一种快速响应和高选择性的锌离子荧光探针

张丽君，尹炳柱

（延边大学长白山生物资源与功能分子教育部重点实验室，吉林 延吉133002）

一种快速响应和高选择性的锌离子荧光探针

张丽君，尹炳柱＊

（延边大学长白山生物资源与功能分子教育部重点实验室，吉林 延吉133002）

合成了一种基于2－苯基苯并噻唑荧光团的荧光探针，并用荧光和紫外光谱法研究了对不同阳离子的识别能力.研究表明：该探针在乙腈溶液中对锌粒子显示出高选择性和高灵敏性的响应，而对其他阳离子的响应则不明显，因此该方法可实现对锌粒子的检测；其机理是探针与锌粒子的络合阻止了主体分子的激发态分子内质子转移过程，使荧光增强而致.

荧光化学传感器；2－苯基苯并噻唑；锌离子检测；激发态分子内质子转化

0 引言

锌是一种广泛分布于人体细胞和体液中的微量元素，对人体的免疫功能起着重要的调节作用.例如，锌能维持男性的正常生理机能，促进儿童的正常发育和溃疡的愈合等.研究［1－2］发现，缺锌常导致厌食、营养不良、口腔溃疡、皮疹、脱发、胃炎、儿童生长缓慢等症状，但是如果锌摄入过多，又会导致痿味、口渴、胸部紧束感、干咳、头痛、头晕、高热、寒战等病症.目前，在活性中心处包含锌离子的酶的数目超过了1 000种，在2007年Brookhaven蛋白质数据库所列举的40 000种蛋白质结构中约有5 000种蛋白质含有锌离子［3］，因此，如何快速灵敏地检测锌离子对于生命科学、环境科学都有着重要的意义［4－5］.

具有激发态分子内的质子转移（excited state intramolecular proton transfer，ESIPT）能力的物质一直是有机光化学、光物理与光生物学的研究热点［5－7］.该类化合物是良好的荧光探针或光致变色材料，并且在光开关、光限幅和光存储等光电子器件中有着重要的应用前景［8－11］.近年来由配位作用阻碍ESIPT过程而进行离子识别的化学传感器被相继报道［12－14］，但其传感性不专一［12］，并且合成过程较为复杂［13－14］.为了探究新型锌离子化学传感器，本文通过简单的一步合成反应制得了2－（4’－N，N－二乙基氨基－2’－羟基苯基）苯并噻唑（图1），并对其对不同阳离子的选择识别能力进行了研究.

图1 探针1的合成路线

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

主要仪器有：AV－300型超导核磁共振波谱仪（布鲁克，德国）；UV－3010型紫外分光光度仪（日立，日本）；RF－5301PC型荧光分光光度仪（岛津，日本）；1100－HP LC／MSD液质连用仪（惠普，美国）；AXIMA CFRTMPlus基质辅助激光解析飞行时间质谱仪（岛津，日本），基质为Dith.

所有化学药品从百灵威购进，未经纯化直接使用；氯仿、乙醇、乙腈和甲醇均为分析纯试剂，用通常方法纯化、干燥处理.分析用金属离子使用的是其高氯酸盐.

1.2 目标化合物的合成

将4－N，N－二乙基氨基水杨醛（0.5 g，2.587 mmol）和2－氨基苯硫醇（0.324 g，2.587 mmol）溶解于乙醇中（10 m L），在氮气氛围下室温反应12 h.体系中有大量黄色固体析出，抽滤，用甲醇洗涤固体（10 m L×3），MeOH－CHCl3（体积分数比为1∶1）重结晶，得黄色固体0.772 g，产率为73.0%，m.p.185～186℃.1H NMR（300 MHz，CDCl3）δ：13.25（s，1H），8.46（s，1H），7.62（d，J＝6.6 Hz，1H），7.21（d，J＝6.6 Hz，1H），7.19（d，J＝6.6 Hz，1 H），7.12（d，J＝6.6 Hz，1 H），7.10（d，J＝6.6 Hz，1H），6.28（d，J＝6.6 Hz，2H），3.39～3.46（m，J＝6.9 Hz，4H），1.23（t，J＝6.9 Hz，6H）.MS（EI）：m／z＝299.55（M＋）.

2 结果与讨论

2.1 UV－Vis光谱

图2（a）为探针1（20μmol／L）在乙腈中加入400μmol／L（20 equiv.）不同阳离子时紫外吸收光谱的变化.从图2（a）明显看出，当滴加20 equiv.的Zn2＋时，探针1在381 nm处的π－π＊吸收带红移到410 nm 处，而其他阳离子（Na＋、K＋、Li2＋、Ca2＋、Cd2＋、Ba2＋、Ni2＋、Pb2＋、Co2＋、Ag2＋、Hg2＋、Fe2＋、Cu2＋、Fe3＋）未引起明显的光谱变化.由此可见，探针1对Zn2＋具有很高的选择识别能力.

