一种基于双吡唑结构的Zn2+荧光探针研究

，

(1.许昌学院 化学化工学院，河南 许昌 461000;2.鄢陵县工商管理和质量技术监督局，河南 鄢陵 461200)

锌是人体内一种重要的微量元素.神经传递[1]、酶催化[2]、脑功能[3]和基因表达[4]，以及阿尔茨海默病、癫痫等疾病均与Zn2+有密切联系[5，6].水体中Zn2+含量过高也会产生环境问题[7].荧光探针具有操作简便、分析速度快、高灵敏度和高选择性等优点[8].然而，由于Cd2+、Al3+与Zn2+具有相似的配位形式和能力，会对Zn2+的检测产生干扰.因此发展高选择性、高灵敏度的Zn2+检测方法成为研究热点.具有双吡唑结构的L作为一种三齿氮配体，由于其特殊的配位形式和电子结构被成功应用于合成荧光材料[9]和制备催化剂[10,11].因此我们把L作为荧光探针分子来进行Zn2+的检测.

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

SCINCO S-4100 UV型紫外-可见光谱仪，Scinco公司；Jobin Yvon FluoroLog-3-TCSPC型荧光光谱仪，Jobin Yvon公司；Waters Q-TOF型高分辨质谱仪，Waters公司.

2,6-吡啶二甲酸、乙酰氯、无水乙醇、四氢呋喃、乙酸、苯肼、苯乙酮、硝酸锌、硝酸铜、硝酸镉、硝酸镍、硝酸铬、硝酸铁、硝酸镁、硝酸钡、硝酸钾、硝酸钠、硝酸铅、硝酸钴、硝酸锰、硝酸铝、乙腈均为直接购买的分析纯试剂，去离子纯净水.

1.2 实验方法

1.2.1 紫外-可见光谱和荧光光谱的测定

将探针L 用乙腈配制成1×10-3mol/L的溶液，金属硝酸盐用纯净水配成1×10-3mol/L的溶液.移取探针L的溶液60 μL 置于比色皿中，然后分别加入一定量的不同金属离子溶液，用乙腈稀释至3 mL.混匀放置10 min后测定其紫外-可见光谱和荧光光谱.

荧光光谱的测试条件：室温为25 ℃，样品池为1 cm×1 cm×4 cm石英比色皿，激发狭缝宽度为2 nm，发射狭缝宽度为2 nm.激发波长λex为330 nm，波长范围为350～650 nm.

1.2.2 计算检测限

检测限是根据荧光滴定实验数据计算出来的，计算公式为检测限=3σ/k，其中，σ是测量20次探针L荧光强度的标准偏差；k是探针L与Zn2+荧光滴定曲线的斜率.

2 结果与讨论

2.1 探针分子L的合成

按照文献方法合成探针分子L[9]，合成路线如图1所示.

2.2 离子选择性

我们对探针L的离子选择性进行测试.在探讨浓度为10 μmol/L,金属离子浓度为100 μmol/L，λex=330 nm条件下的荧光光谱如图2，探针分子L溶液中加入各种金属离子后，可以分为三种情况:(1)加入三价金属离子Al3+、Cr3+和Fe3+时，在460 nm处荧光明显增强；(2)加入Zn2+和Cd2+时，分别在375 nm和365 nm处荧光明显增强；(3)加入其它金属离子Na+、K+、Mg2+、Ba2+、Cu2+、Ni2+、Pb2+、Co2+和Mn2+时，荧光强度几乎没有变化.而Al3+、Cr3+和Fe3+的荧光发射峰在460 nm时,与Zn2+的375 nm、Cd2+的365 nm相距较远，不会干扰Zn2+和Cd2+.众所周知，Cd2+和Zn2+处于同一副族，具有相似的电子结构，Cd2+会对Zn2+的检测产生较大干扰.在探针L溶液中加入Zn2+后，在375 nm处荧光强度增加了57倍，而加入Cd2+后荧光强度增强了16倍，Zn2+明显高于Cd2+.由此可知，借助于荧光分光光度仪探针L可以高选择性检测Zn2+.

