萘酰亚胺铁离子荧光探针的合成及识别性能

刘 静，李东伟，武小强，江 飞

(咸阳师范学院化学与化工学院，陕西咸阳 712000)

萘酰亚胺铁离子荧光探针的合成及识别性能

刘 静∗，李东伟，武小强，江 飞

(咸阳师范学院化学与化工学院，陕西咸阳 712000)

以1，8-萘酐、N，N-二甲基乙醇胺、三乙烯四胺为原料，通过酰亚胺化、缩合等反应，合成一种萘酰亚胺荧光探针，并通过核磁氢谱、红外光谱结构表征，测定了探针在乙醇与水的混合溶液中的荧光光谱。考察了金属离子浓度等因素的影响，对其配位机理进行了研究。结果显示，目标产物在乙醇-水溶液中对Fe3＋表现出了专属选择性识别性能，在(1.87～6.53)×10－6g/mL的Fe3＋浓度范围内，探针荧光强度与Fe3＋浓度有很好的线性关系，线性相关系数R＝0.995 3，检出限为405.1 ng/mL。

萘酰亚胺；专属识别；荧光光谱；荧光探针

1 引 言

铁是人体必需的重要微量元素，缺铁可以引起贫血营养缺乏症；但过量的铁对人体有毒，会引起严重的铁代谢障碍疾病，如阿耳茨海默氏老年痴呆病，帕金森氏综合症和其他神经退化性疾病等[1-2]。因此，对Fe3＋的分析检测非常必要[3]。

1，8-萘酰亚胺类衍生物具有刚性平面结构，光稳定性好、荧光量子产率高。另外，该荧光基团在合成过程中有萘环4-位易被修饰和酰胺N-位高反应活性两大优势，常被用于各种荧光分子探针中[4-5]。Staneva等[6]以二乙烯三胺为连接基，N，N-二甲基乙二胺为识别基团，合成了萘酰亚胺Fe3＋离子荧光增强型探针。但Cr3＋离子对检测结果有干扰，所以该探针对这两种离子缺乏选择性。Grabchev等[7]将1，8-萘酰亚胺衍生物与苯乙烯共聚合成了Fe3＋离子探针，随着Fe3＋浓度的增大，荧光逐渐增强。杨运旭等[8]合成了两种磺酰胺类化合物，在乙醇-水溶液中能选择性识别Fe3＋，Fe3＋的加入使得荧光猝灭。Jung等[9]报道了一种对Fe3＋离子有较好选择性的比率荧光探针，但在探针与Fe3＋量比为1∶88之前，是荧光猝灭型探针，灵敏性有待提高。

本文设计并合成了灵敏性高、选择性好的荧光增强型1，8-萘酰亚胺类铁离子荧光探针，在(1.87～6.53)×10－6g/mL的Fe3＋浓度范围内，探针荧光强度与Fe3＋浓度有很好的线性关系，线性相关系数R＝0.995 3，检出限为405.1 ng/mL。

2 实 验

2.1 试剂与仪器

实验中使用的仪器主要有Specord 50紫外分光光度计(德国Jena公司)、RF-5301PC荧光分光光度计(SHIMADZU公司)、RPrestige-21红外光谱仪(SHIMADZU公司)以及核磁共振波谱仪(AV-400瑞士布鲁克公司)。

实验中使用的原料主要有1，8-萘酐、N，N-二甲基乙醇胺、三乙烯四胺等，均为分析纯。

2.2 探针化合物的合成

探针化合物的合成路线如图1所示。

图1 荧光探针的合成路线Fig.1 Synthesis route of the fluorescent probe

4-溴-1，8-萘酐按文献[10]合成。在装有搅拌和回流冷凝管的三颈瓶中，加入2.7 g(约9.6 mmol)4-溴-1，8-萘酐和一定量的无水乙醇，N2保护，搅拌滴加0.8 g(4.8 mmol)三乙烯四胺，回流反应5 h，有淡黄色沉淀生成。离心，无水乙醇洗涤沉淀，用硅胶色谱柱分离，洗脱剂为V(二氯甲烷)∶V(甲醇)＝1∶30的混合溶液，干燥得到淡黄色固体中间产物(Ⅰ)[11]。

