以大黄酸为荧光探针分子测定木耳中镁离子的含量

李蒙蒙，　曹丰璞，　王兴阳，　邱东方

(1.南阳师范学院 化学与制药工程学院　河南 南阳 473061；2.南阳市农产品检测中心　河南 南阳 473000)



以大黄酸为荧光探针分子测定木耳中镁离子的含量

李蒙蒙1，曹丰璞1，王兴阳2，邱东方1

(1.南阳师范学院 化学与制药工程学院河南 南阳 473061；2.南阳市农产品检测中心河南 南阳 473000)

摘要：以纯化后的市售大黄酸为荧光探针分子，建立了对Mg2+具有高选择性和高灵敏度的荧光分析体系.在DMSO/NH4Cl-NH3·H2O (体积比 95∶5, [NH4Cl] = 0.05 mol/L，pH 10.4)缓冲溶液中，大黄酸与Mg2+以1∶1的络合比形成强荧光配合物(λmax= 602 nm)，配合物荧光发射强度与Mg2+浓度在0～2.1×10-5mol/L范围内呈现良好的线性关系，检测限为5.52×10-7mol/L.将其用于木耳中Mg2+含量的检测，结果与原子吸收法相一致.

关键词：大黄酸； 镁离子； 荧光探针； 木耳

0引言

Mg是地球上含量最为丰富的元素之一，也是细胞中含量最高的二价金属离子，直接参与和影响细胞的多种生物功能，因此维持人体组织和细胞内Mg2+含量的平衡至关重要.人体日常Mg2+的摄入主要来源于食品和饮用水，其Mg2+含量的多少作为食品安全问题与人体健康息息相关.黑木耳是一种细腻、柔嫩、鲜美的食用菌和药用菌，深受消费者的喜爱，但是不法商家为了使黑木耳具有更出色的卖相和增加其质量，在加工过程中会添加MgSO4，制造“黑心木耳”.食用这种木耳往往会引起胃痛、呕吐、水泻、虚脱等中毒症状，直接威胁人体健康.因此，开发适用于农产品和环境样品中Mg2+的高效快捷检测方法具有重要的现实意义.

荧光探针分析法由于具有方法简单、灵敏度高、选择性强和可实时检测等特点，在生命分析、临床分析、环境分析等领域受到了极大的关注.利用荧光探针分子识别检测Mg2+已经成为行之有效的手段之一，到目前为止，喹啉类、β-二酮类、冠醚/多醚类、羧酸类、荧光素/罗丹明类、金属配合物类等荧光/磷光探针分子相继被开发用于Mg2+的分析检测.但是大部分Mg2+荧光探针分子都需要复杂的有机合成过程获得，其检测结果往往会受到共存Ca2+的干扰.因此，提高Mg2+荧光探针的选择性一直是该领域研究的核心任务之一[1—7].

大黄酸是大黄、决明和虎杖等多种中草药的有效活性成分之一.由于其分子中含有1,8位羟基和9位醌羰基螯合基团，能与多种过渡金属离子形成配合物，被广泛用于中药配位化学的研究中[8—10].但将其作为荧光探针分子用于金属离子检测方面的研究尚未见报道.本文旨在以该天然产物作为荧光探针分子，通过条件优化，建立能够用于实际农产品样品中Mg2+测定的分析方法.

1实验部分

1.1仪器与试剂

Perkin-Elmer Lambda 650s紫外-可见光谱仪；Perkin-Elmer LS50B荧光光谱仪.

市售大黄酸(纯度为95%)经过3次冰醋酸重结晶纯化，得到黄色针状晶体，用DMSO配制为1.0×10-3mol/L的储备液，实验时用缓冲溶液稀释至所需浓度.其他试剂均为分析纯，实验用水为二次蒸馏水.不同金属盐分别用二次蒸馏水配制成1.0×10-3mol/L的储备液待用.

1.2实验方法

1.2.1连续滴定分析向100 mL 3.0×10-5mol/L大黄酸的DMSO/NH4Cl-NH3·H2O(体积比95∶5，pH 10.4)缓冲溶液中依次加入一定体积的1.0×10-3mol/L Mg2+储备液，摇匀静置15 min后，分别记录其紫外-可见吸收光谱(250～800 nm)和荧光发射光谱(500～900 nm，激发波长为490 nm)，直至光谱不再发生变化,并利用荧光积分面积(500～850 nm)对Mg2+浓度绘制标准工作曲线.

1.2.2样品制备分别制备质量分数为5%、10%的MgSO4水溶液，取2份市售干木耳分别在其中浸泡24 h，取出后于60 ℃下真空干燥24 h，得2份干木耳模拟样品.

1.2.3样品测定将上述2份干木耳模拟样品分别在100 mL的蒸馏水中浸泡24 h，移取一定量上清液于10 mL容量瓶中，用DMSO/NH4Cl-NH3·H2O缓冲溶液定容，在最优条件下测定其荧光发射光谱，利用标准工作曲线计算Mg2+的含量.

