一种蒽醌类荧光探针的合成及对氟离子的检测性能

2020-03-12王金金王芳菲徐恩杰杨清彪

合成化学 2020年2期

王金金, 王芳菲, 徐恩杰, 杨清彪, 宋岩

(1. 吉林化工学院材料科学与工程学院，吉林吉林 132022； 2. 吉林大学化学学院，吉林长春 130061)

阴离子的识别传感技术一直受到广泛关注[1]。氟是人体健康不可或缺的微量元素，摄入低剂量的氟化物有助于预防骨质疏松症和龋齿，但摄入过量会导致肾脏中毒和尿石症等疾病[2-4]。氟离子在自然界中普遍存在，部分地区的含量超标，地方性氟中毒时有发生，而且作为原子半径最小、电负性最大的阴离子[5]，其在化学制药、化肥和农药、金属冶炼、电子、电镀等行业起着不可或缺的作用，生产过程中的排放不可避免，一旦污染江河水体，经直接饮用或食物链富集后，进入人体将引发许多疾病[6-8]。开发性能优异、操作简单的氟离子检测技术有重要意义。

在氟离子检测技术中，传统的离子色谱、核磁共振和离子选择电极等方法[9-11]存在仪器昂贵，操作复杂，时间较长，难以现场检测等问题[12]。荧光检测法具有操作简单、成本低廉和灵敏度高等优点，引起了研究者的广泛关注[13]。以往，人们以半花菁衍生物[14]、奈酰亚胺类衍生物[15]、罗丹明类衍生物[16]和荧光素类衍生物[17]等为荧光团，合成了多种性能较好的氟离子荧光探针。

蒽醌衍生物主要包括1,4-二氨基-9,10-蒽醌、1-氨基-4-羟基-9,10-蒽醌和1,4-二羟基-9,10-蒽醌(1,4-DHAQ)，其中1,4-DHAQ含有两个羟基，能够形成较强的分子内氢键，使得分子的整体结构刚性更强，发光性能较好[18]，是构建荧光探针的理想发色团。2005年，Kim等以1,4-DHAQ为荧光团，合成了可检测碱性磷酸酶的醌茜酯二磷酸[19]；随后Qian等制备了1,4-DHAQ掺杂的纤维素纳米纤维，利用1,4-DHAQ与金属离子形成配合物后发生显著荧光信号变化的性质，获得了可检测Cu2+和Cr3+的传感材料[20]；Wang等利用1,4-DHAQ与Cu2+形成配合物后，还可与S2-作用脱除Cu2+的性质，获得了可交替检测Cu2+和S2-的荧光探针[21]，Sinha等利用类似性质，获得了可同时检测Zn2+和PO43-的荧光探针[22]。目前为止，虽然1,4-DHAQ类荧光探针的研究取得了一些进展，但仅限于少数几个金属离子及阴离子，还未发现以其为荧光团的氟离子探针报道。

本文以1,4-二羟基蒽醌为荧光团，叔丁基二甲基氯硅烷为识别基团，设计合成了一种新型氟离子荧光探针AQTB1(Scheme 1)，在MeOH/PBS=19/1(V/V)的缓冲体系中实现了氟离子的高效检测。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

X-5型显微熔点测定仪；HitachiF-4500型荧光光谱仪；Hitachi U-3010型紫外-可见吸收光谱仪；Bruker AV 400型核磁共振仪(DMS(ESI)O-d6为溶剂，TMS(ESI)为内标)；Bruker Vector-22型傅里叶变换红外光谱仪(KBr压片)；Bruker Agilent 1290-micro TOF QⅡ型质谱仪；PHS-3C型数显酸度计。

1,4-二羟基蒽醌(99%，上海睿腾化工有限公司)，柱层析提纯后使用；四丁基氟化铵(98%，阿拉丁试剂有限公司)；叔丁基-二甲基氯硅烷(98%，上海泰坦科技有限公司)；叔丁基二苯基氯硅烷(98%，上海泰坦科技有限公司)；三-异丙基氯硅烷(98%，上海泰坦科技有限公司)；其余所用试剂均为分析纯。实验用水为去离子水。

1.2 探针AQTB(AQTB1～3)的合成通法

在100 mL圆底烧瓶中加入1,4-二羟基蒽醌0.5 g(2.081 mmol)和DMF 50 mL，搅拌使其溶解，加入咪唑0.85 g(12.489 mmol)，滴加叔丁基-二甲基氯硅烷1.255 g(8.326 mmol)的DMF(20 mL)溶液，滴毕，搅拌下反应12 h(TLC检测)。加入大量水除去未反应的咪唑，用乙酸乙酯萃取3次，合并萃有机相，依次用饱和氯化钠溶液洗涤，无水硫酸钠干燥，过滤，滤液减压蒸除溶剂，残余物经硅胶柱层析(展开剂:PE/EA=20/1,V/V)纯化得产物AQTB1～3。