IR(KBr，cm－1):3 465，3 076，2 913，2 851，1 699，1 578，1 438，1 343，1 243，779。1H NMR (400 MHz，CDCl3)δ:8.54(d，2H，ArH)，8.36 (d，2H，ArH)，8.17(t，2H，ArH)，7.73 (m，4H，HAr)，7.29(s，2H，NH)，4.32(t，4H，—CH2)，3.03(t，4H，—CH2)，2.87(s，4H，—CH2)。

在装有搅拌和回流冷凝管的三颈瓶中，加入产物(Ⅰ)0.64 g(2 mmol)和少量水搅拌溶解后，加入0.5 g NaOH及20 mL N，N-二甲基乙醇胺，在120℃下反应6 h，冷却后用无水乙醇重结晶得黄色荧光探针(Ⅱ)。

IR(KBr，cm－1):3 425，3 039，2 932，2 874，1 713，1 558，1 438，1 380，1 337，1 243，1 236，771。1H NMR(400 MHz，CDCl3)δ:8.63(m，4H，HAr)，8.30(d，J＝6.9 Hz，2H，HAr)，7.95(d，J＝8.5 Hz，2H，HAr)，6.69(m，2H，HAr)，6.81(s，2H，NH)，4.49～4.27(m，8H，—CH2—)，3.18～2.76(m，12H，—CH2—)，2.12(s，12H，—CH3)。

3 结果与讨论

3.1 荧光探针的光学性能分析

用水∶乙醇(2∶1，体积比)配置5×10－5g/ mL探针溶液，测定其紫外和荧光光谱如图2所示。荧光探针的激发与发射呈较好的镜像对称关系，说明探针化合物振动能级的间隔相同，且从基态到激发态构型变化不大。荧光探针在不同溶剂中的光化学性质测试结果见表1。

荧光量子产率(ΦF)用来表征荧光物质荧光发射能力[12]，其数值是通过比较硫酸奎宁(Φ0＝0.55)的荧光光谱得到。Stokes shift(Δν)用来描述荧光物质在S0→S∗1过程中，发生空间位置变化的大小即能量损失情况[13]。由表1可知:探针化合物在不同的溶剂中的吸收波长为344～345 nm。随着溶剂极性的增加，发射波长发生红移，Stokes shift增大。ΦF在水/醇混合溶液中最大，达到0.512。

图2 荧光探针的荧光激发及发射光谱Fig.2 Excitation and emission spectra of the fluorescent probe in aqueous/ethanol(V(water)∶V(ethanol)＝2∶1)solution

表1 荧光探针在不同溶剂中的光化学性质Tab.1 Photochemical data of the fluorescent probe in different solvent

3.2 探针化合物对金属离子的选择性识别

探针对金属离子的识别性能通过在5×10－5g/mL(V(水)∶V(乙醇)＝2∶1)探针溶液中，分别加入等体积、浓度均为0.010 mol/L的金属离子(Fe3＋，Co2＋，Cd2＋，Hg2＋，Cu2＋，Cr3＋，Mg2＋，Pb2＋)溶液，测其荧光强度。

图3 探针化合物对金属离子的选择性Fig.3 Fluorescence response of probe compound to different metal ions

由图3可知，加入Co2＋、Cd2＋、Hg2＋、Cu2＋、Cr3＋、Mg2＋、Pb2＋后，这几种阳离子对探针化合物的荧光光谱都没有显著影响；但加入Fe3＋后，探针的荧光强度明显增大。Fe3＋引起探针体系荧光强度的增大是其他金属离子的3倍以上。可见，探针化合物能够实现对Fe3＋的专一选择性识别。

3.3 Fe3＋浓度对探针荧光强度的影响

考察Fe3＋浓度从0～16.8×10－6g/mL对探针荧光强度的影响，结果如图4(a)所示。由图4 (a)看出:随着Fe3＋浓度的增加，体系的荧光强度逐渐增大，说明探针与金属离子形成的配合物在测试条件下能保持一定的稳定性[7]。在Fe3＋浓度为(1.87～6.53)×10－6g/mL范围内，探针荧光强度的增加与Fe3＋浓度呈现出良好的线性关系，如图4(b)所示。通过拟合，得到线性回归方程:I＝108723230c－93.0328，相关系数R＝0.995 3。用3倍于10次测定空白溶液的标准偏差来计算，检出限达到405.1 ng/mL(检测限L＝3sb/S，sb是空白测定的标准偏差(n＝10)，S是工作曲线的灵敏度)。