2结果与讨论

2.1紫外-可见吸收光谱及荧光光谱

在中性溶液中，大黄酸于λmax= 228、258、430 nm处出现3个吸收峰，分别对应于苯环、醌环交叉共轭体系和醌羰基的吸收谱带[8].随着溶液pH值的增加，醌羰基吸收峰逐渐降低，在λmax= 540 nm处出现新的吸收峰，且强度逐渐增强.该吸收峰归因于大黄酸分子中3位羧基和1，8位酚羟基在碱性体系中离解，使整个分子的电子离域程度增大，电子跃迁时所需要的能量降低所致.在DMSO/NH4Cl-NH3·H2O缓冲溶液中，随着Mg2+的加入，大黄酸的醌羰基吸收峰进一步降低，而λmax= 540 nm处吸收峰逐渐增强且发生明显蓝移，并在λ= 469 nm处出现等吸收点(图1)，表明大黄酸的醌羰基、离解的羟基或羧基与Mg2+配位形成了配合物，中心金属阳离子的电子限域作用导致了吸收谱带的蓝移效应.

Mg2+的加入对大黄酸荧光发射光谱(激发波长为490 nm)的影响见图2.结果表明，在DMSO/NH4Cl-NH3·H2O缓冲溶液中，大黄酸在λmax= 602 nm处有弱的荧光发射；随着Mg2+的加入，其荧光发射强度逐渐增强直至稳定.

图1　连续滴定过程中紫外-可见吸收光谱的变化

图2　连续滴定过程中荧光发射光谱的变化

在保持总浓度为3.0×10-5mol/L的条件下，配制一系列不同比例的大黄酸与Mg2+缓冲体系，分别测定其荧光发射光谱，利用Job’s法确定大黄酸-Mg配合物的络合比.如图3所示，当溶液中大黄酸与Mg2+的摩尔比为1∶1时，荧光强度达到最大值，说明在DMSO/NH4Cl-NH3·H2O缓冲体系中，大黄酸与Mg2+形成了1-1型金属配合物.有研究结果表明，在碱性条件下，两分子大黄素能够分别通过分子中8位酚羟基失去质子和9位醌羰基的氧原子与一分子Mg2+发生均配作用，形成2-1型金属配合物[11].而对于大黄酸而言，由于分子中还存在着3位羧基配位单元，在碱性条件下，双配位单元很可能同时与Mg2+发生异配作用，从而引发金属离子诱导自组装形成1-1型金属基配位聚合物.

图3　大黄酸-Mg2+配合物的络合比Fig.3　The stoichiometry of rhein and Mg2+ complex

2.2实验条件优化

分别考察了溶剂极性、缓冲溶液pH值及其浓度对荧光发射光谱的影响.结果表明，在DMSO溶剂中配合物荧光发射强度最大，水等强极性溶剂加入过多会导致配合物荧光发射严重淬灭；当缓冲溶液的pH值在10.4～11.3范围内，大黄酸与Mg2+能够形成稳定的配合物，其荧光发射强度变化不大；缓冲溶液浓度的增加会导致配合物荧光发射强度稍有减弱.因此，本实验选择DMSO/NH4Cl-NH3·H2O(体积比95∶5，[NH4Cl] = 0.05 mol/L，pH 10.4)溶剂体系.

2.3线性关系和检测限

在最优化条件下，配合物荧光发射强度与Mg2+浓度在0～2.1×10-5mol/L范围内呈现良好的线性关系(I= 2.32×109c+8 734.32，相关系数R= 0.997 6)，检测限(S/N= 3)为5.52×10-7mol/L.

2.4选择性和干扰实验

在最优化条件下，考察了大黄酸对等量常见金属离子的荧光响应情况(图4).其中，碱金属离子(Na+、K+)和过渡金属离子(Zn2+、Cd2+、Cu2+、Ni2+、Mn2+、Pb2+)未引起大黄酸荧光发射强度的明显变化，Hg2+、Co2+和Fe2+均导致大黄酸荧光发射不同程度的淬灭，而碱土金属离子Mg2+和Ca2+均导致大黄酸荧光发射的增强效应，且Mg2+引起的荧光增强效应是Ca2+的33倍.另外，考察了加入等物质的量不同金属离子时对大黄酸-Mg2+配合物荧光发射强度的影响，其结果与选择性实验一致(图5).

图4　大黄酸对不同金属离子的荧光响应情况

图5　共存金属离子对大黄酸-Mg2+配合物荧光发射强度的影响

2.5样品测定

采用上述实验方法对两个样品待测液中Mg2+浓度进行了测定，结果见表1.采用本法测定的结果与标准原子吸收法相一致，其加标回收率分别为103.33%和102.00%.

表1　样品分析结果(n=3)

3结论

1) 在DMSO/NH4Cl-NH3·H2O (体积比95∶5, [NH4Cl] = 0.05 mol/L，pH 10.4)缓冲体系中，大黄酸能与Mg2+形成1-1型强荧光配合物(λmax= 602 nm)，其发射强度与Mg2+浓度在0～2.1×10-5mol/L范围内具有良好的线性关系(R=0.997 6)，检测限(S/N= 3)为5.52×10-7mol/L.

