羅國(guó)力，趙志剛，石治川

(西南民族大學(xué)化學(xué)與環(huán)境保護(hù)工程學(xué)院，四川 成都 610041)

鋅是人體內(nèi)含量第二多的元素，在人體內(nèi)起著至關(guān)重要的作用，如基因表達(dá)、參與細(xì)胞凋亡、神經(jīng)傳遞、金屬酶調(diào)節(jié)、同時(shí)也是RNA 和DNA 聚合酶的組成部分、是人體內(nèi)不可或缺的重要元素[1-4]. 近年由于含重金屬污染物的排放，對(duì)環(huán)境危害越來(lái)越大，對(duì)人類健康也造成巨大威脅.人體內(nèi)積累較高濃度的鋅離子會(huì)引起阿爾茨海默癥、帕金森病、糖尿病、免疫系統(tǒng)受損；缺少鋅離子可能會(huì)引起腹瀉、認(rèn)知功能受損及大腦發(fā)育異常等現(xiàn)象等[5]. 因此，鋅離子檢測(cè)備受人們的關(guān)注.在眾多檢測(cè)方法中，熒光法由于操作簡(jiǎn)便，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)受到人們的青睞. 基于不同熒光基團(tuán)作為熒光傳導(dǎo)信號(hào)檢測(cè)鋅離子已有大量報(bào)道[6-9]，但是部分探針?lè)肿尤匀淮嬖谥铣删€路較長(zhǎng)、只能在純?nèi)軇┲袡z測(cè)等缺點(diǎn)，限制了這些熒光探針的進(jìn)一步應(yīng)用.

硫脲席夫堿因其結(jié)構(gòu)中獨(dú)特的活性亞結(jié)構(gòu)-CSNHN=CH -單元，其中的N、S 兩個(gè)雜原子雜化軌道上的孤電子對(duì)，不僅使得物質(zhì)自身能形成穩(wěn)定的金屬配合物而，且能較大提高生物環(huán)境的相容性[10].硫脲席夫堿結(jié)構(gòu)中的S 原子還常以硫橋的形式配位，既能是氫鍵供體也可是受體，可以形成分子內(nèi)或分子間氫鍵，構(gòu)筑多維和各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的超分子化合物[11].因此，開(kāi)發(fā)合成簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的硫脲席夫堿熒光探針?lè)肿尤匀痪哂兄匾囊饬x[12-13]. 本論文合成的硫脲雙席夫堿化合物結(jié)構(gòu)中含有兩個(gè)共軛體系，相較于單個(gè)共軛體系分子更易于產(chǎn)生n -π?和π -π?的電子躍遷，進(jìn)而發(fā)生某些光學(xué)性質(zhì)的特效反應(yīng)，在識(shí)別金屬離子和作為熒光探針配體方面具有很好的研究?jī)r(jià)值.其合成路線見(jiàn)Scheme 1.

Scheme 1 探針L1 的合成路線Scheme 1 Synthesis route of probe L1

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

本實(shí)驗(yàn)所用試劑均為市售分析純級(jí). 對(duì)氯苯甲醛(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)；

噻唑-5 -甲醛(百靈威科技有限公司)；金屬鹽為醋酸鹽或硝酸鹽(成都金山化學(xué)試劑有限公司)；實(shí)驗(yàn)用水為去離子水.

核磁共振儀： Agilent -400MHz， Me4Si 作內(nèi)標(biāo)，DMSO-d6作溶劑；質(zhì)譜儀： FINNIGAN - LCQ DECA型； 紅外光譜儀：傅里葉變換紅外光譜儀PERKIN -ELMER1700 型，KBr 壓片；元素分析儀： Vario MICRO自動(dòng)分析儀；熔點(diǎn)儀： WRS -1B 型數(shù)字熔點(diǎn)儀；紫外-可見(jiàn)光分光光度計(jì)：Mapada UV -6100 雙光束紫外-可見(jiàn)光分光光度計(jì)；熒光光譜儀： Dual -FL 型；超純水機(jī)：沃特浦WP-UPT-10 型；pH 計(jì)：梅特勒-托利多FE28 型；微波反應(yīng)器：北京祥鵠科技有限公司商用微波反應(yīng)器XH-100A，100 -1000W.

1.2 探針L1 的合成及表征

1.2.1 1，3 -二氨基硫脲1 的合成

在150 mL 三頸瓶中加入80 mL 80%水合肼和3 mL 2 -氯乙醇，冰浴下逐漸滴加30 mL CS2，反應(yīng)3 h后有黃色固體生成.加入3 g NaOH 后加熱至80 ℃，攪拌反應(yīng)8 h，冷卻至室溫后抽濾，用水重結(jié)晶得到無(wú)色針狀晶體1.收率84%，M.p. 171 ～172 ℃(Lit.M.p. 170 ～172 ℃)[14].

