基于联萘酚衍生物的荧光传感器对Ca2+的选择性测定

张欢庆，董　辉，周艳丽，冶保献，徐茂田,

(1. 郑州大学 化学与分子工程学院，河南 郑州 450001；　2. 商丘师范学院 化学化工学院，河南 商丘 476000)



基于联萘酚衍生物的荧光传感器对Ca2+的选择性测定

张欢庆1，董辉1，周艳丽2*，冶保献1，徐茂田1,2*

(1. 郑州大学 化学与分子工程学院，河南 郑州 450001；2. 商丘师范学院 化学化工学院，河南 商丘 476000)

摘要：设计了基于联萘酚衍生物(LZ)的高选择性的荧光化学传感器,分别采用荧光光谱和紫外-可见光谱法研究了其对Ca2+的识别.结果显示,与其他金属离子,如Ag+、Al3+、Bi3+、Cd2+、Co3+、Cr3+、Cu2+、Fe3+、Hg2+、K+、Mg2+、Mn2+、Ni2+、Pb2+、Zn2+相比,探针LZ对Ca2+呈现良好的选择性.并且该探针在486 nm处的荧光强度与Ca2+浓度在2~7 μmol/L范围内呈现良好的线性关系,其回归系数为0.994,检测限为0.8 μmol/L,多次测定的相对标准偏差为2%.

关键词：联萘酚衍生物;荧光化学传感器;Ca2+

The selective detection of Ca2+based on binaphthol derivatives

fluorescent chemosensor

ZHANG Huanqing1, DONG Hui1, ZHOU Yanli2*, YE Baoxian1, XU Maotian1,2*

(1.CollegeofChemistryandMolecularEngineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,Henan,China;

2.CollegeofChemistryandChemicalEngineering,ShangqiuNormalUniversity,Shangqiu476000,Henan,China)

Abstract:A fluorescent chemosensor based on binaphthol derivatives was fabricated. The Ca2+recognition was studied by fluorescent and UV-Vis spectra by the use of fluorescent probe. The results showed that the probe displayed a good selectivity of Ca2 +, comprared with other metal ions , such as Ag+, Al3+, Bi3+, Cd2+, Co3+, Cr3+, Cu2+, Fe3+, Hg2+, K+, Mg2+, Mn2+, Ni2+, Pb2+and Zn2+. The fluorescence intensity of the probe at 486 nm with the Ca2+concentration showed a good linear relationship in the range of 2-7 μmol/L with a correlation coefficient of 0.994, a detection limit of 0.8 μmol/L and a relative deviation of 2%. In this work, one-dimensional (1D) cobalt nanostructures were prepared via the facile reduction of Co2+ions under atmospheric pressure. The morphology change after the grinding of the 1D sample cobalt nanostructures was also investigated. Results reveal that the external magnetic field promotes the preferred orientation of Co nanostructures and the obtained 1D nanostructure retains a large aspect ratio after it is fully ground. Moreover, the Co nanostructures obtained with an external magnetic field exhibits a better electromagnetic wave absorbance.

Keywords:binaphthol derivatives; fluorescent chemosensor; Ca2+cobalt; magnetic materials; crystal growth; external magnetic field; electromagnetic properties

Ca2+是人体内最常见的阳离子,作为通用的细胞内信使,主要用于骨骼的组成[1].游离的Ca2+在细胞中起着重要的协调作用[2],其浓度的失衡是细胞凋亡[3]的中心环节，因此准确测定细胞内Ca2+浓度的变化[4]对揭示细胞的生命过程至关重要.目前Ca2+的测定方法主要有原子吸收光谱法[5]、选择性微电极法[6]、电子显微镜法、放射示踪法、毛细管电泳-电感耦合等离子体发射光谱法[7]等，但是这些方法存在仪器昂贵、操作复杂和精密度较差等缺陷,故寻找一种快速而灵敏的检测Ca2+的方法具有重要的意义.