1,4-二-(叔丁基-二甲基-硅氧基)-蒽醌(AQTB1)：橙黄色固体0.561 g,产率57.5%, m.p.77～79 ℃;1H NMR(DMS(ESI)O-d6, 400 MHz)δ: 8.04(dd,J=5.8 Hz, 3.3 Hz, 2H), 7.82(dd,J=5.8, 3.3 Hz, 2H), 7.26(s, 2H), 1.02(s, 18H), 0.22(s, 12H);13C NMR(DMS(ESI)O-d6, 101 MHz)δ: 183.09, 150.76, 134.72, 134.55, 130.51, 126.77, 124.59, 26.63, 19.12, -3.46; MS(ESI)m/z: Calcd for C26H36O4Si2Na{[M+Na]+}491.2044, found 491.2047。

1,4-二-(叔丁基-二苯基-硅氧基)-蒽醌(AQTB2)：橙黄色固体0.254 g,产率17.0%, m.p.198～200 ℃;1H NMR(CDCl3, 400 MHz)

Scheme 1

δ: 8.37～8.33(m, 2H), 8.28(dd,J=7.6 Hz, 1.2 Hz, 2H), 7.86～7.74(m, 9H), 7.67(d,J=1.1 Hz, 1H), 7.41(dt,J=14.1 Hz, 6.9 Hz, 10H), 6.85(d,J=1.2 Hz, 2H), 1.24(d,J=16.5 Hz, 14H), 1.07～1.0(m, 2H), 0.89～0.84(m, 2H);13C NMR(CDCl3, 101 MHz)δ: 188.82, 186.94, 157.88, 150.02, 135.51, 134.49, 133.09, 132.46, 131.85, 130.13, 129.38, 127.96, 127.39, 127.06, 126.29, 125.37, 26.38, 19.67; MS(ESI)m/z: Calcd for C38H33O4Si23-{[M-H]4-}608.1900, found 607.5610; MS(ESI)m/z: Calcd for C28H18O4Si26-{[M+H]5-}475.0800, found 475.4124; MS(ESI)m/z: Calcd for C17H13O4Si25-{[M+H]4-}338.0400, found 338.3405。

1,4-二-(三-(异丙基)-硅氧基)-蒽醌(AQTB3)：橙黄色黏稠液体0.109 g,产率9.4%;1H NMR(CDCl3, 400 MHz)δ: 8.30～8.26(m, 2H), 7.80～7.71(m, 2H), 7.21(d,J=1.0 Hz, 2H), 1.41(dt,J=14.9 Hz, 7.5 Hz, 3H), 1.16(d,J=7.5 Hz, 18H), 1.06(t,J=5.9 Hz, 3H);13C NMR(CDCl3, 101 MHz)δ: 188.79, 181.10, 157.95, 150.80, 135.19, 134.48, 133.04, 132.46, 132.28, 127.26, 126.29, 125.83, 120.57, 115.62, 18.02, 13.44; MS(ESI)m/z: Calcd for C32H48O4Si2{[M-K-H]2-}512.2500, found 512.5015。

1.3 光谱测试

四丁基氟化铵用PBS缓冲溶液溶解，配制氟离子浓度为1×10-3M的溶液。同时配制浓度为1×10-4M的AQTB1甲醇溶液，然后再用MeOH/PBS溶液(MeOH/PBS =19/1,V/V, pH=7.4)将AQTB1溶液浓度稀释至20 mM，最终光谱测试时，探针AQTB1浓度为10 μM，其他干扰离子浓度为5 mM。

2 结果与讨论

2.1 溶液pH值对探针AQTB1检测性能的影响

加入氟离子前后，改变探针AQTB1溶液的酸碱度，考察AQTB1荧光强度随溶液pH值的变化情况，结果表明(图1)：未加入氟离子时，当溶液pH值在2～12变化时，AQTB1溶液的荧光强度很小，且基本保持不变；加入氟离子后(50.0 eq.)，荧光强度明显增加，且当pH在3～12变化时基本保持稳定，说明该探针具有良好的酸碱稳定性，能在广泛pH范围内实现对氟离子的响应，为研究方便，选择pH为7.4的溶液进行测试。

2.2 探针AQTB1对氟离子的紫外和荧光响应

在AQTB1缓冲溶液中，加入不同浓度的氟离子(0～100.0 eq.)，通过滴定实验考察溶液光谱的变化情况。紫外滴定实验结果表明(图2A)，随氟离子浓度的增加，探针AQTB1在465～510 nm范围内的紫外吸收逐渐增强，当氟离子加入量为55.0 eq.时达到饱和。以氟离子浓度(0～55.0 eq.)为横坐标，476 nm处的对应紫外吸收峰强度为纵坐标作图并进行线性拟合(图2B)，发现氟离子浓度在0～0.55 mM，紫外吸收峰强度与氟离子浓度呈现良好的线性关系(R2=0.9608)。

