一种荧光增强型苯并噁唑类锌离子探针

熊启杰，王　强，李　伟，石玉娟，潘　蕾，艾思凡, 张　勇,3,* ,方志强

(1湖北理工学院 化学与化工学院，湖北 黄石 435003;2天津科技大学 理学院，天津 300457;3湖北理工学院 矿区环

境污染控制与修复湖北省重点实验室，湖北 黄石 435003;4黄石市利福达医药化工有限公司，湖北 阳新 435229)



一种荧光增强型苯并噁唑类锌离子探针

熊启杰1，王强1，李伟1，石玉娟1，潘蕾1，艾思凡2, 张勇1,3,4*,方志强4

(1湖北理工学院 化学与化工学院，湖北 黄石 435003;2天津科技大学 理学院，天津 300457;3湖北理工学院 矿区环

境污染控制与修复湖北省重点实验室，湖北 黄石 435003;4黄石市利福达医药化工有限公司，湖北 阳新 435229)

摘要：以8-氨基喹啉为识别基团，设计合成了一种苯并噁唑类荧光增强型锌离子探针(ZY7)，用质谱和核磁等方法对其进行了结构表征，并研究了它的荧光性质。实验结果表明，ZY7对Zn2+具有较强的选择性，响应快速，抗干扰能力强，可实现对Zn2+的可视化检测;在水体样品中对Zn2+的检测表明ZY7具有潜在的应用价值。

关键词：苯并噁唑;锌离子;荧光探针;光谱性质

锌是微量元素中的一种，在人体中含量仅次于铁，它广泛分布于细胞和体液中。Zn2+是人体内200多种金属酶的组成成分，直接参与体内细胞的发育、生殖和组织修复等生理过程，在生物体的大脑活动、基因转录和免疫功能等过程中也扮演着重要角色[1-3]。此外，随着现代社会工业的迅速发展，镀锌工业和锌锰电池运用越来越广泛，由此带来的锌的污染问题也随之而来。正是由于Zn2+在生命活动中的重要作用，以及涉锌工业导致锌离子在环境中的污染和毒性，对Zn2+的检测目前已成为最受关注的研究之一。然而，Zn2+具有稳定的d10电子构型，很多常用的光谱和电化学分析方法，如紫外-可见光谱、电子顺磁共振和循环伏安法等均不适用于锌离子的测定[4]。荧光探针检测法简便快捷，在灵敏度、选择性和实时原位等检测方面均有突出优点。因此，开发研制成本低、响应快、具有高灵敏度和选择性的Zn2+荧光探针已经引起广泛关注[5-10]。8-氨基喹啉是一个含氮的二齿配体，作为识别基团在Zn2+荧光探针的设计中应用广泛[11]。基于苯并噁唑类化合物的强烈荧光和较高荧光量子产率等光物理性能，本研究设计了以苯并噁唑作为荧光团, 以8-氨基喹啉作为识别基团，将二者有机组合在一起，合成了一种可用于检测Zn2+的荧光探针(ZY7)，荧光探针ZY7的合成路线如图1所示。该探针分子对Zn2+有较好的选择性，能够可视化检测Zn2+，并且可对水体样品中的Zn2+进行检测。

1实验部分

1.1仪器与试剂

实验所用试剂均为市售分析纯。所用仪器为PHS-3C型pH计, Perkin-Elmer 2 400元素分析仪, API 2 000 LC-MS/MS质谱仪, Varian Mercury 400 MHz核磁共振仪，VARIAN-CARY荧光光谱仪。