联萘酚及其衍生物[8]具有C2不对称、π共轭、能够扭转的非平面及非常稳定的手形结构,而且优势位点较多.近年来它被广泛应用于分子识别、离子识别、非线性光学、液晶显示以及有机发光二极管等光电功能材料中.此外,联萘酚及其衍生物的合成技术发展也比较成熟,可以通过偶联萘酚及其衍生物的氧化直接合成,也可以在联萘酚骨架上通过多位点的修饰得到.因此，联萘酚及其衍生物是分子识别中非常重要的一种化学传感器[9],被广泛地应用于金属阳离子[10]和阴离子手性化合物的选择性识别.

近年来,荧光分析法[11]在分析应用上有很大的突破,将荧光技术应用于分子识别方面[12]的研究受到了广泛的关注.而基于超分子设计的荧光传感器[13],因其具有高灵敏度、选择性和响应快等优点,被应用于镉离子[14]、铜离子和汞离子[15]等金属阳离子的检测.基于此,本文作者使用了一种联萘酚衍生物作为荧光探针,并应用荧光光谱和紫外-可见光谱研究了其对Ca2+的选择性识别.

1试验部分

1.1　仪器与试剂

G9800A型荧光光度计(Agilent Technoligies公司),紫外-可见分光光度计(UV-2300),手提式紫外分析仪(WFH-204B),超纯水仪,超声仪.

联萘酚衍生物(LZ探针)、Ca(NO3)2·4H2O、乙腈、乙醇、N,N-二甲基甲酰胺、二甲亚砜试剂均为色谱纯.

1.2　探针LZ的合成

以实验室合成的联萘酚衍生物[16]作为荧光探针(LZ),其结构如图1所示.

图1　探针LZ的结构Fig.1　Structure diagram of LZ probe

1.3　Ca2+的测定

依次加入3 mL的乙腈,0.001 mol/L探针LZ溶液30 μL,0.001 mol/L Ca2+溶液30 μL于比色皿中,摇匀,在荧光光度计上于激发波长270 nm ,发射波长486 nm处,研究荧光探针对Ca2+的选择性.

2结果与讨论

2.1　溶剂的选择

实验考察了乙腈、乙醇、DMF和DMSO 4种溶剂对体系荧光强度的影响，结果如图2所示. 在MeCN中加入LZ和Ca2+后,在486 nm处的荧光强度有明显的变化.而在相同的条件下,在EtOH、DMF、DMSO中,虽然在365、340、345 nm 处出现了最大荧光峰,但是在486 nm处并没有出现明显的荧光峰.以上结果表明,只有在MeCN溶剂中,LZ探针对Ca2+才有明显的识别作用,故该体系的溶剂应选为MeCN.

图2　探针LZ在不同溶剂中的荧光光谱图Fig. 2　Fluorescence spectra of LZ (0.001 mol/L 30 μL) with Ca2+ (0.001 mol/L 30 μL) in different solvents

2.2　时间的选择

实验考察了反应时间对体系荧光强度的影响.以加入Ca2+后LZ的荧光强度增加值与原荧光强度的比值(F-F0)/F0为纵坐标,时间为横坐标进行作图，结果如图3所示. 随着时间的增加,该比值先迅速上升,随后再慢慢下降,这可能是LZ自身的荧光强度减弱所造成的.以上结果表明,探针与Ca2+的反应时间不应过长,否则无法准确测定LZ荧光强度的变化,故反应时间选为2 min.

图3　探针LZ和 Ca2+反应时间对体系荧光强度的影响Fig.3　Effects of probe LZ (0.001 mol/L 30 μL) and Ca2+ (0.001 mol/L 30 μL) reaction time on PL intensity

2.3　探针LZ对Ca2+的选择性识别

当向探针LZ中加入Ca2+之后,形成的物质能发射出绿色的荧光,这很容易通过肉眼观察到.而产生这种现象的原因可能是LZ与Ca2+发生了配位反应,产成了LZ- Ca2+的复合物.

实验进一步考察了探针LZ对不同金属离子的选择性.在含有LZ的乙腈中,分别加入等量的Ag+、Al3+、Bi3+、Ca2+、Cd2+、Co3+、Cr3+、Cu2+、Fe3+、Hg2+、K+、Mg2+、Mn2+、Ni2+、Pb2+、Zn2+,测定相应的荧光光谱，结果如图4所示. 当加入相同浓度的金属阳离子时,只有Ca2+使486 nm处出现较强的荧光峰,而其他金属离子虽然在360 nm附近都产生了一定强度的荧光峰,但是在486 nm处并无明显变化.以上结果表明,LZ对Ca2+有较高的选择性.此外,从LZ相对荧光强度的柱状图5中也看出,当加入Ca2+时探针LZ的荧光显著增强,这与上述结果相一致.

