一种基于8-氨基喹啉的希夫碱型荧光探针对锌离子的荧光识别

汤立军，史健泽

(渤海大学 化学化工学院，辽宁 锦州 121013)



一种基于8-氨基喹啉的希夫碱型荧光探针对锌离子的荧光识别

汤立军*，史健泽

(渤海大学 化学化工学院，辽宁 锦州 121013)

合成了一种基于8-氨基喹啉的希夫碱型荧光探针L，并表征了其结构.在DMSO-H2O(1:1，v/v，HEPES 0.01 mol/L，pH = 7.4)溶液中考察了探针L对金属离子的识别行为.结果表明探针L对Zn2+具有良好的选择性识别作用，除Cu2+外，其他共存的金属离子对Zn2+的识别过程无显著干扰.探针L与Zn2+的结合比为1:1，结合常数为8.35×105L/mol.

席夫碱；8-氨基喹啉;荧光探针；锌离子；识别

0 引言

锌离子是一种在人体中含量丰富的过渡金属离子，它在生命体或者人体中的新陈代谢以及诸多生命体活动中特别重要，例如，它可以参与酶催化过程，可以参与蛋白质分子结构的固定，以及生物大分子作用调节等等〔1〕.通过许多文献报道，失调含量的锌离子对于人体活动的危害是非常大的并且可以引发很多病症，例如阿尔茨海默症、糖尿病、前列腺癌等〔2〕.此外，过量的锌离子对于环境的影响也不容忽视.基于上述情况，研究者研究开发了多种方法用于锌离子的检测.

近十年来，荧光探针在锌离子的识别方面应用特别广泛，同时在锌离子的检测方面也发挥了很大的作用，这是由于荧光探针具有操作简单、高灵敏度等特点.至今已有大量的基于各种荧光团的锌离子荧光探针被广泛研究〔2-8〕.值得注意的是，以8-氨基喹啉这一结构简单的荧光团构建新的荧光探针，具有合成简单，发射波长相对较长(>500 nm)的优点〔9，10〕.希夫碱的C=N基团对金属离子具有良好的络合能力，而且C=N的异构化过程可引起荧光猝灭〔11，12〕，这为构建荧光“关-开”型荧光探针提供了便利条件.基于此，本文设计合成了一种含有8-氨基喹啉结构的席夫碱型荧光探针L(合成1).在DMSO-H2O(1:1，v/v，HEPES 0.01 mol/L，pH = 7.4)溶液中，探针L对Zn2+具有良好的荧光识别作用.

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

荧光分光光度计(970 CRT，上海三科)，核磁共振仪(400 MR，美国Agilent 公司)，液相色谱/四极杆飞行时间串联质谱仪(HPLC-Q-Tof，英国Micromass公司)，数字熔点测定仪(WRS-1B型，上海优浦科学仪器有限公司). 化合物2按照文献方法合成〔13〕，其余试剂和溶剂均为商品化试剂.

1.2 荧光探针L的合成

将3-羟基-2-萘醛(化合物1，86 mg, 0.5 mmol) 和2-氨基-N-(8-喹啉基)乙酰胺(化合物2，120.6 mg， 0.6 mmol)溶解于20 mL绝对乙醇中，搅拌并加热回流3 h.冷却至室温后有黄色固体析出，过滤收集沉淀并用冷的乙醇洗涤，干燥后得145.3 mg化合物L，收率80%, m.p.173.8-174.2 ℃.1H-NMR (400 MHz, DMSO-d6) δ 11.96 (s, 1H), 10.85 (s, 1H), 8.93 (d,J=4.0 Hz, 1H), 8.91 (s, 1H), 8.69 (d,J=6.8 Hz, 1H), 8.44 (d,J=8.4 Hz, 1H), 8.37 (s, 1H), 7.95 (d,J=8.4 Hz, 1H), 7.77 (d,J=8.4 Hz, 1H), 7.72-7.60 (m, 3H), 7.52 (t,J=7.2 Hz, 1H), 7.37 (t,J=7.2 Hz, 1H), 7.32 (s, 1H), 4.75 (s, 2H);13C NMR (100 MHz, DMSO-d6) δ 168.20, 166.94, 156.11, 149.50, 138.43, 137.10, 136.08, 134.34, 132.43, 129.12, 128.63, 128.27, 127.50, 126.47, 124.09, 122.77, 122.58, 122.39, 116.58, 110.56, 62.91.HRMS (ESI+): 计算值 C22H18N3O2[M+H]+m/z356.1399, 实测值356.1344.

1.3 光谱性能试验

荧光探针的溶液配制为1.0×10-5mol/L，溶剂的选择为DMSO-H2O(1:1，v/v, HEPES 0.01 mol/L, pH = 7.4).各种金属离子(K+，Na+，Ca2+，Mg2+，Ni2+，Pb2+，Cr3+，Mn2+，Cu2+，Fe2+，Co2+，Hg2+，Cd2+，Zn2+，Ag+，Ba2+，Fe3+，Pb2+和Sr2+)采用相应的盐酸盐或硝酸盐，进而配制成0.01 mol/L的水溶液.

