基于席夫碱的检测Cd2+的荧光探针的合成及性能

李志健， 李俊炜， 张 微， 姜慧娥， 孟卿君， 杨丽红

(陕西科技大学 轻工科学与工程学院， 陕西 西安 710021)

0 引言

近几年，镉被广泛地运用于化工、电镀、电子和核工业等各个技术领域[1-3].随着工业和科技的发展，镉在人类周围环境中不断富集，能够通过大气、水、食品等进入人体，并在有机体内和生物体的器官(肾、甲状腺、脾等)中累积，造成慢性中毒[4,5].长期接触镉，可增加多种疾病发病率，例如肾功能紊乱、肺活量减少和肺气肿等，危害人体健康[6,7].因此，如何能够快速简洁的检测各种环境样品、工业废水以及生物组织中Cd2+的含量引起了人们的广泛关注.

传统的检测金属离子的方法有很多，如紫外-可见分光光度法(UV-vis)、原子吸收法(AAS)、高效液相色谱法(HPLC)、发射光谱法(AES)、电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)、化学发光法、电化学法等[8-10].对比这些方法，荧光分析法具有检测方便，快捷，成本低廉等优点.利用荧光分析法发展的荧光探针具有选择性高，灵敏度高，制作成本低，响应时间短，不易破坏样品以及可以实现在线检测等特点，具有广泛的应用前景[11-13].

席夫碱化合物中含有由胺和活性羰基缩合而成的亚胺基团(-RC=N-)，亚胺基团中的 N 原子有未成键的孤对电子，容易和金属离子结合生成配合物[14].席夫碱化合物合成的荧光探针具有好的发光性质，可通过调节亚胺基团(-RC=N-)的C=N 异构化，调节其荧光发射光谱[15].本文以2,4-二羟基苯甲醛与2-氨基吡啶为原料，合成一个基于席夫碱的检测Cd2+的探针L，该探针对Cd2+有良好的选择性.Cd2+与L可形成配合物，抑制了C=N 异构化和N原子的PET效应，使荧光增强.本文旨在合成具有高灵敏度，高选择性识别的金属离子荧光探针，实现对Cd2+方便快捷的检测.

1 实验部分

1.1 实验仪器及试剂

(1)实验仪器：Lambda 25型紫外分光光度计，美国Perkinelmer公司；FS5型荧光光谱仪，英国爱丁堡；ADVANCEⅢ 400 MHz型核磁共振仪，德国布鲁克公司；RE-52 AA旋转蒸发器，上海亚荣生化仪器厂；ICP电感耦合等离子发射光谱，美国THEM；AR 1230型电子分析天平；紫外光灯.

(2)实验试剂：2,4-二羟基苯甲醛，2-氨基吡啶，乙腈(GR)，纯净水，自来水，河水，无水乙醇(AR)； NaCl、Mg(ClO4)2、Al(ClO4)3、KCl、Cr(NO3)3、Mn(ClO4)2、Cu(ClO4)2、Zn(ClO4)2、AgNO3、HgCl2、Pb(ClO4)2等，金属盐的浓度均为10 mM.

1.2 荧光探针L的合成

探针L的合成路线如图1所示.

图1 探针L的合成路线

向100 mL 圆底烧瓶中加入2,4-二羟基苯甲醛(1 g，7.2 mmol)，2-氨基吡啶(0.79 mL，7.2 mmol)，并加入乙醇溶解，在80 ℃油浴中，磁力搅拌器搅拌回流6 h，待反应完全后，用旋转蒸发仪旋转蒸发，待溶液挥发完后放入真空干燥箱中干燥12 h.得到探针L(黄色粉末)，0.96 g，产率：54%.1H NMR(d6-DMSO，400 MHz)，δ8.53 (d，J=3.5 Hz，2H)，7.79 (td，J=7.7，1.8 Hz，1H)，7.39-7.19(m，3H)，6.29(dd，J=8.4，2.3 Hz，1H)，6.17(d，J= 2.3 Hz，1H)，4.80(s，2H).探针L的氢谱图如图2所示.

图2 探针L的氢谱图

2 结果与讨论

2.1 探针L的激发光谱和发射光谱

(a) 探针L的激发光谱

(b)探针L的发射光谱图3 探针L的激发和发射光谱

图4 探针L添加Cd2+后的荧光光谱

2.2 探针L的选择性实验

2.2.1 紫外灯照射下荧光分析

如图5所示，在CH3CN-H2O (7∶3，v/v)溶液中，向0.1 mM 探针L中分别加入0.1 mM金属离子(从左至右依次为L、Cd2+、Na+、Mg2+、Al3+、K+、Cr3+、Mn2+、Cu2+、Zn2+、Ag+、Hg2+、Pb2+).当加入Cd2+时，在365 nm的紫外灯照射下展现出明显的荧光增强，发射出较强蓝色荧光，而加入其他金属离子，荧光强度基本没有明显变化.以上实验的结果表明，探针L对Cd2+有良好的选择性识别.