2) 相对于前期开发的大黄素荧光探针而言，大黄酸分子结构中3位羧基的共存，不仅增加了其在碱性缓冲溶液中的溶解度，从而提高了分析方法的生物相容性和重现性，而且由于双配位单元诱导形成金属基配位聚合物的放大效应，导致该体系对Mg2+荧光响应表现出了更宽的线性响应范围和更高的灵敏度.同时，采用碱性缓冲体系明显提高了大黄酸对Mg2+荧光增强效应的选择性.

3) 大黄酸作为天然产物，来源广泛，无需复杂的合成工艺，应用成本低廉，且采用本法对实际样品的测定结果与标准原子吸收法相一致，证实了其作为Mg2+荧光探针的可行性.

参考文献：

[1]李娜，向宇，童爱军. 一种新型高选择性检测镁离子的荧光增强型探针[J]. 环境化学, 2011, 30(1): 357—361.

[2]HAMA H, MOROZUMI T, NAKAMURA H. Novel Mg2+-responsive fluorescent chemosensor based on benzo-15-crown-5 possessing 1-naphthaleneacetamide moiety [J]. Tetrahedron Lett, 2007, 48 (10): 1859—1861.

[3]FARRUGGIA G, IOTTI S, PRODI L, et al. 8-Hydroxyquinoline derivatives as fluorescent sensors for magnesium in living cells [J]. J Am Chem Soc, 2006, 128 (1): 344—350.

[4]YOSHIO S,HIROKAZU K, TAKAFUMI I, et al. Design and synthesis of Mg2+-selective fluoroionophores based on a coumarin derivative and application for Mg2+measurement in a living cell [J]. Anal Chem, 2002, 74 (6): 1423—1428.

[5]CAPITAN-VALLVEY L F, FERNANDEZ-RAMOS M D, LAPPESTA-FERNANDEZ A, et al. Magnesium optical one-shot sensor based on a coumarin chromoionophore [J]. Talanta, 2006, 68 (5): 1663—1670.

[6]WATANABE S, IKISHIMA S, MATSUO T, et al. A luminescent metalloreceptor exhibiting remarkably high selectivity for Mg2+over Ca2+[J]. J Am Chem Soc, 2001, 123 (34): 8402—8403.

[7]YANG Q Z, WU L Z, ZHANG H, et al. A luminescent chemosensor with specific response for Mg2+[J]. Inorg Chem, 2004, 43 (17): 5195—5197.

[8]赵芳，梁慧，程惠，等. 大黄酸金属配合物的合成、表征及抗氧化活性研究[J]. 化学学报，2011，69(8)：925—930.

[9]赵芳，梁慧，程惠，等. 大黄酸铜(Ⅱ)配合物与牛血清白蛋白的相互作用[J]. 高等学校化学学报，2011，32(6)：1277—1283.

[10]赵芳，黄超峰，梁慧，等. 大黄酸锌配合物与牛血清白蛋白相互作用的研究[J]. 分析化学，2011，39(3)：401—403.

[11]李蒙蒙，王兴阳，邱东方. 大黄素作为镁离子荧光分子探针的行为研究[J]. 南阳师范学院学报，2014，13(12)：20—23.

(责任编辑：孔薇)

Determination of Mg2+in Fungus by Using Rhein as a Selective Fluorescent Probe

LI Mengmeng1,CAO Fengpu1,WANG Xingyang2,QIU Dongfang1

(1.CollegeofChemistryandPharmacyEngineering,NanyangNormalUniversity,Nanyang473061,China;2.NanyangAgriculturalProductTestCenter,Nanyang473000,China)

Abstract:By using the purified rhein as the fluorescent probe, an analytical system with high selectivity and sensitivity was established for determination of Mg2+in fungus.In DMSO/NH4Cl-NH3·H2O (V/V 95∶5, [NH4Cl] = 0.05 mol/L，pH 10.4)buffer solution, the complex with 1∶1 stoichiometry of rhein and Mg2+was formed, which showed the strong fluorescence at λmax= 602 nm. A good linear relationship between the fluorescent intensity and Mg2+concentration from 0 to 2.1×10-5mol/L was determined. The detection limit was 5.52×10-7mol/L. This method was successfully used to detect the content of Mg2+in fungus, and it was in consistent with the result obtained by the atomic absorption spectroscopy.

Key words:rhein; Mg2+; fluorescent probe; fungus

收稿日期:2015-09-10

作者简介:李蒙蒙(1990—)，女，河南信阳人，硕士研究生，主要从事生物荧光探针开发与应用研究，E-mail:10519653798@qq.com；通讯作者：邱东方(1971—)，男，河南南阳人，教授，博士，主要从事有机光电功能配合物研究，E-mail:qiudf2008@163.com．

中图分类号：O657.31

文献标志码：A

文章编号：1671-6841(2016)01-0063-04

DOI:10.3969/j.issn.1671-6841.201507007

引用本文：李蒙蒙，曹丰璞，王兴阳，等.以大黄酸为荧光探针分子测定木耳中镁离子的含量[J].郑州大学学报(理学版)，2016,48(1)：63—66.