一种具有AIE性能荧光探针的合成及对Zn2+的识别

边延江，王 鑫，李方霁，钟克利，侯淑华，汤立军

（渤海大学 化学与材料工程学院，辽宁 锦州 121013）

0 引言

锌是人体中必不可少的一种微量元素，同时也是人体内的基本元素，更是环境和生物系统中重要的金属离子之一，具有广泛的应用前景［1−3］.在人体中，参与基因表达、信号传导，具有特殊的重要性，比如：参与免疫功能、哺乳动物繁殖、脑功能、神经元信号传递等多种生物学过程［4−5］.除此之外，Zn2+能够参与人体多种活动，同时也在许多生物学过程中起着不可替代的作用［6−9］.众所周知，细胞凋亡会诱导细胞内金属蛋白释放Zn2+［10−13］.由于其生物学重要性，Zn2+也一直是开发新型金属阳离子荧光探针的目标，荧光化学传感器对分析对象具有高选择性、高灵敏度且具有良好的稳定性和可逆性的荧光指示剂［14−19］.

我们报告了一种简单、快速合成具有显著聚集诱导（AIE）特性的荧光化学传感器.利用2，6-二甲酰基对甲苯酚和2-肼基苯并噻唑合成荧光探针T，即使体系有微小的变化也可以使探针发出强烈荧光，对Zn2+快速地开启荧光增强识别能力，且不受其它阳离子的干扰.在DMSO∶HEPS=6∶4的体系中加入Zn2+时，会出现显著的荧光增强现象，所以我们可以用这个探针对Zn2+进行有效快速地识别.

1 实验

1.1 实验仪器和试剂

1.1.1 实验仪器

Agilent 400核磁共振仪；Sanco 970-CRT（中国，上海）荧光光谱仪；Model PHS-25B（中国，上海）pH计；旋转蒸发仪（上海亚荣）；超声波清洗器（江苏昆山超声波仪器厂）.

1.1.2 实验试剂

对甲苯酚（安耐吉），六次甲基四胺（安耐吉），三氟乙酸（安耐吉），2-肼基苯并噻唑（安耐吉）浓盐酸，三（羟甲基）氨基甲烷和各种阳离子均来自于市场销售的分析纯.

1.2 探针T的合成方法

用天平称量20 mmol对甲苯酚和60 mmol六次甲基四胺倒入100 mL的圆底烧瓶中，加入40 mL的三氟乙酸，回流18 h后，将热溶液倒入4 mol/L HCl中，搅拌2 h有大量沉淀生成，过滤，甲醇∶水（2∶1）的冰混合溶液洗涤三次，得到中间产物2，6-二甲酰基对甲苯酚.在圆底烧瓶（100 mL）中依次加入30 mL的无水乙醇，2 mmol 2-肼基苯并噻唑、1 mmol 2，6-二甲酰基对甲苯酚以及两滴冰醋酸，再向其中加入搅拌子使其缓慢旋转，加热回流6 h后会生成淡黄色的沉淀，过滤，重结晶得到纯净物，产率81%.1H NMR（400 MHz，DMSO-d6）δ 11.84（s，1H），9.74（s，1H），9.14（d，J=9.4 Hz，1H），8.92（s，1H），8.71（d，J=8.2 Hz，1H），8.44 − 8.21（m，8H），8.15（t，J=7.6 Hz，1H），7.41（d，J=8.8 Hz，1H），6.38（dd，J=8.8，2.4 Hz，1H），6.19（d，J=2.4 Hz，1H），3.48 − 3.40（m，4H），1.15（t，J=7.0 Hz，6H）.13C−NMR（101 MHz，DMSO）：δ166.58，153.78，133.41，128.43，126.28，121.92，121.66，120.16，20.12.

2 光谱性能测试

2.1 探究探针T的光学性能及其选择性

我们利用DMSO和水的溶液混合，对探针T进行了聚集荧光能力测试.将水含量从0到100%逐渐递增，观察探针T的荧光强度变化.实验结果如图2（a）显示：探针T的荧光强度会在水含量增加时而逐渐呈现增强趋势，在水含量达到30%的时候，荧光强度出现最大值，接着水含量增多，而探针T的荧光强度却开始减弱，此现象为聚集荧光增强，表明探针T具有AIE性质.为了测试探针T的识别能力，向DMSO∶HEPS=6∶4 的体系中，加入探针T后，再依次加入各种金属阳离子（Ba2+，Mn2+，K+，Ag+，Cr3+，Mg2+，Fe3+，Na+，Zn2+，Al3+，Hg2+，Pb2+，Co2+，Fe2+，Cd2+，Ca2+，和Cu2+）.探针T对各金属阳离子的荧光识别效果如图2（b）所.受体的浓度为10 μM/L，在发射波长为545 nm处，发现当加入Zn2+时，探针T的荧光强度明显升高，但其他金属阳离子的加入并没有明显的荧光强度变化.这表明探针T对Zn2+具有良好的识别能力.

