苯并噻唑类探针取代基结构对金属离子识别性能的影响

贾慧劼，竺 宁，高媛媛，王亚琦，索全伶

内蒙古工业大学化工学院，内蒙古 呼和浩特 010051

引 言

近十几年来，荧光探针因其对金属离子的选择性识别具有灵敏度高、选择性好和瞬时响应等优点[1-2]，因此在分析检测和环境工程等领域获得了广泛的应用。金属离子进入人体内的主要途径是通过食物链和饮用水，若能在水中快速检测出金属离子的存在，就可有效地监测水中的金属离子种类和浓度[3-6]。与复杂昂贵的金属离子检测设备和技术相比，荧光探针以其操作简单、选择性好、响应时间快等优点，成为了快速检测金属离子的简单有效方法。

荧光探针分子由荧光基团和识别基团两部分组成，是具有光电特征的化合物。苯并噻唑共轭环具有良好的平面刚性结构和π电子共轭体系，是设计荧光探针分子优先选择的荧光基团[7-9]。科学工作者将苯并噻唑共轭环与罗丹明等大共轭基团相连接，或者将含有N，O，S等原子的基团引入到苯并噻唑环上进行荧光探针设计，不仅提升了苯并噻唑衍生物的光电特性[10-11]，同时这些杂原子还可作为金属离子的识别位点，更有利于金属离子的荧光识别。由于含有苯并噻唑环的荧光探针分子在识别金属离子中的独特作用，这类衍生物已成为荧光探针设计合成领域的热点化合物[12-14]。

基于识别基团的结构变化，构建了开启式荧光探针L4和关闭式荧光探针L5两种类型探针分子。利用紫外和荧光两种通道，研究了它们对18种金属离子的识别性能。结果表明，利用紫外通道，在有机溶剂媒介中，探针L4有效识别出三价Al3+，Fe3+和二价Cu2+，而探针L5仅能识别三价Al3+，Fe3+，不能识别二价Cu2+。在有机溶剂媒介中，通过荧光通道，开启式荧光探针L4识别出三价Al3+，Fe3+和二价Cu2+，并表现出荧光猝灭；关闭式荧光探针L5识别出三价Al3+，Fe3+，Cr3+和二价Cu2+，并出现荧光增强现象。在含水乙腈媒介中，利用紫外和荧光双通道，研究了探针L4与各种金属离子的识别作用，结果发现，探针L4高选择性地识别出Cu2+。利用含探针L4的试纸，通过便携式紫外灯可裸眼检测纯水中的二价铜离子，这一结果为探针L4的实际应用提供了一种简单快速的检测方法。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

核磁共振仪(美国Agilent公司，Agilent 500 MHz，TMS为内标)，紫外-可见分光光度计(日本岛津公司，UV-2450型)，荧光光谱仪(美国Agilent公司，Agilent G9800A型)，高分辨质谱仪(美国Waters公司，MALDI-TOF)，Bruker D8 VENTURE X射线单晶衍射仪。

所有试剂均为市售分析纯试剂，所有药品购于阿拉丁试剂公司。

1.2 探针分子合成及晶体结构

苯并噻唑类探针分子6-(3,5-二甲基苯氧基)-5-胺基-2-苯基苯并噻唑(L4)和6-(3,5-二甲基苯氧基)-5-苯甲酰胺基-2-苯基苯并噻唑(L5)的合成方法及路线参见文献[15]，探针L5的晶体结构数据(剑桥晶体数据库CCDC：1966397)。

1.3 光谱测试条件

选用乙腈/二氯甲烷(V/V=9∶1)和乙腈/水(V/V=8∶2)为溶剂，分别配制浓度为2.0×10-5mol·L-1的化合物L4溶液；选用乙腈/二氯甲烷(V/V=9∶1)为溶剂，配制浓度为2.0×10-5mol·L-1的化合物L5溶液。选用金属离子(Ag+，Al3+，Ba2+，Ca2+，Cd2+，Co2+，Cr3+，Cu2+，Fe3+，Fe2+，Hg2+，Mg2+，Mn2+，Na+，Pd2+，Ni2+，Sr2+，Zn2+)的高氯酸盐，用乙腈为溶剂配制浓度为2.0×10-3mol·L-1的溶液；用去离子水为溶剂，配制浓度为2.0×10-3mol·L-1金属离子(Al3+，Cr3+，Fe3+，Cu2+)的高氯酸盐水溶液。在室温下，将配置好的溶液放置2 h后进行紫外-可见吸收光谱和荧光光谱的测定。