λ/nm

CF-1/10 μΜ

荧光滴定实验表明(图3A)，AQTB1荧光发射强度随氟离子浓度的增加而逐渐增强，当氟离子加入量为55.0 eq.时，荧光强度增强了5倍，再加入氟离子则变化不大。以氟离子浓度为横坐标，476 nm处的荧光强度为纵坐标作图并进行线性拟合，结果表明(图3B)，当氟离子浓度在0～5.5×10-4M范围变化时，二者呈现良好的线性关系(R2=0.99128)，线性方程为y=3.7442x+58.124，计算得到探针AQTB1对氟离子的检测限为0.32 μM。

λ/nm

2.3 探针AQTB1对氟离子的选择性与竞争性实验

为考察探针AQTB1对F-的检测灵敏性，分别进行了选择性和竞争性实验。其中，在选择性实验中，首先选取12种常见阴离子(包括Br-， Cl-， I-， NO3-， N3-， SCN-， H2PO4-， HPO42-， HCO3-， CH3COO-， C2O42-和SO42-)作为干扰物(500 eq.)和F-(50 eq.)，分别加到含有AQTB1的缓冲溶液中，放置100 min后测试，结果表明(图4A)，加入F-后，探针AQTB1在562 nm处的荧光发射峰明显增强，添加其它12种干扰离子时，荧光发射光谱变化不大。

竞争性实验中，在AQTB1的缓冲溶液中分别上述12种干扰离子(500 eq.)，随后再加入F-(50 eq.)，放置100 min后测试。结果表明(图4B)，与未加入F-前比较，探针AQTB1在562 nm处的荧光发射峰明显增强，说明干扰离子的存在不影响探针AQTB1对F-的检测。将上述结果进行处理，得到柱状图如图4C所示，探针AQTB1在F-检测中呈现良好的选择性和抗干扰能力。

图 4(A) AQTB1对F-的选择性实验 (B) AQTB1对F-的竞争性实验 (C) AQTB1对F-的选择性实验和竞争性实验的柱状图

2.4 识别机理

氟离子具有较强的亲硅性，能形成稳定的Si—F键，使得许多含硅化合物在氟离子作用下发生脱硅化反应，生成新的化合物。2003年，Kim等首次报导了基于氟离子诱导硅氧键断裂反应的荧光探针，在四氢呋喃溶液中实现了氟离子的定量检测[23]。随后研究人员将硅氧烷与不同种类的有机荧光染料相连，设计并合成了多种氟离子探针。

在此基础上，为了确定探针AQTB1对氟离子的检测机理，对加入氟离子前后的探针进行了质谱比较。我们认为探针AQTB1在氟离子诱导下后，会发生Si—O键的断裂，使得原来荧光较弱的AQTB1转化为荧光较强的1,4-二羟基蒽醌，完成对氟离子的定量检测(图5)。

图 5AQTB1对F-的传感机理图

λ/nm

为验证上述机理，将完成氟离子检测的AQTB1荧光光谱与1,4-DHAQ的荧光光谱进行了比较，发现二者的荧光发射峰位置基本相同(图6)。随后将检测氟离子前后探针AQTB1的IR谱图(图略)进行了对比，发现未加探针氟离子前，AQTB1在981 cm-1和830 cm-1处存在Si—O键的伸缩振动峰[24]，加入氟离子后，981 cm-1和830 cm-1处的红外吸收峰消失，结合荧光和质谱数据，说明探针与氟离子反应后，AQTB1中的Si—O键断裂，生成了1,4-DHAQ。

2.5 实际样品分析

为了进一步探究探针AQTB1在实际水样中检测氟离子的可行性，选取了3个不同地方的水样，加入一定量的氟离子并通过探针AQTB1来进行检测。其中，南湖水在长春市南湖公园随机采样，牡丹水在长春市朝阳区牡丹园随机采样，自来水取自本实验室。

表1 实际水样中氟离子含量的测定

称取24.14 mg的四丁基氟化铵(3份)至10 mL的容量瓶中，分别加入3种不同的水样定容，即可配制成1×10-2M的氟离子溶液。测试时，分别移取80 μL， 120 μL， 160 μL(1×10-2M)的上述配制的氟离子溶液，稀释至2×10-4M， 3×10-4M， 4×10-4M的浓度测试。测试结果如表1所示，3个水平的氟离子的加标回收率为88.0%～109.5%，相对标准偏差(RSD)低于8.5%，表明探针AQTB1在检测水体中的氟离子有一定的实用性。