3.4 Fe3＋和共存离子竞争实验

在浓度为5×10－5g/mL(V(水)∶V(乙醇)＝2∶1)探针溶液中，分别加入一定量的0.01 mol/L的Co2＋、Cd2＋、Hg2＋、Cu2＋、Cr3＋、Mg2＋、Pb2＋溶液，测定其荧光强度；再加入等当量数的Fe3＋，测定荧光强度。Fe3＋和其他金属离子共存时与探针的竞争结果见图5。可以看出，其他共存金属离子并没有对探针的荧光发射产生明显影响。选择性和竞争性实验结果表明，合成的探针化合物对Fe3＋有专属的选择性，不受共存其他离子的干扰。

图4 (a)Fe3＋浓度对探针荧光强度的影响；(b)探针荧光强度随Fe3＋浓度(1.87～6.53 μg/mL)变化的关系。Fig.4 (a)Effect of Fe3＋concentration on the fluorescence intensity of the probe；(b)Fluorescence intensity of the probe as a function of concentration of Fe3＋(1.87～6.53 μg/mL).

图5 Fe3＋与其他金属离子共存时对探针荧光强度的影响Fig.5 Effects on the fluorescence intensity of the probes coexistence with Fe3＋and other metal ions

3.5 探针分子与Fe3＋的结合模式

根据等物质的量连续变化法测定探针与Fe3＋的络合比[14]。保持探针和Fe3＋体系的总浓度为5×10－5g·mL－1，从0.1～1.0连续改变Fe3＋的摩尔分数。由图6明显看出，改变Fe3＋的摩尔分数，探针在最大发射波长处的荧光强度随之变化。当Fe3＋的摩尔分数为0.5时，荧光探针和Fe3＋络合物在392 nm处出现最大的荧光发射，表明探针化合物与Fe3＋为1∶1计量比进行结合。图中I0为空白探针的荧光强度，I为不同Fe3＋摩尔分数下探针的荧光强度。

图6 探针分子与Fe3＋的结合模式Fig.6 Probe molecule and Fe3＋binding mode

3.6 探针对Fe3＋识别的机理

根据配位基团的分子结构特点，可推测其与Fe3＋形成了稳定的二配位五元环化合物，实现对金属离子的选择性结合。探针对Fe3＋识别机理推测如图7所示。

图7 探针分子与Fe3＋的作用机理Fig.7 Proposed mechanism between probe molecule and Fe3＋

基于光致电子转移(PET)原理[15]，在未结合Fe3＋前，在光激发下，具有电子给予能力的键合基团(三乙烯四胺)能够将其处于最高能级的电子转入激发态下荧光基团空出的电子轨道，使被光激发的电子无法直接跃迁回到原基态轨道而难以产生荧光，导致探针分子表现出较低的荧光强度，该过程对应于PET现象。当键合基团与Fe3＋结合后，由于Fe3＋较易极化，极化后的离子半径比较合适与三乙烯四胺中的N原子配位，形成相对稳定的络合物，使三乙烯四胺供电子能力大大下降，抑制了PET过程，荧光基团中被光激发的电子可以直接跃迁回到原基态轨道，从而荧光被大大增强。

4 结 论

通过亚酰胺化、缩合等反应，合成了一种增强型萘酰亚胺荧光探针。在V(水)∶V(乙醇)＝2∶1的混合溶液中，常见的共存金属离子对Fe3＋荧光测试没有干扰，探针可以对Fe3＋实现专属选择性识别，其分子与Fe3＋以1∶1方式结合。在(1.87～6.53)×10－6g/mL的Fe3＋浓度范围内，探针荧光强度与Fe3＋浓度有很好的线性关系，相关系数R＝0.995 3，检出限为405.1 ng/mL。实验结果表明，本文合成的萘酰亚胺荧光增强型Fe3＋探针是一种高灵敏性和高选择性的Fe3＋荧光探针。