1.2合成

1.2.1中间体(1)的合成

以多聚磷酸(60 mL)为溶剂，将邻氨基苯酚(2.18 g, 20 mmol)和对氨基苯甲酸(2.76 g, 20 mmol)充分混合在一起，在氮气保护下于220 ℃ 反应4 h。当反应液冷却至室温后，再向其中缓慢加入饱和Na2CO3溶液，搅拌，并调节溶液的pH 为7～8之间，过滤，将残渣用乙酸乙酯重结晶可得浅黄色的晶状粉末2.74 g, 产率65%。元素分析：实验值(计算值，%)∶C 73.61 (73.92)，H 4.56 (4.29)，N 6.84 (6.63)；ESI-MS:m/z 210 (M-H+);1H NMR (400 MHz,CDCl3,ppm)∶δ5.52 (s,1 H), 6.94 (d,2H,J7.8 Hz), 7.46 (d,2H,J6.8 Hz),7.76 (d,2H,J7.2 Hz),7.98(d,2H,J7.8 Hz)。

1.2.2中间体(2)的合成

参照文献[12]的方法,将中间体(1) (2.11 g,10 mmol)溶于甲苯(15 mL)和醋酸(15 mL)的混合溶液中，再向其中加入六次甲基四胺(4.20 g,30 mmol)，搅拌回流反应24 h。反应完毕，将溶液冷却至室温，再加入6 mol/L HCl溶液20 mL,搅拌均匀后，反应液用乙酸乙酯(3×50 mL)萃取。合并有机相，用50 mL饱和食盐水洗涤后，再加入无水硫酸镁干燥，旋转蒸发除去溶剂，所得粗产品用硅胶柱分离(V乙酸乙酯∶V石油醚=1∶ 3)可得黄色粉末2.10 g,产率88%。元素分析：实验值(计算值，%):C 70.58 (70.29)，H 4.06 (3.79)，N 6.84 (6.98)；ESI-MS:m/z 238 (M-H+);1H NMR (400 MHz, CDCl3, ppm)∶δ5.58 (s,1H),7.12 (d,1 H,J7.2 Hz),7.48 (d,2 H,J7.6 Hz),7.88 (d, 2H,J6.8 Hz),8.38(d,2H,J7.2 Hz),10.98 (s,1H)。

1.2.3探针ZY7的合成

将中间体(2) (1.20 g,5 mmol)和8-氨基喹啉(0.72 g,5 mmol)溶于50 mL的乙醇溶液中，搅拌回流反应6 h。待反应液冷却后，过滤，可得黄色粉末1.46 g, 产率80%。元素分析：实验值(计算值，%)∶ C 75.22 (75. 60)，H 4.46(4.14)，N 11.89(11.50)；ESI-MS∶ m/z 365(M+);1H NMR (400 MHz,CDCl3,ppm)∶δ5.54 (s,1 H),7.25 (d,1 H,J7.4 Hz),7.44～7.78 (m,9 H),8.18 (d,1 H,J6.8 Hz), 8.46 (d,2 H,J7.8 Hz),8.94 (d,1 H,J7.2 Hz)。

1.3荧光光谱测量方法

测量荧光光谱前，先配制100 μmol/L的ZY7乙醇储备液和20 mmol/L Tris- HCl缓冲液(pH 7.4)，各种金属离子硝酸盐(K+、Ca2+、 Na+、Mg2+、Mn2+、Fe3+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+、Ag+、Hg2+)储备液的浓度配制成1 mmol/L。

1.3.1ZY7对Zn2+的选择性检测

用移液枪取ZY7和各种金属离子储备液，再用Tris-HCl缓冲液(pH 7.4)和蒸馏水稀释，混合均匀后，使得测试的ZY7和各种金属离子在荧光比色皿中的最终浓度均为10 μmol/L(VEtOH∶VH2O=1∶9)，测试时所用的激发波长为330 nm，狭缝宽度为5.0nm/5.0nm。

1.3.2共存离子干扰实验

在荧光比色皿中加入不同体积的的ZY7和Zn2+的储备液，再分别加入K+、Ca2+、 Na+、Mg2+、Mn2+、Ag+、Fe3+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Cd2+、Hg2+储备液, 然后用Tris-HCl缓冲液(pH 7.4)和蒸馏水稀释，使得测试的ZY7和Zn2+的最终浓度均为10 μmol/L，其他干扰离子的浓度为ZY7摩尔浓度的10倍(100 μmol/L), 混合均匀后测定荧光发射光谱(λex=330 nm)。