1.2.2 單縮二氨基硫脲int.2 的微波合成

在150 mL 三頸瓶中依次加入1.06 g (0.01 mol)1，3 -二氨基硫脲1、60 mL 水， 室溫?cái)嚢? min 后滴加幾滴冰醋酸，然后攪拌下緩慢滴加50 mL 乙醇溶液(1.40 g，0.01 mol 對(duì)氯苯甲醛)， 微波輻射下回流攪拌反應(yīng)5 ～7 min.冷卻過(guò)濾， 無(wú)水乙醇重結(jié)晶， 得到淡黃色int.2.收率93%，M.p. 210 ～212 ℃(Lit. M.p. 210 ～211 ℃)[14].

1.2.3 探針L1 的合成及表征

在25 mL 圓底燒瓶依次加入5 mL 甲醇， 1 mmolint.2，0.95 mmol 噻唑-5 -甲醛和1 滴冰醋酸，冰浴下反應(yīng)25 ～40 h， TLC 監(jiān)測(cè)反應(yīng)進(jìn)程，反應(yīng)結(jié)束后過(guò)濾出固體，粗產(chǎn)品用乙醇重結(jié)晶得到純品L1.

黃色顆粒. Yield 83%. Mp 171 ～172 °C. IR(KBr，cm-1)：3273，3134，3069，1597，1533，1493，1229， 1145， 1082， 832.1H NMR (DMSO - d6， 400 MHz)： δ 12.04 (s，1H， NH)，11.74 (s，1H， NH)，9.19 (s，1H， Thiazole -H2)， 8.89 (s， 1H， Thiazole-H4)，8.27 (s， 1H， N =CH)， 8.13 (s， 1H， N =CH)， 7.90 (s， 2H， ArH)， 7.53 (d， J = 8.0 Hz，2H， ArH).13C NMR (DMSO - d6， 100 MHz)：δ 175.10， 156. 83， 146. 12， 142. 64， 142. 07，136.62，135.02，133.36，129.62，129.26. ESI-MS m/z (%)：324([M+1]+，100). Anal.Calcd for C12H10ClN5S2： C， 44.51； H， 3.11； N， 21.63. Found：C，44.52； H，3.10； N，21.60%.

1.3 溶液的配制

1.3.1 Tris-HCl 緩沖液

稱取12.1411 g 三羥甲基氨基甲烷(Tris)， 用去離子水溶解并定容至1 000 mL (0.1 mol/L)；量取濃鹽酸9.0 mL， 用去離子水定容至1 000 mL (0.1 mol/L). 二者定量混合Tris：HCl(v/v = 50/42)，用pH 計(jì)微調(diào)至7.4.

1.3.2 不同pH 的溶液的配制

稱取4.0011 g NaOH， 用去離子水溶解并定容至100 mL (1 mol/L)； 取9.0 mL 濃鹽酸， 加入去離子水定容至100 mL (1 mol/L). 通過(guò)分別滴加上述濃度的NaOH 和HCl 溶液， 將Ethanol/Tris(v/v = 1/1)溶液的pH 依次調(diào)為4，5， ……，10 的溶液.

1.3.3 探針L1 儲(chǔ)備溶液

稱取161.9 mg 探針L1， 用100 mL DMSO 溶解完全后，加入Ethanol/Tris(v/v = 1/1， pH 7.0)溶液定容至標(biāo)線，搖勻，得到濃度為1 ×10-3mol/L 的探針L1 儲(chǔ)備液.

1.3.4 各種金屬離子儲(chǔ)備液

以Zn2+溶液配制為例：稱取21.9 mg 二水合醋酸鋅用去離子水溶液定容至刻度線，得到濃度1 ×10-3mol/L 的Zn2+溶液.其他金屬離子(Ag+，Al3+，Ba2+，Ca2+，Co2+， Cr3+， Cu2+， Fe3+， Hg2+， Mg2+， Mn2+，Ni2+，Pb2+)采用醋酸鹽或硝酸鹽配制成濃度為1 ×10-3mol/L 的去離子水溶液.

