一种基于肟的对次氯酸根离子的高效比色和荧光的化学传感器的合成和性质研究

陈梦雪，余柱，骆早利，李焰，任君

(湖北大学化学化工学院，湖北 武汉430062)



一种基于肟的对次氯酸根离子的高效比色和荧光的化学传感器的合成和性质研究

陈梦雪，余柱，骆早利，李焰，任君

(湖北大学化学化工学院，湖北 武汉430062)

次氯酸作为一种不稳定的弱酸，在日常生活中被广泛应用；而作为一种重要的活性氧物种，在众多生理和病理的过程中也发挥着至关重要的作用.本文中设计、合成以蒽为荧光发色基团，以肟为识别基团的对ClO-高效选择性识别的荧光传感器S.传感器S对ClO-有很好的选择性识别能力，而且其他大部分的ROS活性氧簇离子对次氯酸根离子的测定也无干扰，该探针分子对ClO-有很快的响应速度，在2 min左右即可完成，而且探针分子S对ClO-的检测限DL达到6.37×10-7mol/L.

蒽醛；肟；荧光传感器；次氯酸根

0 引言

HClO作为ROS(reactive oxygen species，活性氧簇)的重要成员之一，与我们的日常生活也是息息相关的.例如漂白水、84消毒液的主要成分都是次氯酸钠[1].次氯酸作为一种强亲核非自由基氧化剂，在自然界中是各种生物用来防御的天然杀菌剂.其杀菌的机制是无论是哺乳动物还是细菌细胞都缺少可以分解它的酶而不能避免它的作用.它集中分布在白血球中，包括中性粒细胞、巨噬细胞等，担负着重要的生物学功能[2].在生物体内，经过氧化物酶(MPO)的催化，过氧化氢离子能够与氯离子反应生成次氯酸根离子.它是一种良好的抗菌剂，能有效阻止细菌的侵入，对人体的免疫系统具有非常重要的作用[3].但是过量的次氯酸引起的氧化过激而导致的白血病、肾炎等多种疾病是令人骇然的[4-6].

目前，常用的一些检测HClO的方法包括：原子吸收光谱法、原子发射光谱法以及伏安法，这些分析手段在实际应用中对于一些普通的金属离子，可能具有一定的识别分析作用，但是对于人体内的ROS来说，就毫无用武之地[7].另外，这些方法既昂贵又繁琐，且常常需要特殊的实验仪器，不适用于实时和原位分析.近些年来，荧光分析法由于其一些特殊的优点，逐渐进入了化学研究者的视线，其特点包括：灵敏度高、选择性高、空间分辨能力高及对细胞损伤小等[8].

本文中我们以简单的以蒽醛为原料，与盐酸羟反应，合成以肟为识别基团，以蒽为荧光基团的特异性识别次氯酸根离子的传感器S，并对其识别性能进行了研究.

1 实验部分

1.1 试剂和仪器 试剂：9-蒽醛；盐酸羟胺；吡啶；三氯甲烷；盐酸；碳酸氢钠；无水硫酸钠；次氯酸钠；氟化钠；氯化钠；溴化钠；碘化钠；醋酸钠；亚硝酸钠；硝酸钠；硫氰化钾；硫酸钠；亚硫酸氢钠；磷酸钾；磷酸氢二钠；磷酸氢二钾；亚硫酸钠；硫代硫酸钠；高氯酸；氯酸钾.其他试剂均为市售分析纯，使用前未经纯化.

仪器：核磁用美国 VARIAN Unity INOVA(600 MHz) 和中国科学院 WIPM (400 MHz) 核磁共振波谱仪测定，指定氘代试剂为溶剂，TMS为内标；红外用FTIR-Spectrum one(美国Perkin-Elmer公司)红外光谱仪测定；荧光用日本的Shimadzu RF-5301PC荧光光谱仪测定；质谱用安捷伦1260-6224 LC-MS TOF ESI(EI)液相色谱-质谱联用测试仪测定.