1.3.3ZY7与Zn2+结合比的测定

参照文献[13]的方法, 固定Zn2+与ZY7的总浓度为10 μmol/L, 配制了一系列Zn2+与ZY7的混合溶液(Zn2+与 ZY7在体系中的浓度比分比为1∶9, 2∶8, 3∶7, 4∶6, 5∶5, 6∶4, 7∶3, 8∶2, 9∶1), 分别测定其荧光发射光谱(λex=330 nm)。以荧光强度对锌离子所占的摩尔比作图, 得到Job’s plot图。

1.3.4水体样品中Zn2+的检测

参照文献[14]的方法，检测水体样品中的Zn2+。恢复性实验中所选择的2种水体样本分别为自来水和湖水，其中自来水(pH 6.68)取自湖北理工学院化学与化工学院实验室，湖水(pH 6.45)取自于湖北省黄石市磁湖。测试时，自来水和湖水没有作任何处理，以这些水样代替荧光测试所用的蒸馏水，进行Zn2+的恢复性实验时，选用配制好的ZY7乙醇储备液，加入所选取的水体样品稀释，使得最终反应体系VEtOH∶VH2O = 1∶9。根据ZY7与Zn2+反应后的荧光强度变化与Zn2+(0~6.6×10-5mol·L-1)的线性关系来计算Zn2+的浓度，其他和上述荧光光谱测量方法一样。

2结果与讨论

2.1ZY7对Zn2+的识别

首先考察了几种常规溶剂对探针ZY7荧光强度的影响，结果见图2和表1。实验结果表明, ZY7在极性大的溶剂DMF中的荧光强度最弱，且按照DMF、CH3OH、DMSO、CH3CN和CH3CH2OH的顺序其荧光强度逐渐增大，但它的发射波长变化不大。在极性相对较小的溶剂CH2Cl2中，ZY7的荧光强度达到最大，而且它的发射波长稍微红移。为尽可能减少有机溶剂对反应体系的影响并保证ZY7的溶解性, 在后续实验中将ZY7配制成含10% CH3CH2OH的水溶液。ZY7在10% CH3CH2OH的水溶液中的最大激发波长(λex)和最大发射波长(λem)分别为330 nm和540 nm。实验发现，pH对ZY7的荧光强度也有影响(图 3)。在碱性的环境中，随着pH的增大，ZY7的荧光强度有一定程度的淬灭，而在pH 4.0~8.0的范围内, ZY7的荧光强度几乎保持不变，这使得在近生理的条件下它能够适应生命体中某种生理刺激所引起的pH变化。

表1　探针ZY7在不同溶剂中的激发波长与发射波长

将ZY7(10 μmol/L)与各种等量的常见金属离子溶液(K+、Ca2+、 Na+、Mg2+、Mn2+、Fe3+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Ag+、Cd2+、Hg2+)充分混合后，再测量反应体系的荧光强度，发现Zn2+使ZY7的荧光强度明显增强(大约增强了5倍左右)， Co2+、Cu2+、Fe3+使其荧光部分淬灭，而其他各种金属离子对ZY7的荧光几乎没有什么影响，这说明ZY7对Zn2+的荧光响应具有较好的选择性(图4)。将ZY7和Zn2+的浓度都控制为10 μmol/L，再加入10倍量的各种干扰离子后，实验结果表明，除了Fe3+、Co2+和Cu2+使ZY7的荧光部分淬灭外(大约淬灭了30%～50%)，其他干扰离子的加入几乎没有改变ZY7的荧光强度(图5)。因此，ZY7对Zn2+有较好的选择性和较强的抗干扰能力。