1.4 光譜性質(zhì)的檢測(cè)方法

熒光滴定實(shí)驗(yàn)： 在含有3 mL Ethanol/Tris(v/v =1/1， pH 7.0)溶液的5 mL 比色管中加入500 mL 探針L1 儲(chǔ)備液(1 × 10-3mol/L)， 然 后依次加入500 mL各種金屬離子儲(chǔ)備液(1 ×10-3mol/L)， 最后再加入Ethanol/Tris (v/v= 1/1， pH 7.0)溶液定標(biāo)，搖勻，待測(cè).探針L1 的最佳激發(fā)波長(zhǎng)為400 nm，最佳發(fā)射波長(zhǎng)為493 nm.

2 結(jié)果與討論

2.1 探針L1 對(duì)不同金屬陽(yáng)離子的選擇性

在探針L1 分子中，亞胺N 原子易與Zn2+發(fā)生配位，導(dǎo)致分子剛性增強(qiáng)，從而引起L1 光譜性質(zhì)的變化.在L1 濃度為100 mmol/L 的Ethanol/Tris (v/v =1/1， pH 7.0)溶液中，分別加入相同濃度(100 mmol/L) 的不同金屬陽(yáng)離子(Ag+，Al3+，Ba2+，Ca2+，Co2+，Cr3+，Cu2+，F(xiàn)e3+，Hg2+，Mg2+，Mn2+，Ni2+，Pb2+)， 然后分別檢測(cè)各自的紫外-可見(jiàn)光性質(zhì)(圖1) 和熒光性質(zhì)(圖2).在紫外-可見(jiàn)光性質(zhì)檢測(cè)過(guò)程中，探針L1 本身在334 nm 處有一個(gè)較強(qiáng)的吸收峰，當(dāng)加入不同金屬陽(yáng)離子后，其在此處的吸收峰都出現(xiàn)了不同程度的降低.特別當(dāng)加入Zn2+后，該吸收峰除了顯著降低外，還發(fā)生了明顯的紅移，這可能是因?yàn)樘结楲1 與Zn2+絡(luò)合后使探針?lè)肿又蠧 =N 異構(gòu)化受阻，增加了分子的剛性和體系的共軛程度.

在熒光性質(zhì)的檢測(cè)過(guò)程當(dāng)中(圖2)， 探針L1 本身有很微弱的熒光，當(dāng)加入Zn2+后， L1 在493 nm 處的熒光強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，而當(dāng)加入其他金屬離子時(shí)，L1的熒光強(qiáng)度并無(wú)明顯變化.在紫外燈365 nm 照射下，探針L1 溶液本身幾乎沒(méi)有熒光，當(dāng)加入Zn2+后，溶液發(fā)出亮綠色強(qiáng)熒光，而當(dāng)加入其它離子時(shí)，溶液沒(méi)有熒光產(chǎn)生.這說(shuō)明，探針L1 可以與Zn2+結(jié)合，產(chǎn)生螯合型熒光增強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)Zn2+的專一識(shí)別檢測(cè).

圖1 探針L1 與不同金屬離子作用后的紫外-可見(jiàn)光光譜Fig.1 The UV-Vis of L1 before and after the addition of various metal ions

圖2 探針L1 與不同金屬離子作用后的熒光光譜Fig.2 The fluorescence of probe L1 before and after the addition of various metal ions

2.2 不同pH 對(duì)探針L1 及L1 -Zn2+體系熒光強(qiáng)度的影響

考察了探針L1 和L1 -Zn2+在不同pH 下的熒光光譜.由圖3 可見(jiàn)，隨著pH 的增大，探針L1 的熒光強(qiáng)度基本上沒(méi)有變化，而L1 -Zn2+體系則顯著增強(qiáng).當(dāng)pH ＜7 時(shí)，熒光強(qiáng)度急速增加； 當(dāng)pH ＞7 以后，探針的熒光強(qiáng)度繼續(xù)增加，然后逐漸降低. 這可能是由于席夫堿結(jié)構(gòu)在強(qiáng)酸性條件下容易發(fā)生分解.而堿性過(guò)大時(shí)，體系當(dāng)中的Zn2+會(huì)形成Zn(OH)2， 兩者都會(huì)對(duì)探針L1 與Zn2+的結(jié)合產(chǎn)生較大影響.由圖3 可知，探針L1 可有效識(shí)別Zn2+的pH 適用范圍為5 ～9.為了便于檢測(cè)，本實(shí)驗(yàn)中我們均選擇用純水在近中性條件下進(jìn)行測(cè)試.