图1 探针分子L的合成

2.3 离子干扰

我们对其他金属离子的干扰进行了测试.在探讨浓度为20 μmol/L和Zn2+浓度为10 μmol/L的混合液中，加入浓度为100 μmol/L的Al3+、Cr3+、Mg3+、Ba2+、K+、Ni2+、Pb2+和浓度为50 μmol/L的Co2+、Cn2+、Cd2+、Fe3+、N2+、Mn2+，结果如图3所示.除Cu2+、Co2+和Cd2+对Zn2+的检测有干扰外，其他金属离子均不干扰Zn2+的检测.其中，Co2+、 Cd2+对Zn2+的检测干扰较小，而Cu2+对Zn2+的检测干扰明显，这是由于Cu2+与探针L的结合能力更强且生成的配合物会导致荧光淬灭.

图2 探针L中加入各种金属离子的荧光光谱

图3 探针L和Zn2+的混合液中加入金属离子的荧光强度(观测波长为375 nm)

图4 探针L与Zn2+的荧光Job’s曲线

2.4 Jobs曲线与探针L和Zn2+的配位比

我们采用荧光Job’s曲线的方法，研究了探针L与Zn2+的配位比.保持L和Zn2+的总浓度20 μmol/L不变，改变Zn2+的百分含量来观测荧光强度的变化.在λex=330 nm,λex=375 nm下的测试结果如图4.当Zn2+的含量达到0.33时，荧光强度达到最大值，由此可以确定探针L与Zn2+的配位比为21.

为了进一步确定探针L与Zn2+的配位比，我们研究了探针L与Zn2+结合溶液的高分辨质谱.从图5可以看出，质量数547.175 0与[2L+Zn]2+吻合，印证了荧光Job’s曲线所确定的探针L与Zn2+的配位比为21.

2.5 荧光滴定曲线与线性拟合

接下来，我们来进行Zn2+的荧光滴定实验.在探针L浓度为10 μmol/L，λex=330 nm,由图6可以看出，随着Zn2+的不断加入，体系在375 nm处的荧光强度不断增强.这是因为加入Zn2+后，探针L与Zn2+生成了稳定的配合物，生成配合物后探针L的分子刚性增强，吡啶基团和吡唑基团由于Zn2+的配位而共平面，从而产生荧光.当Zn2+的加入量超过0.5倍后荧光增强趋于平缓，这是由于探针L与Zn2+以21的比例配位全部生成稳定的配合物.对0～0.5倍量进行线性拟合,图7中探针浓度为10 μmol/L，λex=330 nm，R2=0.996 77，具有很好的线性关系，表明探针L可以在0～0.5倍量范围内可以定量检测Zn2+的含量.通过计算得到检测限(LOD)为2.59×10-8mol/L，表明探针L对Zn2+的检测具有很高的灵敏度.

图5 探针L和Zn2+生成配合物的高分辨质谱

图6 探针L加入0-2.0倍量Zn2+的荧光滴定曲线

图7 探针L的荧光强度(375 nm)与加入Zn2+量的线性拟合

图8 探针L中加入0-2.0 倍量Zn2+的吸收光谱变化

2.6 紫外滴定曲线

我们使用紫外-可见分光光度计进行了Zn2+的滴定实验.从图8(探针浓度为10 μmol·L-1)可以看出，探针L的吸收光谱对Zn2+的加入产生了比率型变化. 随着Zn2+的加入，吸光度在300 nm处不断下降，在330 nm处则不断上升.说明探针L与Zn2+生成了稳定的配合物，生成配合物会导致探针分子的刚性增强，吸收峰会发生红移.因此，在紫外光区探针L可以对Zn2+进行比率型检测.

3 结论

双吡唑衍生物L首次作为荧光探针用于检测Zn2+.实验结果表明，探针L检测Zn2+具有灵敏度高、选择性高等特点；通过Jobs曲线和高分辨质谱研究后发现，探针L与Zn2+的配位比为21；在探针L的乙腈溶液中，加入0.5倍Zn2+后荧光强度增加了57倍；荧光滴定实验显示在0～0.5倍范围内，而且探针L能够线性检测Zn2+，检测限低至2.59×10-8mol/L.紫外滴定实验也显示探针L可以比率型检测Zn2+.