继续将ZY7的浓度控制为10 μmol/L，向其中逐渐加入Zn2+，随着Zn2+的浓度逐渐增加(0~30 μmol/L)，ZY7的荧光强度逐渐增强 (图6)。 当Zn2+的浓度增大到30 μmol/L时，ZY7的荧光强度不再发生变化，这表明此时溶液中ZY7与Zn2+的结合达到了平衡状态。此外，ZY7对Zn2+的荧光响应比较快。将等量的ZY7和Zn2+混合均匀，反应大约1 min后反应体系的荧光强度达到最大值，而继续延长反应时间，反应体系的荧光强度几乎没有什么变化，这说明ZY7可作为一种快速检测Zn2+的荧光增强型探针(图 7)。向ZY7(10 μmol/L)中加入等量的Zn2+后，将其置于波长为365 nm的紫外灯下照射，与没有加入Zn2+的ZY7溶液对比，可明显观察到它的荧光由浅黄色变成亮黄色，这种明显的颜色和荧光强度变化，表明ZY7对Zn2+有良好的识别作用，可以实现对Zn2+的可视化检测(图 7)。在实验中还发现，ZY7的荧光强度与Zn2+(0~6.6×10-5mol·L-1)有较好的线性关系 (线性相关系数:R2=0.994 4)，表明ZY7可以用来定量检测Zn2+的浓度(图 8)。

2.2ZY7与Zn2+的结合研究

为了测定ZY7与Zn2+的结合比，我们采用了等物质的量连续变化法(Job’s plot)。ZY7与Zn2+的Job’s plot图如图9所示。由图 9可以看出，当Zn2+物质的量分数为0.5时，ZY7与Zn2+结合后反应体系的荧光强度达到最大值，这表明ZY7与Zn2+之间的结合比为1∶1。

ZY7与Zn2+结合后荧光增强可能有2个方面的因素[13,15]。一方面，当加入Zn2+后，它可能与探针ZY7的C=N双键中的氮原子、酚羟基氧原子和喹啉氮原子发生螯合，从而限制了C=N双键的旋转，使其保持刚性平面的结构；另一方面，ZY7中的氮原子和氧原子与Zn2+之间的配位作用阻碍了光诱导的电子转移(PET)过程, 使得探针分子的荧光增强, 在540 nm 处发射出亮黄色的荧光。由此，根据ZY7与Zn2+结合后荧光增强影响因素的分析和Job’s plot实验的结果，我们推测ZY7与Zn2+可能的结合机理如图 10所示。

2.3ZY7对水体样品中Zn2+的检测

为了考察探针ZY7的潜在应用价值，取自来水和黄石市磁湖水进行Zn2+的恢复性试验(表2)。实验结果表明，ZY7不能检测自来水和磁湖水中低浓度的Zn2+，而向这2种水体中加入外源的Zn2+，测试结果的相对标准偏差(RSD)分别为2.92%和4.23%，Zn2+恢复率范围在94.0%～102.3%之间(对于恢复性实验，一般回收率要求在95%～105%之间，RSD一般要求低于5%)，这表明ZY7对这些水体样品中Zn2+的检测具有一定的灵敏度，并且有一定的实用价值。

表2　检测水体样品中Zn2+的恢复性试验

3结论

本研究设计合成了一种苯并噁唑类荧光增强型的探针ZY7，它能快速地识别Zn2+，有较好的抗干扰能力，具有较高的选择性，可实现对Zn2+的可视化检测，并能用于测试实际水体样品中的Zn2+含量，这表明ZY7可能具有在实际环境中检测Zn2+的潜在应用价值。

参 考 文 献

[1]Z Xu,Ks Kyung,Y Juyoung.R Revisit to imidazolium receptors for the recognition of anions:highlighted research during 2006-2009[J].Chem.Soc.Rev.,2010,5(5):1457-1466.

[2]Vallee B L,Falchuk K H.The biochemical basis of zinc physiology[J].Phys. Rev.,1993,73(1):79-118.

[3]郏佳,唐茜,何颖芳,等.基于有机小分子的Zn2+/Cd2+荧光探针研究新进展[J].有机化学,2012,32(10):1803-1811.

[4]丁煜宾,朱为宏,解永树.基于DPA识别基团的锌离子荧光传感器[J].化学进展,2011,23(12):2478-2488.