荧光光谱测定的样品池为1 cm×1 cm×4 cm石英比色皿，灵敏度为3，激发和发射狭缝宽5 nm，激发波长λex=360和380 nm，波长范围370～700 nm。

2 结果与讨论

2.1 金属离子对探针紫外-可见光谱性能的影响

在探针L4有机溶剂(乙腈/二氯甲烷=9∶1，V/V)溶液中分别加入上述18种金属离子后，只有Al3+，Fe3+，Cu2+溶液的紫外吸收峰有明显变化[图1(a)]。在探针L4的含水乙腈(乙腈/水=8∶2，V/V，pH=7.0)溶液中，只有加入Cu2+后，L4的紫外吸收峰从248 nm明显蓝移至207 nm，而且吸收强度增加[图1(b)]。推测，探针L4结构中的氨基氮原子和二甲基苯氧基氧原子分别与水中氢原子形成了分子间氢键，导致L4-Al3+和L4-Fe3+的弱相互作用被破坏，而L4-Cu2+的强配位作用受水与探针L4分子间氢键作用的影响很小，因此，在含水乙腈溶液中，探针L4只表现出对Cu2+的高选择性识别。

图1 L4与识别离子的紫外-可见光谱(a)：CH3CN/CH2Cl2=9∶1, V/V；(b)：CH3CN/H2O=8∶2, V/V, pH=7.0Fig.1 UV-Vis spectra of L4 with recognition metal ions(a)：CH3CN/CH2Cl2=9∶1, V/V；(b)：CH3CN/H2O=8∶2, V/V, pH=7.0

在探针L5有机溶剂(乙腈/二氯甲烷=9∶1，V/V)溶液中分别加入上述18种离子后，加入Al3+，Fe3+的L5溶液紫外吸收峰发生了红移(图2)，加入其他金属离子的L5溶液紫外吸收峰均没有明显变化。由于探针L5在含水体系中溶解性较差，因此，在含水乙腈溶液中没有研究探针L5的离子识别性能。

图2 L5与识别离子的紫外可见光谱Fig.2 UV-Vis spectra of L5 with recognition metal ions

2.2 金属离子对探针荧光发射性能的影响

在探针L4有机溶剂溶液中，加入Al3+，Fe3+，Cu2+的溶液发生了明显的荧光猝灭，加入其他金属离子的L4溶液，荧光强度基本没有变化[图3(a)]。但是，在探针L4含水乙腈溶液中，只有加入Cu2+后，L4的荧光光谱才发生荧光猝灭[图3(b)]。

图3 L4与各种离子的荧光光谱(a)：CH3CN/CH2Cl2=9∶1, V/V；(b)：CH3CN/H2O=8∶2, V/V, pH=7.0Fig.3 Fluorescence spectra of L4 with various metal ions(a)：CH3CN/CH2Cl2=9∶1, V/V；(b)：CH3CN/H2O=8∶2, V/V, pH=7.0

在探针L5有机溶剂溶液中，探针L5的荧光强度按Cr3+，Fe3+，Al3+，Cu2+的顺序逐渐增强，加入其他金属离子，探针L5的荧光强度基本没有变化(图4)。

荧光通道离子识别的研究结果表明，探针L4不仅能够灵敏地识别三价金属离子Al3+，Fe3+和二价金属离子Cu2+，而且可在含水乙腈溶液中高选择性地识别Cu2+。探针L5灵敏地识别出三价金属离子Al3+，Fe3+，Cr3+和二价金属离子Cu2+。

探针L5的苯并噻唑刚性环与2位的苯基具有较好的共平面性，可形成共轭性良好的荧光基团。苯并噻唑刚性环上的苯甲酰胺取代基和二甲基苯氧取代基共同构成了探针L5的识别基团。当客体金属离子不存在时，探针L5受紫外光照射时，由于苯甲酰胺取代基的共轭作用，容易发生光诱导电子转移(PET)过程，使L5成为关闭式荧光探针。当客体金属离子与探针L5同时存在时，探针L5识别基团中的氧原子和氮原子将与金属离子发生相互作用，苯甲酰胺取代基的大共轭性受到破坏，导致PET过程受阻，荧光基团的荧光得以恢复。探针L4受紫外光照射时，由于胺基与苯并噻唑基团仅存在p-π共轭作用，导致识别基团胺基不易发生PET过程，从而使L4成为开启式荧光探针。当客体金属离子与探针L4同时存在时，探针L4识别基团中二甲基苯氧基上的氧原子和胺基上的氮原子将与金属离子发生配位作用，通过荧光基团与配位金属离子之间的光诱导电子转移作用，PET过程得以实现，从而导致荧光猝灭现象发生。