图1 从左到右依次是在紫外荧光照射下的照

2 结果与讨论

2.2 探针分子对不同浓度的次氯酸的滴定实验 为进一步研究传感器S的识别性能，我们研究了在不同浓度的ClO-的存在下的荧光发射光谱.如图2所示，随着ClO-浓度的增加，其最大荧光发射强度逐渐减弱，当加入1×10-4mol/L的ClO-时，最大荧光发射强度不再减小，继续增加ClO-的浓度，荧光发射强度没有明显变化.而且在2×10-5mol/L到1×10-4mol/L范围内，最大荧光发射强度与ClO-吸收浓度有很好的线性关系，表明该传感器分子可用于ClO-的定量检测.荧光增强的原因可能为：传感器分子S中肟基中的羟基具有很强的供电子能力，且碳氮双键又具有拉电子能力，所以探针分子就具有明显的“拉-推”效应，从而发出较强的荧光.随着次氯酸的加入，肟基被脱保护变回醛基，使分子内ICT(分子内电荷的转移)过程受到抑制，导致荧光光谱减弱.

图1 传感器S(2×10-5 mol/L)中加2×10-5 mol/L的不同阴离子的荧光吸收光谱图DMSO-H2O(1∶1，体积比)

图3 传感器S(2×10-5 mol/L)中加不同物质量浓度的

为计算传感器S对ClO-的检测限(DL)，以荧光吸收强度F对ClO-浓度作图，线性拟合得线性回归方程：F=-358.0[ClO-]+752.3，上式中F为最大荧光吸收波处的吸光强度，相关系数R2=0.995 4.如图3所示.

根据Stern-Volmer[11]方程，检测限DL=Kδ/S，式中δ为空白溶液荧光吸收强度多次测量的标准偏差，本实验10次平行测量的标准偏差δ为3.801；K是根据一定置信水平确定的次数，一般取3；S是灵敏度，即上述线性回归方程的斜率的绝对值，计算得探针分子S的检测限DL为6.37×10-7mol/L.这表明探针分子S对ClO-的检测具有较高的灵敏度.

图4 传感器S(2×10-5 mol/L)对不同物质量浓度的ClO-的荧光吸收强度变

图5 其他离子对ClO-的干扰实验结果DMSO-H2O(1∶1，体积比)

图6 传感器S(2×10-5 mol/L)对ClO-的响应时间DMSO-H2O(1∶1，体积比)

2.4 探针分子与目标离子的反应时间实验 响应时间也是考察一个传感器性能的重要指标之一.我们通过荧光动力学实验研究了了探针分子S(2×10-5mol/L)对目标离子ClO-的响应时间，记录反应时间对体系荧光强度的影响.如图5所示，结果表明体系在反应2 min左右达到稳定，且荧光强度能至少稳定20 min.结果表明，探针S对ClO-有很快响应，有望用于活细胞的荧光成像和生物体系的检测.

图7 9-蒽醛肟的核磁谱图

图8 蒽醛的核磁谱

3 结论

本文中我们通过一步简单的化学反应高效地合成了荧光探针S.该探针分子对ClO-有很好的选择性识别能力，随着ClO-的加入，荧光逐渐减弱，而其他常见阴离子加入后荧光强度未发生明显的变化.荧光增强的原因可能为：传感器分子S中肟基中的羟基具有很强的供电子能力，且碳氮双键又具有拉电子能力，所以探针分子就具有明显的“拉-推”效应，从而发出较强的荧光.随着次氯酸的加入，肟基被脱保护变回醛基，使分子内ICT(分子内电荷的转移)过程受到抑制，导致荧光光谱减弱.该探针S对次氯酸根离子的检测限DL也达到 6.37×10-7mol/L .因此该传感器在生物分析和环境监测等领域有一定的应用潜在价值，为次氯酸根离子的识别提供了一种选择性好、灵敏度高、检测迅速的简便方法.

[1] Yang Y K，Cho H J，Lee J，et al. A rhodamine hydroxamic acid-based fluorescent probe for hypochlorous acid and its applications to biological imagings[J]. Organic letters，2009，11(4): 859-861.