图2（b）为探针1（20μmol／L）在乙腈中加入不同浓度的Zn2＋时的紫外光谱滴定曲线.从图中可明显看出，原381 nm处的吸收峰逐渐减弱，而在410 nm处逐渐出现了新的吸收峰，并出现3个明显的等吸光点，而且当Zn2＋的浓度增加到20 equiv.时络合趋于平衡，表明探针1与锌离子形成了稳定的主－客体配合物.图2（b）中的插图为用不同浓度的Zn2＋滴定时，探针1在410 nm处的吸光度变化曲线.

图2 （a）为紫外吸收光谱；（b）为紫外滴定曲线（［Zn2＋］＝0→20 equiv.）

2.2 荧光光谱测试

图3（a）为探针1（20μmol／L）在乙腈中加入400μmol／L（20 equiv.）不同阳离子时荧光光谱的变化，其中的插图为目标化合物对Zn2＋的选择性.在乙腈溶液中，用417 nm光激发时，探针1本身几乎没有发射荧光，分别加入20 equiv.不同阳离子 （Na＋、K＋、Li2＋、Ca2＋、Cd2＋、Ba2＋、Ni2＋、Pb2＋、Co2＋、Ag2＋、Hg2＋、Fe2＋、Cu2＋、Fe3＋）时也不发射荧光，但是当加入20 equiv.的Zn2＋时，在444 nm处出现强的荧光发射（荧光强度增加350倍左右），溶液发出蓝绿色荧光.由此可见探针1对Zn2＋具有很高的荧光选择性和传感性.

图3（b）为探针1（20μmol／L）在乙腈中（λem＝444 nm）加入不同浓度的Zn2＋的荧光光谱滴定曲线，其中的插图为目标化合物在444 nm处随Zn2＋浓度变化的荧光变化曲线.由图可以看出，在444 nm处的荧光强度随Zn2＋浓度的增加逐渐增强，在Zn2＋浓度达到20 equiv.时荧光强度趋于稳定.通过Benesi－Hildebrand plots线性拟合分析可得Ka＝1.39×106M－1（R＝0.997），见图4（a）［15］.图4（b）为在含有20equiv.Zn2＋的乙腈溶液中，探针1（20μmol／L）在444 nm处的荧光强度随时间变化曲线.由图4（b）可见，探针1对Zn2＋的响应是瞬间发生的，并且随着时间的改变荧光强度仍保持一致.结果说明，探针1对Zn2＋具有响应速度快、选择性高的特点.

图3 荧光发射光谱（a）和荧光滴定光谱（b）

图4 （a）探针1与Zn2＋络合作用的线性拟合曲线；（b）探针1在乙腈中（20μmol／L）加入400μmol／L Zn2＋时的响应时间变化曲线：λex＝417 nm，λem＝444 nm

2.3 Zn2＋的识别机理

通过Job－plot分析（图5）和质谱分析 MS（EI）：m／z＝659.4（M＋）（图6）证实了目标化合物与Zn2＋结合的计量比为2∶1.探针1在稀溶液激发态主要以酮式为主，故几乎不发光.在基态2个探针分子利用2个sp2氮原子和2个酚氧负离子与Zn2＋络合，形成如三明治形状的络合物.在探针分子中可转移的质子的消失，阻止了探针分子的ESIPT过程，导致其荧光强度大大增强（见图7）.

图5 乙腈中探针1与Zn2＋作用的Job曲线

图6 主－客配合物（1＋Zn＋H）的质谱图

图7 探针1对Zn2＋的传感机理

3 结论

本文合成了具有ESIPT的苯并噻唑衍生物，并利用紫外吸收光谱和荧光发射光谱研究了探针的光物理性质和其对各种阳离子的传感识别.探针1在417 nm激发时，无荧光发射；当加入Zn2＋溶液，形成2∶1计量比的配合物时，通过阻止ESIPT过程使荧光强度增至350倍左右，从而达到对Zn2＋的识别.该探针对锌粒子具有响应时间快、灵敏度高和选择性好等特点，因此可以应用于环境中微量Zn2＋的检测.

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A rapid responsive and highly selective fluorescent probe for zinc ion

ZHANG Li－jun，YIN Bing－zhu＊
（KeyLaboratoryofNaturalResourcesoftheChangbaiMountain＆Functional Molecules（YanbianUniversity），MinistryofEducation，Yanji133002，China）

A 2－phenylbenzothiazole based fluorescent probe is synthesized and its recognition ability for various metal ions is tested by fluorescence and UV spectrophotometries.The resurts sho wthat the probe shows a highly selectivity and sensibility for Zn2＋over other various cations in acetonitrile solvent，so this method can achieve the detection of Zn2＋.The mechanism is proved that complexation of the probe with Zn2＋hindered the excited－state intramolecular proton transfer process which enhanced fluorescence intensity.

fluorescent chemosensor；2－phenylbenzothiazole；zinc cation detection；excited－state intramolecular proton transfer

O625.25

A

1004－4353（2012）01－0050－04

2012－02－27＊通信作者：尹炳柱（1952—），男，博士，教授，研究方向为超分子化学.

国家自然科学基金资助项目（21062022）；教育部博士点基金资助项目（20102201110001）