图5 在365 nm紫外灯照射下，探针L在不同金属离子存在时的荧光照片

2.2.2 紫外-可见光谱分析

为了进一步深入研究探针L对众多金属离子的选择性，研究了探针L的紫外-可见吸收性质.如图6所示，在CH3CN-H2O (7∶3,v/v)的溶液中，探针 L(0.1 mM)在302 nm和385 nm处有两个较强的吸收峰，加入Cd2+(0.1 mM)后，385 nm 处的吸收峰降低，340 nm处出现一个新的强吸收峰.而加入其它金属离子，如 Na+、Mg2+、K+、Ca2+、Mn2+、Zn2+、Ag+、Hg2+、Pb2+、Ba2+(0.1 mM)吸收光谱基本没有变化.由紫外-可见吸收光谱的变化可证明，探针L对Cd2+有选择性识别.

图6 探针L在不同金属离子存在时的紫外-可见吸收光谱

2.3 探针L对Cd2+的滴定实验

为了更好地了解探针L的性质，对探针L加入不同浓度的Cd2+后紫外-可见吸收光谱的变化进行了研究.如图7所示，当向含有0.1 mM的探针L的CH3CN-H2O (7∶3,v/v)的溶液中逐渐滴加Cd2+(0～0.2 mM)，体系原本处于385 nm处的吸收峰逐渐降低，而在340 nm处出现一个新的吸收峰，逐渐增强.同时，在362 nm处出现了一个等吸收点，由此证明探针L和Cd2+形成了新的配合物(L-Cd)[16-18].如图7中插图所示，385 nm处的吸光度与362 nm 处的吸光度的比值(Abs385nm/Abs362nm)随着Cd2+(0～0.2 mM)浓度的不断增大而不断减小，在Cd2+浓度达0.1 mM时，吸光度的大小不再变化，达到饱和.

图7 探针L在不同浓度的Cd2+存在时的紫外吸收光谱的变化(插图为 Abs385 nm/Abs362 nm的比值随Cd2+ 浓度变化的曲线图)

2.4 探针L定量检测Cd2+

鉴于Cd2+对环境和人们的生活造成的不良影响，所以检测水中的 Cd2+的浓度具有非常重要的意义.由图8可知，在CH3CN-H2O (7∶3,v/v) 的溶液中，加入0～13μM不同浓度的 Cd2+，385 nm处的吸光度与362 nm 处的吸光度的比值不断减小，并与 Cd2+含量呈现出较好的线性关系(R= 0.989 2)，因此可用探针L定量检测Cd2+.

图8 Abs385 nm/Abs362 nm的比值和Cd2+的含量(0～13 μM)的线性关系

2.5 探针L对Cd2+响应的机理研究

为了证明Cd2+和L的结合方式，用Job曲线对L-Cd的配合物进行了研究[19-21].保持L和Cd2+的总浓度和为1.0×10-4M不变，连续改变L和Cd2+的百分含量比进行测定.由图9可知，L和Cd2+的配位比为1∶1.据此可以推测，荧光增强的原因是Cd2+与2-氨基吡啶上的N、2,4-二羟基苯甲醛中的O配位，形成配合物，抑制了没有桥连的C=N双键异构化.同时，Cd2+与L的配位降低了2-氨基吡啶中氨基N的给电子能力，PET效应被阻止，增大了荧光团的共轭程度，使荧光发射增强[22，23]，如图10所示.

图9 探针L和 Cd2+在CH3CN-H2O (7∶3,v/v)的溶液中的Job′s plot工作曲线

图10 探针L对Cd2+的响应机理

2.6 探针L在不同测试体系中的检测

从上述选择性实验和滴定实验，可以得到探针L在纯净水体系中对Cd2+有良好的选择性响应.为了进一步探究L的测试体系，分别在自来水和河水中研究了探针L对Cd2+的响应，并在365 nm紫外灯下观察荧光变化.利用ICP对纯净水，采集的自来水和河水分别进行了两次实验，每次进行三组平行实验，由实验数据可得，纯净水、自来水和河水中平均Cd2+含量依次为1.78 nM，8.59 nM，2.37 nM.测定结果如表1所示.其中自来水采集自陕西科技大学实验室自来水，河水采集自灞河，采集的水样沉淀一天后进行实验.

表1 不同水样中Cd2+含量

分别在CH3CN-H2O (7∶3,v/v，其中水分别取自纯净水、自来水和河水)溶液中加入探针L(0.1 mM)，并在对照实验中分别加入Cd2+(0.1 mM)，在365 nm的紫外灯下观察，可以看到，加Cd2+后，产生明显的蓝色荧光,如图11所示.实验结果表明探针L可用于此实验中所取水样作为测试体系检测Cd2+.

图11 探针L在CH3CN-H2O(7∶3,v/v溶液中，其中水分别是纯净水、自来水和河水)对Cd2+的响应

3 结论

本文成功地合成了一个基于席夫碱的检测Cd2+的荧光探针，对荧光性质和紫外-可见吸收性质进行了研究.探针L对Cd2+具有荧光增强型选择性识别，在365 nm的紫外灯照射下产生较强蓝色荧光.L可与Cd2+形成 1∶1 的稳定配合物，机理研究表明Cd2+与L的配位，抑制了C=N异构化和N原子的PET效应，增大了整个分子的共轭程度，使荧光增强.L能对纯净水中低含量的Cd2+(0～13μM)定量检测.更重要的是，该探针可用于在自来水和河水中检测Cd2+，具有一定的潜在应用价值.