[2] Hidalgo E，Bartolome R，Dominguez C. Cytotoxicity mechanisms of sodium hypochlorite in cultured human dermal fibroblasts and its bactericidal effectiveness[J]. Chemico-biological interactions，2002，139(3): 265-282.

[3] Reja S I，Bhalla V，Sharma A，et al. A highly selective fluorescent probe for hypochlorite and its endogenous imaging in living cells[J]. Chemical Communications，2014，50(80): 11911-11914. [4] Pattison D I，Davies M J. Evidence for rapid inter-and intramolecular chlorine transfer reactions of histamine and carnosine chloramines: implications for the prevention of hypochlorous-acid-mediated damage[J]. Biochemistry，2006，45(26): 8152-8162. [5] Pattison D I，Davies M J. Absolute rate constants for the reaction of hypochlorous acid with protein side chains and peptide bonds[J]. Chemical research in toxicology，2001，14(10): 1453-1464.

[6] Adam L C，Gordon G. Direct and sequential potentiometric determination of hypochlorite，chlorite，and chlorate ions when hypochlorite ion is present in large excess[J]. Analytical Chemistry，1995，67(3): 535-540.[7] Oushiki D，Kojima H，Terai T，et al. Development and application of a near-infrared fluorescence probe for oxidative stress based on differential reactivity of linked cyanine dyes[J]. Journal of the American Chemical Society，2010，132(8): 2795-2801.

[8] Kenmoku S，Urano Y，Kojima H，et al. Development of a highly specific rhodamine-based fluorescence probe for hypochlorous acid and its application to real-time imaging of phagocytosis[J]. Journal of the American Chemical Society，2007，129(23): 7313-7318.

[9] Horiguchi M，Ito Y. Solvent-dependent effect by carbon dioxide on the photoreactions of (9-anthryl) alkylamines[J]. Tetrahedron，2007，63(50): 12286-12293.

[10] Yu J，Jin Y，Lu M. 3-Methyl-4-oxa-5-azahomoadamantane as an Organocatalyst for the Aerobic Oxidation of Primary Amines to Oximes in Water[J]. Advanced Synthesis & Catalysis，2015，357(6): 1175-1180.

[11] Wang L，Long L，Zhou L，et al. A ratiometric fluorescent probe for highly selective and sensitive detection of hypochlorite based on the oxidation of N-alkylpyridinium[J]. RSC Advances，2014，4(103): 59535-59540.

[12] Wu G，Zeng F，Wu S. A water-soluble and specific BODIPY-based fluorescent probe for hypochlorite detection and cell imaging[J]. Analytical Methods，2013，5(20): 5589-5596.

(责任编辑 胡小洋)

The synthesis and properties research of efficient colorimetric and fluorescent chemical sensor for hypochlorite ion based on deoximation reaction

CHEN Mengxue，YU Zhu，LUO Zaoli，LI Yan，REN Jun

(School of Chemistry and Chemical Engineering，Hubei University，Wuhan 430062，China)

Hypochlorous acid，as an unstable weak acid，is widely used in daily life,and also play a crucial role in many physiological and pathological processes as an important reactive oxygen species.Therefore，a new efficient fluorescent chemosensor S based on anthracene as the chromphore and oxime as the recognition site ClO-is designed and synthesized.Sensor S has good selective recognition ability for ClO-， and other of most of ROS activity oxygen cluster ion on hypochlorite root ion of determination also no interference， the probe molecular on ClO-has a quick response speed，in 2 min around can completed，and probe molecular S on ClO-of detection limited DL can reach to 6.37×10-7mol/L.

9-anthraldehyde；oxime；fluorescent sensor；hypochlorite

2016-05-28

湖北省自然科学基金(2013CFB005)资助

陈梦雪(1990-)，女，硕士生；任君，通信作者，副教授，E-mail: rj77lll@126.com

1000-2375(2016)06-0533-05

O657.3;TP212

A

10.3969/j.issn.1000-2375.2016.06.011