基于氟硼二吡咯的水溶性高灵敏汞离子荧光探针

赵军伟, 林静容, 王紫云, 何兆帅, 刘国华, 程探宇

(上海师范大学 生命与环境科学学院,上海 200234)

基于氟硼二吡咯的水溶性高灵敏汞离子荧光探针

赵军伟, 林静容, 王紫云, 何兆帅, 刘国华, 程探宇

(上海师范大学 生命与环境科学学院,上海 200234)

以氟硼二吡咯作为荧光基团、以肼基作为活性基团设计、合成了一种可用于物质的量高灵敏地检测水溶液中汞离子的荧光探针(MS).该探针在水溶液中5 min内基本可以完成对汞离子的检测,随着汞离子浓度的增加,溶液紫外吸收明显红移,荧光强度大大增强.即使体系中汞离子物质的量浓度在0.1 μmol/L时,溶液荧光强度也有明显变化,说明该探针具有很高的灵敏度.另外选择性实验表明该探针在相同条件下对其他常见金属离子没有明显响应,说明该探针具有很好的选择性.

荧光探针; 汞离子; 氟硼二吡咯

0 引 言

在科技发展,人们生活生产水平及工业化程度提高的同时,伴随而来的环境问题也成为摆在人们面前,急待解决的难题.在众多环境问题中,重金属污染,尤其汞污染,由于其高毒性而广泛受到人们的关注.1953年,日本熊本县水俣湾附近居民的汞中毒事件震惊了世界.当时人们并不了解具体的发病原因,许多当地居民都出现了手脚麻木、神经失常、运动失调、口齿不清等症状,该疾病还可以通过胎盘与母乳遗传给子女.后来人们调查发现该疾病与汞有关[1-2].研究表明,环境中的汞可以通过食物链进入人和动物体内,而且不容易降解,在生物体内富集,最终对人和动物造成极大的危害.所以,研究开发水溶性的高灵敏高选择性的汞离子检测方法尤为重要.

目前应用较广的重金属测定方法包括原子吸收光谱法、电化学法、分光光度法、免疫分析法、生物化学传感器法、荧光光谱法等.荧光光谱法由于其灵敏度高、响应时间短、操作简便实用等优点而广泛应用于医药、食品和环境等领域[3].目前用于检测汞离子的荧光探针种类繁多,主要涉及小分子荧光探针、核酸、纳米材料等[4-11].最近,Kim等[12]报道了两个基于罗丹明腙衍生物的汞离子荧光探针(图1),该探针在加入汞离子之后荧光强度选择性增强,并伴随有色谱改变.Gong等[13]合成了一种能够应用于荧光成像的高效比率型荧光探针,结构如图1中化合物2.本文作者采用荧光共振能量转移策略,设计并合成了一种高效的比率型汞离子探针,该探针对汞离子表现出高选择性.在此基础上,将肼基团连接在氟硼二吡咯荧光团上设计合成了一种在水溶液中高灵敏、高选择性的汞离子荧光探针.

图1 汞离子荧光探针[12-13]

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

Bruker Avance 400核磁共振仪(400 MHz),Waters MicromassLCT质谱仪,Hitachi U-3900紫外-可见光分光光度计,Hitachi F-7000荧光光谱仪.对甲氧基苯甲醛(百灵威),吡咯(安耐吉),三氟乙酸(安耐吉),二氯甲烷(泰坦科技),四氢呋喃(干燥,国药),DDQ(2,3-二氯-5,6-二氰基-1,4-苯醌,安耐吉),BF3·OEt2(三氟化硼乙醚,阿拉丁),DIEA(二异丙基乙胺,阿拉丁),NCS(N-氯代丁二酰亚胺,阿拉丁),水合肼(80%,安耐吉).

1.2 实验过程

根据已报道文献合成探针MS[14]1HNMR (CDCl3,400 MHz)∶δ7.94 (s,1H),7.53 (d,J=8.7 Hz,2H),7.07(d,J=8.7 Hz,2H),6.99～6.91 (m,2H),6.62～6.55 (m,1H),6.45(d,J=4.3 Hz,1H),3.93 (s,3H).13C NMR (101 MHz,DMSO-d6)δ164.22,160.55,135.57,134.78,132.16,131.99,130.33,127.41,126.42,125.47,116.97,115.88,114.63,112.00,55.93.HRMS (ESI-) Calcd for C16H14BCl1F2N4O ([M-H])-,361.0848,found,361.0849.

图2 探针MS的合成路线

1.3 探针MS的性能测试

1.3.1 加入Hg2+后探针MS光谱随时间的变化

1 cm石英比色皿中加入3 mL 5 μmol/L的MS溶液(体积比V水∶V乙腈=10∶1),随后加入20 μmol/L Hg2+溶液,测试体系光谱变化.

1.3.2 探针MS对Hg2+滴定实验

1 cm石英比色皿中加入3 mL 5 μmol/L的MS溶液(V水∶V乙腈=10∶1),随后每次加入一定浓度的Hg2+溶液,混合5 min后测试体系的光谱变化.

1.3.3 探针MS对不同金属离子的选择性实验

1 cm石英比色皿中加入3 mL 5 μmol/L的MS溶液(V水∶V乙腈=10∶1),随后分别加入6 μL的10 mmol/L不同的金属离子溶液,加入后放置5 min,测试加入Hg2+之后溶液的紫外吸收变化以及荧光强度的变化.

