新型荧光传感器的合成及其对Al3+的特异性识别

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(海南大学 材料与化工学院， 海南 海口 570228)

许多可行的检测金属离子的方法已经陆续发展起来，例如原子吸收光谱法、电感耦合等离子体质谱法、毛细管电泳法等，它们经常被用于金属离子高灵敏度的分析[7]。与传统方法相比，荧光技术具有操作简单、成本低、响应瞬时、视觉直观的优点，光学传感器就是利用传感器与离子之间发生键合作用引起的荧光强度变化，来实现对离子的识别[8]。相关的研究[9-10]已经证明，荧光技术对于感测和检测非生物或生物系统中金属离子、阴离子和分子非常有用。荧光传感器分子主要由3个部分组成，即荧光基团(荧光响应)、识别基团(与被测物特异结合)和连接基团(连接荧光基团和识别基团)[11]。迄今为止，学者们已经研发出基于不同荧光团的化学传感器并用于检测Al3+，如8-羟基喹啉、蒽醌、香豆素、罗丹明等席夫碱分子，然而，它们大部分存在合成方法复杂、响应时间长、对许多其他金属离子交叉敏感的不足[12]。

本文中设计合成了一种简单的荧光传感器2-羟基-1-萘甲醛草酰二腙(BHNOD)作为配体，该传感器可以通过荧光“开关”响应来识别Al3+；为了检验传感器BHNOD对Al3+的特异性，探讨了其他金属离子对BHNOD荧光强度的干扰。

1 实验

1.1 试剂与仪器

主要试剂包括：2-羟基-1-萘甲醛、草酰二肼，分析纯，阿拉丁试剂有限公司；甲醇，分析纯，广州化学试剂厂；乙酸，分析纯，西陇化工股份有限公司；无水三氯化铁(FeCl3)、六水合硝酸钴(Co(NO3)2·6H2O)、六水合氯化镁(MgCl2·6H2O)、氯化钠(NaCl)、九水合硝酸铝(Al(NO3)3·9H2O)、硝酸钡(Ba(NO3)2)、氯化钾(KCl)、氯化锌(ZnCl2)、硝酸银(AgNO3)、二水合氯化铜(CuCl2·2H2O)、四水合硝酸钙(Ca(NO3)·4H2O)、硝酸锰(Mn(NO3)2)、浓盐酸(HCl)、氢氧化钠(NaOH)，分析纯，阿拉丁试剂有限公司；二甲基亚枫(DMSO)，分析纯，上海麦克林生化科技有限公司；三羟甲基氨基甲烷，优级纯，阿拉丁试剂有限公司。

主要仪器包括：UV-2550型紫外-可见分光光度计，北京普析通用仪器有限责任公司；DF-101S型集热式恒温加热磁力搅拌器，河南省巩义市予华仪器有限责任公司；Bruker Avance 400 MHz型核磁共振仪，德国Bruker公司；Cary Eclipse型荧光分光光度计，美国瓦里安公司；pH酸度计，上海仪电科学仪器股份有限公司。

1.2 实验步骤

1.2.1 传感器BHNOD的合成

将2-羟基-1-萘甲醛(2.5 mmol， 0.43 g)与草酰二肼(1 mmol， 0.118 g)溶解于10 mL甲醇中， 加入乙酸(0.1 mmol， 5.8 μL)催化， 再将混合液置于60 ℃的集热式恒温加热磁力搅拌器中搅拌30 min，得黄色粉末状固体。固体用热的甲醇洗涤3次，真空干燥，最终得到传感器BHNOD。合成路线见图1。

图1 传感器2-羟基-1-萘甲醛草酸二胺合成路线

1.2.2 传感器BHNOD储备溶液的制备

准确称取0.001 7 g的BHNOD移至250 mL容量瓶，再向容量瓶加入250 mL三羟甲基氨基甲烷-盐酸(Tris-HCl)缓冲液(10 mmol/L，pH=7.0)与DMSO的混合溶剂，两者的体积比为8∶2，最终得到浓度为10 μmol/L的传感器BHNOD溶液。

1.2.3 荧光滴定检测

将Al(NO3)3·9H2O(1 mmol)溶解在超纯水中(100 mL)，将2～50 μL的Al3+溶液(浓度为10 mmol/L)依次分别转移至上述配好的传感器BHNOD溶液中(浓度为10 μmol/L)， 混合数秒后， 分别对加入不同量Al3+的混合溶液进行荧光检测。 同样分别将1 mmol的FeCl3、 Co(NO3)2·6H2O、 MgCl2·6H2O、NaCl、Ba(NO3)2、 KCl、ZnCl2、AgNO3、CuCl2·2H2O、Ca(NO3)·4H2O、 Mn(NO3)2溶于100 mL Tris-HCl缓冲液与DMSO混合溶剂中，两者的体积比为8∶2,再分别移取40 μL上述配好的金属离子溶液至4 mL的BHNOD溶液(浓度为10 μmol/L)， 几秒钟后，室温下分别对其进行荧光强度检测。