1.3.1 受体对于锌离子的荧光选择性的测试

准确量取2 mL的探针受体L的溶液于不同的离心管中，再等量地称取10倍摩尔比的各种金属离子溶液，将每一种不同的金属离子溶液滴加到上述的装有受体的离心管中，通过荧光分光光度计测试加入指定金属溶液之后，每一个离心管中的混合溶液的荧光强度，扫描荧光，激发波长为350 nm.

1.3.2 受体对于锌离子的荧光滴定实验的测试

准确量取2 mL的探针溶液于不同的离心管中，分别在每一个不同的离心管中依次滴加梯度浓度的锌离子溶液，使之与受体的摩尔比为一倍到十倍.依次测量每个离心管中的混合液样的荧光强度光谱，通过荧光分光光度计的扫描，得出荧光光谱.

1.3.3 受体与锌离子的结合比测试实验

固定锌离子和探针分子溶液的总浓度，使之达到1.0×10-5mol/L, 分别将不同浓度配比的锌离子溶液与探针分子溶液加入到不同的离心管中，使之总体积为2 mL.再通过荧光分光光度计扫描每一组样品，得到结论，通过调节二者摩尔比，比较不同组试样的荧光光谱，通过作图得到受体和锌离子的结合比.

1.3.4 受体对于其他阳离子的抗干扰实验

准确量取2 mL的探针溶液于不同的离心管中，再分别滴加各种等浓度的金属离子溶液于每一个离心管中，随之加入等浓度的锌离子溶液于上述离心管中，通过荧光分光光度计测试各试样的荧光光谱.将之与选择性荧光光谱谱图进行数据处理，得出受体的抗干扰性实验柱状图.

2 结果与讨论

2.1 荧光探针L对锌离子的荧光选择性

本文在实验过程中，第一步考察了探针L对各种金属离子的荧光响应，结果如图1-a所示.在DMSO-H2O(1:1，v/v，HEPES 0.01 mol/L，pH = 7.4)溶液中，L表现出微弱的荧光发射，这主要是由于在激发态下C=N双键存在异构化过程，这种非辐射能量衰减猝灭了L的荧光〔14〕.这种荧光猝灭也部分归因于激发态分子内质子转移(酚羟基氢向希夫碱氮原子的转移)〔15〕.加入Zn2+后，L在510 nm处呈现显著的荧光增强，而加入其它金属离子，如(K+，Na+，Ca2+，Mg2+，Ni2+，Pb2+，Cr3+，Mn2+，Cu2+，Fe2+，Co2+，Hg2+，Cd2+，Zn2+，Ag+，Ba2+，Fe2+，Pb2+和Sr2+，荧光发射无明显变化.Zn2+引起的荧光发射来源于于8-氨基喹啉荧光团，在锌离子和探针分子发生结合的过程中，锌离子通过分子间作用力，将探针受体的碳氮双键的异构化效应削弱，使得探针受体分子加入锌离子之后，整体的分子平面不易于转动，刚性得到有效地增强，而这一结果通过荧光分光光度计的扫描，反应在荧光光谱中即荧光强度得到显著增强.结果表明，荧光探针L对Zn2+具有良好的选择性识别作用.

图1 (a) 探针分子L对各种金属离子的荧光响应(内插图：加入Zn2+前后探针L溶液的荧光照片)(b) 在L中加入不同浓度Zn2+的荧光变化曲线

2.2 锌离子对探针分子L的荧光滴定试验

图1-b为探针L在不同浓度的Zn2+存在时的荧光光谱变化.随着Zn2+浓度的增加，探针L的荧光发射逐渐增强，当Zn2+的摩尔浓度为受体的10倍时滴定达到饱和，说明L对Zn2+具有较好的传感性质.根据荧光滴定实验数据，通过Origin软件按1:1结合方程进行非线性拟合〔16〕，拟合后得到一条平滑曲线，非线性相关系数为0.99503(图1-b内插图).所用方程为：

其中，Y：探针溶液加入了锌离子以及不同的金属离子后的荧光强度；Y0代表无金属离子时探针溶液的荧光强度；Ylim代表加入离子溶液后，溶液体系的荧光强度变化的极值；CM为加入金属离子的浓度；CL为探针的浓度；KS为L与Zn2+的结合常数.拟合结果表明，探针L与Zn2+的结合比为1:1，二者的结合常数为8.35×105L/mol.

根据荧光滴定实验数据，计算了L对Zn2+的检测限.采用归一化的荧光强度，以Log(F-Fmin)/(Fmax-Fmin)对Log[Zn2+]作图，得到一条直线(Y=6.0467+1.2645X，R=0.9960)(图2-a)，该直线与X轴的交点即为检测限〔17〕.经计算，L对Zn2+的检测限为1.70×10-5mol/L.