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刘静(1962－)，女，陕西西安人，博士，教授，2011年于陕西科技大学获得博士学位，主要从事功能高分子材料的合成与光分析的研究。

E-mail:liujing163＠163.com

中国物理学会发光分会第13届会员代表大会会议纪要

中国物理学会发光分会第13届会员代表大会于2016年11月16日在上海召开。参加本次代表大会的会员代表共500余人。会议由发光分会上届委员会主任王永生教授代表第12届委员会(2013—2016)作了工作报告。秘书长赵东旭研究员就发光分会第13届委员会30名委员候选人的酝酿、产生和确定过程作了介绍。参加第13届发光分会会员代表大会的代表，以无记名投票方式选举产生了第13届委员会的委员，共30人(名单附后)。与会代表们对成功承办第14届全国发光学学术会议上海大学表示衷心的感谢。

在过去三年里，中国物理学会发光分会坚持跟踪发光学学术发展前沿，及发光学应用的产业化进程，为促进我国发光学基础研究的发展和技术创新的进步，积极开展了广泛的学术和技术交流活动。发光分会先后主办了发光学战略研讨会和7次系列性全国学术会议:第14届全国发光学学术会议，第9届全国有机分子和聚合物发光与光电性质学术会议，第7届全国氧化锌学术会议，第5届、第6届全国掺杂纳米材料发光性质学术会议，第1届、第2届微纳体系发光及光电性质学术会议。

这些学术会议体现出如下特点:1.参会人数屡创新高，如第9届全国有机分子和聚合物发光与光电性质学术会议参会人数达到1 200人；2.来自美国、中国台湾、中国香港等地的代表积极参加发光分会主办的系列学术会议，这些会议已经成为国际学术同行交流的平台。

发光分会的另一项重要工作是指导办好发光分会的学术会刊《发光学报》。在第12届委员会工作的3年中，在依托单位中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的大力支持下，《发光学报》加强了宣传和管理，积极扩大稿源，学术水平和影响力不断提高，已成为深受我国发光学领域研究人员喜爱和重视的学术期刊。

赵东旭

附:中国物理学会发光分会第13届委员会委员名单(以汉语拼音为序)

江风益 康俊勇 李京波 刘 雷 刘佩华 刘益春 吕有明 彭俊彪

申德振 宋宏伟 孙甲明 汤子康 滕 枫 王笑军 王永生 王育华

魏志鹏 肖志国 徐春祥 许 武 许秀来 尹 民 于 贵 张国义

张洪杰 张建华 张喜田 赵东旭 庄卫东 周 济

Synthesis and Recognition Performance of Naphthalene Imide-iron Ion Fluorescent Probe

LIU Jing∗，LI Dong-wei，WU Xiao-qiang，JIANG Fei
(Xianyang Normal University，College of Chemistry and Chemical Engineering，Xianyang 712000，China)∗Corresponding Author，E-mail:liujing163＠163.com

A naphthalimide fluorescent probe was synthesized using 1，8-naphthalene anhydride，N，N-dimethylethanolamine and triethylene tetramine as raw materials and characterized by1H NMR and IR spectra.The fluorescence spectra of the fluorescent probe in ethanol/water mixed solution were measured.The influence of metal ion concentration on the fluorescence intensity was investigated，and the proposed mechanism between the probe molecule and Fe3＋was studied.The results demonstrate that the target product shows the exclusive recognition performance to Fe3＋in ethanol/ water mixed solution.When the concentration of Fe3＋is in the range of(1.87～6.53)×10－6g/ mL，the fluorescence intensity of the probe has good linearly relationship with the concentration of Fe3＋.The linear correlation coefficient R is 0.995 3，and the detection limit is 405.1 ng/mL.

naphthalimide；exclusive recognition；flourescence spectrum；fluorescent probe

O657.32

A

10.3788/fgxb20173802.0226

1000-7032(2017)02-0226-06

2016-08-28；

2016-10-21

国家自然科学基金(21475113)；陕西省大学生创新创业训练计划(2102)；咸阳市科研攻关项目(2016K2-15)资助Supported by National Natural Science Foundation of China(21475113)；Innovation and Entrepreneurship Training Program for College Students of Shaanxi Province(2102)；Xianyang Science and Technology Program(2016K2-15)