2 结果与讨论

2.1 加入Hg2+后探针MS光谱随时间的变化

为了确定探针MS对Hg2+反应时间,首先进行了光谱随着时间变化的测试.如图3所示,在加入Hg2+之后,在464 nm波长处的紫外吸收峰逐渐降低,同时在502 nm出现新的紫外吸收峰;从插入图中可以看出在加入Hg2+5 min后,曲线趋于稳定,探针MS与Hg2+的反应趋于完全.探针MS在水溶液中的荧光强度非常弱,在加入Hg2+之后,体系的荧光迅速增强,并在5 min后变稳定,和紫外吸收测试结果一致.

图3 探针MS(5 μmol/L)在水溶液(V乙腈∶V水=1∶10)中加入 Hg2+(20 μmol/L,4equiv)之后,(a)紫外吸收(插入图:502 nm与464 nm紫外吸收强度比值随时间的变化曲线)和(b)荧光发射(插入图:515 nm荧光强度随时间的变化曲线)随时间的变化(激发波长:490 nm)

2.2 探针MS对Hg2+滴定实验

如图4所示,随着加入Hg2+的浓度的增大,探针MS在464 nm紫外吸收峰逐渐降低,同时在502 nm出现一个新的吸收峰,并在494 nm处有一个明显的等吸收点,说明随着汞离子的慢慢加入,探针MS逐渐变为另外一种物质.另外从插入图也可以明显地看出502 nm处与464 nm的吸收比值随着汞浓度的增加明显变大,并在汞物质的量浓度为5 μmol/L(1eqive)时趋于稳定.荧光测试表明随着加入Hg2+的浓度增大,探针MS在515 nm处的荧光强度明显增强;从插入图也可以明显看出随着汞浓度增加515 nm处的荧光强度逐渐增强,并在5 μmol/L时趋于稳定,和紫外吸收谱图一致.

为了进一步测试探针MS的灵敏度,对该探针在微量汞离子存在下的荧光变化进行检测.如图5所示.没有汞离子存在下探针MS在515 nm处荧光发射很弱,加入0.1 μmol/L汞离子后可以看出荧光明显增强;随着汞物质的量浓度继续增加至1 μmol/L时,515 nm处的荧光强度超过了原来的5倍,说明探针MS对汞离子具有非常高的灵敏度.

图4 探针MS(5 μmol/L)在水溶液(V乙腈∶V水=1∶10)中加入不同浓度Hg2+之后紫外吸收曲线(插入图:502 nm与464 nm的吸收比值随汞浓度变化曲线)与荧光发射谱图(插入图:515 nm荧光强度随汞浓度变化曲线)的变化(激发波长:490 nm)

图5 探针MS(1 μmol/L)在水溶液(V乙腈∶V水=1∶10)中,不同浓度Hg2+(0～1 μmol/L)存在时荧光发射谱图(插入图:515 nm荧光强度随Hg2+(0～1 μmol/L)变化曲线,激发波长:490 nm)

2.3 探针MS对不同金属离子的选择性实验

图6 探针MS(5 μmol/L)在水溶液(V乙腈∶V水=1∶10)中加入不同的金属离子(20 μmol/L)后515 nm荧光强度

为了进一步确定其他金属离子的干扰,对金属离子进行了进一步的选择性测试.如图6所示,在相同的测试条件下,在加入不同金属离子之后,只有Hg2+能使体系在515 nm处的荧光增强,而其他常见的金属离子Ba2+、Ni2+、Na+、Mn2+、Mg2+、Li+、Fe3+、Co2+、Cd2+、Zn2+、Pb2+、Al3+对体系的荧光强度基本没有影响,说明探针MS对汞离子的识别选择性非常好.

3 结 论

设计合成了基于氟硼吡咯荧光团和肼活性基团的汞离子荧光探针MS,该探针可以实现在水溶液中对Hg2+的识别.探针MS随着Hg2+浓度的增加,紫外吸收有明显的红移(约40 nm),荧光发射强度在515 nm处明显增强;另外即使在Hg2+浓度较低时荧光也出现明显增强,具有很好的灵敏度.且探针MS的荧光强度基本不受除了Hg2+以外常见金属离子的影响,具有很好的选择性.总之,本文作者开发的荧光探针MS可以在水溶液中高灵敏、高选择性地识别Hg2+,具有一定的实际应用潜力.

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(责任编辑：包震宇,郁 慧)

A highly sensitive fluorescent probe based on BODIPY for Hg2+in aqueous solution

ZHAO Junwei, LIN Jingrong, WANG Ziyun, HE Zhaoshuai, LIU Guohua, CHENG Tanyu

(College of Life and Environmental Sciences,Shanghai Normal University,Shanghai 200234,China)

A highly sensitive fluorescent probe based on BODIPY and hydrazine for Hg2+was designed and synthesized.This probe could detect mercury ions in aqueous solutions within 5 min.With the increase of Hg2+mole concentration,an obvious red shift of UV-Vis absorption wavelength was observed and the fluorescence intensity significantly enhanced.It was found that the fluorescence intensity of an aqueous solution containing 0.1 μmol/L Hg2+is much stronger than that of blank solution,which indicats that the fluorescent probe has high sensitivity.In addition,other metal ions could not cause the change of fluorescent spectra,which means this probe has good selectivity,as well.

fluorescent probe; mercury ion; BODIPY

2016-09-22

国家自然科学基金(21402120)

程探宇,中国上海市徐汇区桂林路100号,上海师范大学生命与环境科学学院,邮编:200234,E-mail:tycheng@shnu.edu.cn

O 657.34

A

1000-5137(2016)06-0650-05