1.2.4 核磁检测

分别将等质量的传感器BHNOD(15 mg)加入到2个盛有1.5 mL氚代二甲基亚砜(DMSO-d6)的核磁管中，然后再分别向2只核磁管加入0、 66 mg的Al(NO3)3·9H2O，振荡使其充分溶解，室温下对其进行核磁检测。

2 结果与讨论

2.1 Al3+的荧光检测

通过荧光滴定传感器BHNOD(浓度为6 μmol/L)来阐明BHNOD与Al3+的定量关系，结果如图2所示。随着Al3+浓度的不断增加，BHNOD在波长为486 nm处的荧光强度逐渐增强，且当加入的Al3+浓度小于60 μmol/L时，BHNOD荧光的增强与Al3+浓度呈现出良好的线性关系，所绘制工作曲线为Y=2.4+72.9X，见图3，线性相关系数为0.994 34。计算得出该方法检出限为1.6×10-7mol/L。

图2 2-羟基-1-萘甲醛草酰二腙随Al3+浓度增加荧光强度变化

图3 传感器2-羟基-1-萘甲醛草酰二腙(BHNOD)荧光强度与Al3+浓度的线性关系

2.2 金属离子的干扰

为了检测传感器BHNOD对Al3+的特异性，本文中对加入不同金属离子后的BHNOD溶液进行了荧光检测，结果如图4所示。与其他金属离子相比，传感器BHNOD在加入Al3+后，荧光强度在波长为486 nm处明显增强。将Zn2+、Na+、K+、Ag+、Co2+、Cu2+、Ca2+、Fe3+、Hg2+、Mg2+、Mn2+和Al3+分别依次加入到传感器BHNOD溶液中后，BHNOD的荧光光谱图谱无明显变化，表明这些阳离子和BHNOD之间相互作用非常弱。只有靶离子Al3+才能诱导显著的荧光变化，其他竞争离子的共存没有干扰目标离子的检测。这些结果表明，传感器BHNOD对金属离子Al3+具有优异的选择性。

注：BHNOD浓度为6 μmol/L，金属离子浓度为60 μmol/L，激发波长为365 nm。图4 2-羟基-1-萘甲醛草酰二腙(BHNOD)对不同金属离子荧光响应

2.3 pH对传感器BHNOD的影响

为了进一步证实BHNOD对Al3+检测的实用性，深入研究了对含与不含Al3+、不同pH下的BHNOD溶液荧光变化，结果如图5所示。加入Al3+的BHNOD(浓度为6 μmol/L)溶液在强酸或强碱的pH范围内，表现出弱的荧光发射。这可能是因为在强酸性条件下，传感器BHNOD会发生质子化，所以降低了其与Al3+的结合能力； 在碱性条件下，OH-会与Al3+轻微反应，同样抑制探针BHNOD与Al3+的结合[13]。

图5 2-羟基-1-萘甲醛草酰二腙(BHNOD)荧光强度受pH影响

2.4 时间及温度对传感器的影响

为了探究传感器BHNOD(浓度为6 μmol/L)与Al3+络合产物的稳定性，分别对不同反应时间和不同温度的络合物溶液进行荧光检测。将刚加入Al3+时的BHNOD溶液荧光强度记为F0，每隔12 h取一次样品检测，结果见图6。由图可知，在相同时间间隔内，荧光强度几乎没有变化。同时，实验探究了温度对络合物的影响，结果见图7。由图可见，随着温度的改变，络合物荧光强度几乎不变。以上分析表明，传感器BHNOD与Al3+络合后的产物稳定性好，温度与时间对络合物没有影响。

2.5 反应机理探讨

注：F0为络合物初始荧光强度，F为不同响应时间的络合物荧光强度。图6 不同时间间隔下络合物荧光光谱图

图7 不同温度的络合物荧光光谱图

图8 传感器2-羟基-1-萘甲醛草酰二腙与Al3+的拟合络合模式

(a)不存在铝离子

(b)存在铝离子图9 传感器2-羟基-1-萘甲醛草酰二腙(DMSO-d6)的部分核磁共振氢谱

3 结论

本文中设计并开发了一种新的小分子荧光传感器BHNOD。基于络合效应，加入Al3+后的BHNOD溶液在发射波长486 nm处有显著的荧光增强。在pH= 5.5～7.5环境中，BHNOD对Al3+显示出了一个高选择性和特异性敏感的比率荧光。同时，BHNOD与Al3+络合具有反应速率快、稳定性好且具有一定水溶性的优点，这些使新型荧光传感器BHNOD在环境和生命科学对Al3+的监测中具有潜在的应用价值和重要的理论意义。

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