图4　探针LZ在不同金属离子存在下的荧光光谱图Fig.4　Fluorescence spectra of LZ upon the addition of various types of metal cations

图5　探针LZ在不同金属离子存在下的柱状图Fig. 5　Effect of various types of metal cations on the relative fluorescence intensity of LZ

2.4　Ca2+的浓度对探针LZ荧光强度的影响

实验考察了不同浓度的Ca2+对探针LZ荧光强度的影响，结果如图6所示. LZ在486 nm处的荧光强度随着Ca2+浓度的增加而明显增强,当Ca2+的浓度增加到7 μmol/L时达到了LZ-Ca2+的配位平衡浓度,再继续增加Ca2+的浓度荧光强度不再发生变化.同时,荧光强度与Ca2+的浓度在2~7 μmol/L范围内呈现良好的线性关系,其回归系数为0.994,检测限为0.8 μmol/L,多次测定的相对标准偏差为2%.说明荧光探针与Ca2+发生配位形成了复合物,基于此实现了对Ca2+的选择性识别.

曲线1-15中cCa2+: 0, 1, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.75, 5.5, 6.25, 7, 7.75, 8.5, 9.25, 10 μmol/L.图6　探针LZ在不同浓度Ca2+存在下的荧光光谱图Fig.6　Fluorescence spectra of LZ in the prescence of Ca2+ with various concentrations

图7　探针LZ在486nm的荧光强度与Ca2+浓度的关系Fig.7　Fluorescence intensity of LZ at 486 nm vs. c Ca2+/(μmol/L)

2.5　识别机理

实验考察了探针对Ca2+的识别原理，结果如图8所示. 当向LZ探针中加入Ca2+后,在210和250 nm处均出现了吸收峰,但是250 nm处的吸收峰较宽.随着Ca2+浓度逐渐增加,210 nm处的吸收峰强度在逐渐增强,而250 nm处的吸收峰强度基本保持不变.这表明Ca2+与LZ发生了反应,形成了一种新的复合物.进一步观察圆二色谱图(图9)发现,当加入Ca2+后,在400 nm处出现了一个非常明显的峰.而产生上述现象的原因可能有两种,一是探针LZ的手性结构发生了变化；二是探针LZ与Ca2+发生配位,造成探针分子自身发生了π-π堆积[17].此外,探针LZ与Fe3+、Cd2+存在微弱的相互作用,但是与Ca2+相比,并不影响其测定.

曲线a-f对应cCa2+:5, 10, 15, 20, 25, 30 μmol/L.图8　探针LZ在不同浓度Ca2+存在下的紫外-可见光谱图Fig.8　UV-vis spectra change of LZ in the prescence of Ca2+ with various concentrations

图9　探针LZ在Ca2+存在前后的圆二色谱图Fig. 9　Circular dichroism(CD)of LZ in the absence and presence Ca2+

3结论

综上所述,利用联萘酚衍生物作为荧光化学传感器,通过荧光光谱和紫外-可见光谱法等,研究了其对多种金属阳离子的荧光传感和响应.研究发现,与其他金属阳离子相比,该探针在Ca2+存在下可产生大幅度的荧光增强,并且在486 nm处的荧光强度与Ca2+浓度在2~7 μmol/L范围内呈现良好的线性关系.结果表明,该探针LZ可以用于选择性检测Ca2+.

参考文献：

[1] ANGELOVSKI G, GOTTSCHALK S, MILOSEVICil M, et al. Investigation of a calcium-responsive contrast agent in cellular model systems: Feasibility for use as a smart molecular probe in functional MRI [J]. ACS Chem Neurosci, 2014, 5: 360-369.

[2] BROWNLEE C. Cellular calcium imaging: so, what’s new?[J]. Trends in Cell Biology, 2000, 10(10): 451-457.

[3] ROSTA E, YANG W, HUMMER G. Calcium inhibition of ribonuclease H1 two-metal ion catalysis[J]. J Am Chem Soc, 2014, 136: 3137-3144.