2.3 荧光探针受体的抗干扰性荧光光谱实验

为考察其他金属离子对于锌离子与受体结合的阻碍作用大小，本文对于受体加入锌离子、以及受体加入其他离子随后加入锌离子的不同组样品进行了对比的荧光光谱测试，通过观测其锁定波长的荧光强度变化进行抗干扰实验.结果如图2-b所示.通过图2-b得出，分别向受体溶液中滴加金属离子溶液，再将不用的试样加入到每一个离心管样品中，通过扫描荧光光度计来观察溶液在有不同金属离子、以及锌离子共存的情况下，其荧光强度的变化.通过荧光抗干扰性的实验，总结其结果得出，Fe2+和Co2+可以不同程度地阻碍探针受体L与锌离子的结合能力，阻碍探针受体L与锌离子的结合能力，因此在有两种离子共存时，其荧光强度的增幅较单独加入锌离子时荧光增幅更小，这一结果说明这些离子也能与L络合，这些离子的顺磁性导致荧光猝灭，但其结果不会给出Zn2+存在的假信号.需要指出的是，共存的Cu2+能导致探针L荧光完全猝灭，这可能是Cu2+与L具有更强的结合能力并通过顺磁性猝灭了L的荧光.这些结果表明，除了Cu2+外，探针L适用于在有其它金属离子存在时对Zn2+的检测.

图2 (a) 归一化的荧光强度与Log[Zn2+]的线性关系图 (b) 在其它金属离子及Zn2+存在下探针L的荧光强度变化

2.4 受体的pH值对于其荧光选择性的影响

受体的实用性在很大程度上依赖于其对于酸碱性的适应性，为了进一步检验探针L的实用性，我们考察了不同的pH值对受体L的荧光强度的影响(图3-a).从不同组样品所反应的荧光强度上来看，探针L在广泛的pH值范围内(pH2～13)荧光发射强度均很弱且波动较小，当有Zn2+存在时，L溶液在pH7到12范围内具有强的荧光发射.这表明L适用于在近中性和较弱碱性条件下对Zn2+的检测.

图3 (a)pH值对L及L+Zn2+荧光强度的影响 (b) 荧光探针L与Zn2+的结合比实验

2.5 探针受体和锌离子的结合比测定实验

通过以往类似文献的查阅，锌离子和探针受体的结合方式应为1:1，为进一步验证探针受体L和锌离子的结合模式猜想，本文通过等摩尔连续法，固定探针分子溶液与Zn2+溶液的总浓度为1.0×10-5mol/L, 调整二者的摩尔比例，测试各样品荧光光谱，通过扫描不同配比的试样的荧光强度，得出了探针受体L与锌离子的结合比(图3-b).当Zn2+的摩尔分数为0.5时，荧光发射强度最强，说明L与Zn2+的结合比为1:1，该结果与非线性拟合结果相一致.

在探针L与Zn2+的混合液质谱图中，在m/z=417.9254处出现一强质谱峰，可归属于[L+Zn2+-H+]+(计算值为418.0532).结合前述实验结果，我们推测了探针L与Zn2+的结合模式，如图4所示.酚氧负离子，亚胺氮原子，喹啉氮原子共同参与了与Zn2+的络合，该络合方式抑制了C=N基团的异构化并增强了配体的刚性，因而引起荧光增强.

3 结论

合成了一种基于8-氨基喹啉的席夫碱类荧光探针L，L对Zn2+具有良好的选择性识别能力，荧光信号发生“off-on”变化.探针L与Zn2+的结合比为1:1，二者间的结合常数为8.35×105L/mol，L对Zn2+的检测限1.70×10-5mol/L.除了Cu2+外，探针L对Zn2+的识别过程具有较强的抗其它金属离子干扰的能力.

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An 8-aminoquinoline-based Schiff base type fluorescent probe for the recognition of Zn2+

TANG Li-jun, SHI Jian-ze

(College of Chemistry and Chemical Engineering, Bohai University, Jinzhou 121013, China)

A new Schiff base type fluorescent probe L that containing 8-aminoquinoline moiety has been synthesized and structurally characterized. Fluorescence responses of the probe L toward various metal ions were conducted in DMSO-H2O (1:1, v/v, HEPES 1.0×10-2mol/L, pH = 7.4) solution. The results show that probe L exhibits good recognition property toward Zn2+over other metal ions. Except Cu2+, co-existence of other metal ions exerts no significant interference on Zn2+recognition. Probe L binds Zn2+with a 1:1 binding ratio, and the binding constant is calculated to be 8.35×105L/mol.

schiff base； 8-aminoquinoline；fluorescent probe；Zinc ion；recognition

2016-07-16.

国家自然科学基金(No: 21476029;No: 21176029); 辽宁省高等学校优秀人才支持计划(No: LR2015001).

汤立军(1972-)，男，博士，教授，主要从事光化学传感器的合成和应用研究.

ljtang@bhu.edu.cn.

O656.2

A

1673-0569(2016)04-0330-06