[5]古振远,徐勤超,邢国文.基于硝基苯并呋咱的荧光探针[J].化学进展,2013,25(8):1302-1312.

[6]Liu Z,He W,Guo Z.Metal coordination in photoluminescent sensing[J].Chem Soc Rev.,2013,42(28):1568-1600.

[7]Yuan L,Lin W Y,Zheng K B,et al.Far-red to near infrared analyte-responsive fluorescent probes based on organic fluorophore platforms for fluorescence imaging[J].Chem.Soc.Rev.,2013,42(2):622-661.

[8]Li X H,Gao X H,Shi W,et al.Design strategies for water-soluble small molecular chromogenic and fluorogenic probes[J].Chem.Rev.,2014,114(1):590-659.

[9]Sareen D,Kaur P,Singh K.Strategies in detection of metal ions using dyes[J].Coord. Chem.Rev.,2014,265(1):125-154.

[10]Guo Z Q,Park S,Yoon J,et al.Recent progress in the development of near-infrared fluorescent probes for bioimaging applications[J].Chem.Soc.Rev.,2014,43(1):16-29.

[11]胡女丹,马小彦,卢永仲.基于喹啉的锌离子荧光探针的研究进展[J].中国生化药物杂志,2014,34(5):178-182.

[12]Chen W H,Xing Y,Pang Y.A highly selective pyrophosphate sensor based on ESIPT turn-on in water[J].Org Lett.,2011,13(6):1362-1365.

[13]沈萍,胡胜利.高选择性锌离子荧光探针的合成与性质研究[J].化学试剂，2012，34(8)：737-739.

[14]范方禄，靖金球，陈雪梅.一种可视化检测硫化氢的苯并噻唑类荧光增强型探针[J].有机化学，2014，34(10):2178-2183.

[15]Wei T B,Zhang P,Shi B B,et al.A highly selective chemosensor for colorimetric detection of Fe3+and fluorescence turn-on response of Zn2+[J].Dyes and Pigments,2013,97(2):297-302.

(责任编辑吴鸿霞)

A Fluorescence Enhancement Zn2+Probe Based on Benzoxazole

XiongQijie1,WangQiang1,LiWei1,ShiYujuan1,PanLei1,AiSifan2,ZhangYong1,3,4*,FangZhiqiang4

(1School of Chemistry and Chemical Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003;2School of Science,

Tianjin University of Science and Technology,Tianjin 300457;3Hubei Key Laboratory of Mining Area Environmental Pollution Control and Remediation,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003;4Huangshi Lifuda Pharmaceutical Chemical Co.,Ltd.,Yangxin Hubei 435229)

Abstract：A benzoxazole-based fluorescence enhancement probe (ZY7) for the detection of Zn2+was designed and synthesized by employing 8-aminoquinoline as the recognition unit,it was characterized by the methods such as mass spectrometry (MS),nuclear magnetic resonance (NMR) and so on,and its fluorescent properties had also been investigated.The results showed that ZY7 showed relatively high selectivity to Zn2+as well as fast response, and it had strong anti-interference ability.ZY7 was also used for the visual detection of Zn2+and applied to detect Zn2+in water samples,indicated that it had potential application value.

Key words：benzoxazole;Zn2+;fluorescent probe;spectral properties

中图分类号：O626. 24

文献标识码：A

文章编号：2095-4565(2016)01-0023-05

doi:10.3969/j.issn.2095-4565.2016.01.006

作者简介：熊启杰，本科。

基金项目：湖北理工学院大学生科技创新项目(项目编号：13cx01)；湖北省教育厅高校青年教师深入企业行动计划项目 (项目编号： XD2014677)；矿区环境污染控制与修复湖北省重点实验室基金项目(项目编号：2012103)。

收稿日期：2015-03-30

*通讯简介：张勇，副教授，博士,研究方向：金属模拟酶、小分子螯合药物和荧光探针的设计合成和应用。