圖3 不同pH 下探針L1 及L1 -Zn2+體系在493 nm 處的熒光強(qiáng)度Fig.3 Effect of pH on fluorescence intensity (at 493 nm） of L1 in the absence and presence of Zn2+

2.3 探針L1 對(duì)Zn2+的熒光滴定及檢測(cè)限

在L1 濃度為100 μmol/L 的Ethanol/Tris (v/v=1/1， pH 7.0)溶液中，逐漸滴加Zn2+，測(cè)定不同Zn2+濃度下的熒光光譜(圖4). 隨著Zn2+濃度從20、40、60、80、100、120、140 mmol/L 依次增加，L1 在波長(zhǎng)493 nm 處的熒光強(qiáng)度顯著增強(qiáng). 當(dāng)Zn2+濃度增大到160、180 mmol/L 時(shí)，L1 的熒光強(qiáng)度略微有所降低.

圖4 不同濃度Zn2+存在時(shí)L1 的熒光光譜Fig.4 Fluorescence spectra of L1 in the presence of different concentrations of Zn2+

將鋅離子濃度與探針L1 在493 nm 處的熒光強(qiáng)度繪制工作曲線，結(jié)果表明在20 ～140 mmol/L 范圍內(nèi)成良好的線性關(guān)系(圖5)， 其線性回歸方程為I493=353.0573+5.6497C (R2=0.9925). 根據(jù)檢測(cè)限的計(jì)算公式[15，16]，計(jì)算該方法的檢測(cè)限為5.8×10-6mol/L.

圖5 不同濃度Zn2+與L1 熒光強(qiáng)度的線性擬合Fig.5 Fluorescence intensities (at 493 nm） of L1 versus concentration ofZn2+

2.4 探針L1 識(shí)別Zn2+的抗干擾性

為探究L1 對(duì)Zn2+的識(shí)別是否會(huì)受到其他金屬離子的影響，進(jìn)行了離子抗干擾實(shí)驗(yàn). 在L1 濃度為100 mmol/L 的Ethanol/Tris (v/v = 1/1， pH 7.0)溶液中，加入100 mmol/L 的Zn2+，同時(shí)分別加入相同濃度的其他金屬離子，測(cè)試其熒光光譜.以493 nm 處熒光峰強(qiáng)度為基準(zhǔn)，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)后作圖(圖6). 當(dāng)加入Ag+和Fe3+時(shí)，熒光強(qiáng)度出現(xiàn)了略微的離子干擾，這可能是因?yàn)锳g+和Fe3+與探針L1 存在一定的結(jié)合能力，從而阻礙了Zn2+與L1 之間的絡(luò)合，導(dǎo)致熒光強(qiáng)度有微弱的降低. 而當(dāng)加入其他金屬離子，其熒光強(qiáng)度與只加入Zn2+時(shí)相比并無(wú)明顯變化，這表明探針L1 對(duì)Zn2+的識(shí)別具有良好的熒光響應(yīng)和優(yōu)異的抗干擾能力，L1 是一種具有潛在應(yīng)用價(jià)值的Zn2+熒光增強(qiáng)型探針.

圖6 共存離子對(duì)L1 -Zn2+體系熒光強(qiáng)度的影響Fig.6 Fluorescence intensities of L1 upon addition of Zn2+ in the presence of other metal ions

2.5 探針L1 與Zn2+絡(luò)合比的探究

為了研究探針L1 的絡(luò)合模型，我們保持探針L1與Zn2+的總濃度之和為1.0 ×10-5mol/L 不變，然后連續(xù)改變Zn2+的百分比含量，并測(cè)定其相應(yīng)的熒光強(qiáng)度.通過(guò)Job’s plot 作圖法(圖7) 可知，最大摩爾分?jǐn)?shù)對(duì)應(yīng)數(shù)值為0.69，即探針L1 與Zn2+所形成的是1：2 絡(luò)合物，推測(cè)其絡(luò)合模式如圖8 所示.

圖7 探針L1 與Zn2+的絡(luò)合比測(cè)定曲線Fig.7 Job’s plot of L1 andZn2+

圖8 探針L1 與Zn2+的絡(luò)合模型Fig. 8 The proposed binding mode of L1 - Zn2+ system

3 結(jié)論

利用單縮二氨基硫脲為母體，設(shè)計(jì)并合成了一種用于檢測(cè)Zn2+的熒光增強(qiáng)型探針L1. 在體積分?jǐn)?shù)為50%的乙醇-水溶液中于中性或弱堿性條件下，探針L1 能夠特異性識(shí)別Zn2+，并表現(xiàn)出非常高的選擇性.探針L1 與Zn2+結(jié)合的物質(zhì)的量之比為1：2，并且具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性、良好的抗干擾性和反應(yīng)活性，具有潛在的應(yīng)用前景.