图4 L5与各种离子的荧光光谱Fig.4 Fluorescence spectra of L5 with various metal ions

对照化合物2-苯基苯并噻唑(PhS)的紫外和荧光双通道离子识别结果表明，没有识别取代基(二甲基苯氧基和苯甲酰胺基或胺基)存在时，对照化合物2-苯基苯并噻唑对金属离子Cr3+，Fe3+，Al3+，Cu2+没有识别作用，说明不含识别基团的2-苯基苯并噻唑不能作为探针使用。

2.3 金属离子的滴定实验和抗干扰实验

为了检测探针L4和探针L5对识别离子的灵敏度，进行了金属离子的荧光滴定实验。评价了探针L4和探针L5识别指定金属离子时的抗干扰能力。

结果表明，探针L4和L5的抗干扰能力较强，识别指定金属离子时基本不受干扰金属离子影响。

2.4 响应时间和pH值影响实验

在0～240 s的范围内，考察了探针L4和L5识别金属离子的荧光强度变化。结果表明，探针L4和L5可快速地识别指定金属离子。

pH值实验结果表明，在溶液pH值小于8时，探针L4对Cu2+的选择性识别不受溶液pH值影响。

2.5 试纸实验

为了考察探针L4和探针L5实际应用效果，将定量试纸条分别浸泡在探针L4和探针L5的有机溶剂溶液中2 min，取出试纸条吹干溶剂后，将配好的含有铜离子的乙腈溶液和含有铜离子的纯水溶液分别滴加到两种试纸条上。在365 nm紫外灯下照射试纸，通过裸眼观察荧光斑点变化。实验结果表明，探针L4对含铜离子的有机溶液和水溶液都有荧光响应(图5)，而探针L5只对含铜离子的乙腈溶液有荧光响应。

图5 L4与Cu2+的荧光响应(a)：CH3CN/CH2Cl2=9∶1, V/V；(b)：CH3CN/H2O=8∶2, V/V, pH=7.0Fig.5 Fluorescence response of L4 with Cu2+(a)：CH3CN/CH2Cl2=9∶1, V/V；(b)：CH3CN/H2O=8∶2, V/V, pH=7.0

2.6 核磁滴定研究

在L4的CD3CN溶液中分别加入0，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 eq.Cu2+的CD3CN溶液后，胺基的质子信号峰(4.43 ppm)随着等当量Cu2+的浓度增大逐渐移向高场(3.61 ppm)，其他基团的质子信号峰移向低场，而且出现了新的核磁共振峰。表明胺基上的氮原子和二甲基苯氧基上氧原子分别与Cu2+发生了配位作用，导致质子信号峰移动并出现络合物的新信号峰。

与探针L4的实验结果相比，探针L5的1H NMR信号受客体金属离子的影响较小，仅发生相对较小的向低场移动现象，表明探针L5与金属离子的相互作用较弱。探针L5与金属离子Al3+，Cr3+，Fe3+和Cu2+的1H NMR谱上也出现了新的信号峰，表明L5也与金属离子形成了络合物。由于Al3+具有抗磁性，而Cr3+，Fe3+和Cu2+具有顺磁性，因此，只有L5+Al3+的核磁信号峰没有发生宽化作用，而L5+Cr3+，L5+Fe3+，L5+Cu2+的核磁信号峰均发生不同程度的宽化。根据1H NMR滴定结果，推测了探针L4和探针L5识别金属离子的作用机制(图6)。

图6 L4和L5与识别离子的可能的作用机制Fig.6 Proposed mechanism for L4 and L5 recognizing metal ions

3 结 论

设计合成了开启式荧光探针L4和关闭式荧光探针L5，利用紫外通道，探针L4和L5均能够选择性地识别出Al3+和Fe3+，而探针L4高选择性地识别出Cu2+。利用荧光通道，探针L4选择性识别出Al3+，Fe3+和Cu2+，而探针L5选择性识别出Al3+，Fe3+，Cr3+和Cu2+；在含水乙腈溶液中，探针L4高选择性地识别出Cu2+。开启式荧光探针L4和关闭式荧光探针L5不仅能够有效地识别三价金属离子，也能识别二价金属离子，而且具有抗干扰能力强、响应速度快、选择性高的特点。在乙腈溶液和含水乙腈溶液中，探针L4能高选择性地识别出Cu2+。含探针L4的试纸可对纯水溶液中的Cu2+进行有效识别，表现出潜在的应用价值。