,苝环上的C—H伸缩振动峰、饱和 C—H伸缩振动峰、羧酸C=O键的伸缩振动峰及C—N伸缩振动峰,分子量为624.2,证实了其结构正确.

3.2 化合物PDCDA的荧光强度与pH值间有着强烈的依赖关系,当pH值从12.01降到3.22时, c(PDCDA) = 10-5mol/L水溶液的紫外-可见吸收强度减弱,且变化灵敏.当该溶液的pH值从12.01减小到 6.28时,荧光强度降低缓慢,当 pH值从6.28继续减小到 3.86时,荧光强度急剧降低,当pH值降低到3.86以下,荧光淬灭.而当pH值升高时,荧光强度可逆恢复到相应强度.

3.3 利用 PDCDA构建了具有“开-关”特性的pH荧光传感器.pH6.3时荧光 “开”, pH3.8时,荧光“关”,荧光和颜色变化明显,响应快,具有较高的灵敏性.

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Synthesis and characterization of a pH fluorescence compound.

MA Yong-shan*, WU Jun-sen, LIU Lei, ZHANG Chao (School of Municipal and Environmental Engineering, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China). China Environmental Science, 2012,32(1)：168～172

N, N'-bi(L-phenylalanine amine)-perylene-3,4; 9,10-dicarboxylic diimide(PDCDA)was synthesized and characterized. The absorbance and fluorescence of PDCDA (10-5mol/L) in aqueous solution were studied by varied pH values. The mechanism of the fluorescence indensity change was also discussed. And a fluorescent pH sensor was designed with PDCDA. It was water-soluble and had high fluorescent quantum yield. The fluorescence intensity of PDCDA was strongly dependent on pH, which was strong and stable in alkaline or neutral solution and was weakened in acid solution. The fluorescence intensity of PDCDA changed obviously even in a small pH range. The π-π stacking caused by pH led to the change of flourescence spectrum and absorption spectrum.The PDCDA can be used as a fluorescent pH sensor and the pH detection range was 3.8～6.3.

perylene diimide derivative；water-soluble；flourescence pH sensor；absorption spectrum；flourescence spectrum

2011-04-13

水体污染控制与治理科技重大专项资助项目(2008ZX07422-001);山东建筑大学开放实验资助项目(2009030)

*责任作者, 实验师, mlosh@sdjzu.edu.cn

X830

A

1000-6923(2012)01-0168-05

致谢：感谢山东建筑大学环境学院母锐敏副教授对本文在写作方面的帮助.

马永山(1979-),男,山东临清人,实验师,硕士,从事分子荧光探针研究.发表论文16篇.