2.2 探针T对Zn2+的荧光响应

为了进一步探究探针T的实际应用性能，我们对其进行滴定实验.在DMSO∶HEPS=6∶4的体系中，向探针T中加入不同倍数的Zn2+进行滴定测试.滴定的结果如图3（a）所示，探针T的荧光强度随着Zn2+浓度的逐渐增加而增强，在Zn2+的倍数为4倍时，荧光强度达到最强，并无变化，由此可以得出探针T对检测Zn2+的饱和浓度为4倍.根据滴定数据可以进一步计算，得出探针T对Zn2+的检测限，用Origin作图软件，将Log［Zn2+］设为横坐标，纵坐标为Y=（I−Imin）/（Imax−Imin），（其中Imax= 荧光最大值，Imin= 荧光最小值，I为变量）.利用公式：Y=A+BX，当Y=0时，即是检测限.Detection Limit=10−A/B，如图3（b）检测限为5.16×10−6M，表明探针T用于检测锌离子十分灵敏.

检验了其它金属阳离子对探针T选择性识别Zn2+是否有干扰，进行了Zn2+抗干扰性实验研究.在DMSO∶HEPS=6∶4的体系中，其他金属离子的存在下，加入相同倍数（4倍）的锌离子.测试结果如图4（a），我们可以直观地得出结论，Fe3+，Co2+，Fe2+，Cu2+这些顺磁性离子对识别Zn2+有一定的干扰，除此之外其他离子均无干扰.为了测试pH对探针T识别Zn2+是否有影响，我们在不同pH下进行测试，一组只加入探针T，另一组加入探针T和Zn2+，对比在不同pH下探针T对Zn2+的荧光响应强度变化.如图4（b）所示，探针T在pH=1～14范围荧光强度几乎为0，无明显变化，而加入Zn2+后荧光强度在pH=5～14明显增加，说明探针T在弱酸性和碱性条件下能够很好的识别锌离子，有良好的应用前景.

2.3 探针T与Zn2+的结合机制

同样根据滴定数据进行进一步计算，得到结合常数，X=Log［Zn2+］，Y=Log［（Y−Ymin）/（Ymax−Y）］，Origin作图，计算得出结合常数Ka=3.43×107M如图5（a）；为了进一步确定探针T与Zn2+的结合模式，进行了结合比测试如图5（b），荧光强度在摩尔比0.5处发生转折点，确定探针T与Zn2+的结合模式是1∶1相结合.根据结合比的测试，结合常数的计算，以及大量阅读以往的相似文献［20−22］，我们推测出探针T与Zn2+的结合模式为在酚羟基上的H的引导下，席夫碱N和苯并噻唑N共同参与Zn2+配位，从而通过鳌合增强荧光机制，显著提高荧光，使荧光从弱荧光增强到显著的绿色荧光.见图6.

2.4 探针T对Zn2+的实际应用

天然水中锌离子以可溶的络合物状态存在，但水样中锌离子浓度过高，人体食用后，则会造成头晕头痛，高烧恶心等症状，严重时还易造成生命危险，因此检测现实生活水样中锌离子浓度是极其重要的.我们分别在湖水，河水，自来水中验证了探针T对Zn2+的实际检测能力，湖水取自学校的汀林湖水，河水为锦州周边河水，自来水为日常使用水，测试结果如图7所示，可以看出探针T在三种水样识别Zn2+均成一条良好的线性关系，能够良好的识别Zn2+，说明探针T能够用于检测实际水样中的Zn2+，有良好的应用前景.

3 结 论

本文用2，6-二甲酰基对甲苯酚和2-肼基苯并噻唑合成了一种高效有用的AIE荧光探针T.在DMSO∶HEPS=6∶4的体系中，该探针T能够高效地选择性识别锌离子.通过滴定实验的测试，可知当锌离子的浓度达到4倍时，达到饱和状态，同时根据滴定数据得出探针T对识别锌离子的检测限为5.16×10−6M，结合常数Ka为3.43×107M，说明了探针T对选择性识别锌离子的灵敏度十分高.探针T因为对分析对象具有高选择性、高灵敏度以及具有良好的稳定性和可逆性，对有效地识别锌离子提供了便捷的途径，让这种具有AIE荧光化学传感器识别锌离子的途径拥有广阔的发展前景.