[4] GUO J J, SUN S J. Development of assay method for intracellular free calcium[J]. Food and Drug, 2006, 8(12): 25.

[5] SERGIEL I, POHL P. Determination of the total content of calcium and magnesium and their bioavailability in ripened bee honeys [J]. J Agric Food Chem, 2010, 58(13): 7497-7501.

[6] MALON A, VIGASSYI T, BAKKER E, et al. Potentiometry at trace levels in confined samples: ion-selective electrodes with subfemtomole detection limits [J]. J Am Chem Soc, 2006, 128: 8154-8155.

[7] DENG B Y, ZHU P C, WANG Y Z, et al. Determination of free calcium and calcium-containing species in human plasma by capillary electrophoresis-inductively coupled plasma optical emission spectrometry [J]. Anal Chem, 2008, 80(15): 5721-5726.

[8] 程鹏飞,焦书燕,谢恩,等. 基于联萘酚的水溶性手性大环荧光传感器的合成与晶体结构[J]. 化学研究, 2012, 23(6): 5-8.

[9] YU S S, PU L. Pseudoenantiomeric fluorescent sensors in a chiral assay [J]. J Am Chem Soc, 2010, 132: 17698-17700.

[10] KIMA K S, JUN E J, KIM S K, et al. Fluorescent studies of two new binaphthyl-azacrown-anthracene fluorophores with metal ions and chiral guests: dual fluorescent detection via binaphthyl and anthracene groups[J]. Tetra Lett, 2007, 48: 2481-2484.

[11] LIU Q L, DU H Z, REN X Z, et al. Design of ratiometric emission probe with visible light excitation for determination of Ca2+in living cells[J]. Anal Chem, 2014, 86: 8025-8030.

[12] KIM H N, REN W X, KIM J S, et al. Fluorescent and colorimetric sensors for detection of lead, cadmium, and mercury ions[J]. Chem Soc Rev, 2012, 41： 3210-3244.

[13] 喻艳华,付成. 用基于苯并噻二唑衍生物的比率荧光化学传感器检测氟离子[J]. 化学研究, 2014, 25(5): 482-487.

[14] TAKI M, DESAKI M, OJIDA A, et al. Fluorescence imaging of intracellular cadmium using a dual-excitation ratiometric chemosensor[J]. J Am Chem Soc, 2008, 130: 12564-12565.

[15] ISMAIL I A, JINANE K C. Pyridine-substituted calix[4]pyrrole: a new cation receptor[J]. Supramol Chem, 2012, 24(3): 213-219.

[16] BECKENDORF S, MANCHENO O G. ‘Click’-binols: a new class of tunable ligands for asymmetric catalysis[J]. Synthesis, 2012, 44: 2162-2172.

[17] DONG Y, WU Y Z, JIANG X X, et al. A polymer based fluorescent sensor for Zn2+detection and its application for constructing logic gates[J]. Polymer, 2011, 52: 5811-5816.

[责任编辑：任铁钢]

The facile preparation of 1D cobalt nanostructures and their magnetic

CLC number：O441.6 Document code：A

Article ID：1008-1011(2015)06-0614-05

and electromagnetic performance

MENG Hongjie1,2, YU Ping3, ZHAO Xiaowei1, YU Laigui2,

JIA Yongshuai2, LIU Haojie1, LU Xiaoyan2, GONG Chunhong1*

(1.CollegeofChemistryandChemicalEngineering,HenanUniversity,Kaifeng475004,Henan,China;

2.EngineeringResearchCenterforNanomaterials,HenanUniversity,Kaifeng475004,Henan,China;

3.KeyLaboratoryofPhotovoltaicMaterialsofHenanProvince，SchoolofPhysics&Electronic,HenanUniversity,

Kaifeng475004,Henan,China)

作者简介：张欢庆(1989-)，女，硕士生，研究方向为生物电分析化学，*通讯联系人，E-mail: xumaotian@sqnc.edu.cn.

基金项目：国家自然科学基金(21105062和21175091).

收稿日期：2015-06-20.

文章编号：1008-1011(2015)06-0604-04

中图分类号：O625

文献标志码：A