基于安替比林结构的新型比色-荧光探针的合成及对铜离子的选择性识别

黄辉，郑明豪，王瑞祥，李立清，李娟华，刘昆明

（江西理工大学材料冶金化学学部，江西 赣州341000）

0 引 言

铜作为一种常见的重金属元素，对生态环境和人体健康具有重要影响。选矿、冶金、电力和信息工程等领域所产生的含铜尾渣和废水，排放到环境中后，经生物体富集，最终在人体内形成超标的铜离子，引起神经系统失调和代谢紊乱，从而导致各种疾病，如帕金森病、缅克斯(Menkes)综合征、威尔森氏（Wilson）综合征、阿尔茨海默病等[1]。因此，对环境中铜离子含量的检测具有重要意义。

尽管目前已发展出原子吸收光谱法、电感耦合等离子质谱法、表面增强拉曼光谱法等多种检测方法[2-5]，但大多需要昂贵的测试仪器和专业的检测人员，且无法实现实时检测。相对而言，化学探针法因其具有高灵敏度、操作便捷和响应速度快的优点，在金属离子检测中得到广泛应用[6-8]，如Bayindir等基于罗丹明结构合成了汞离子和铜离子探针[9]；Ye等发展了一种基于氟硼吡咯（BODIPY）结构的近红外荧光探针，加入铜离子后，引起荧光发射峰的红移和荧光淬灭现象，具有高选择性和灵敏度[10]。此外，利用其他荧光基团如吲哚鎓、香豆素、萘酰亚胺等合成的铜离子荧光探针也有报道[11-13]。

安替比林衍生物被广泛用来治疗急性关节炎、头痛、肿瘤等疾病[14]，也常用作光度法测定醇、苯酚、胺及其同系物的显色剂。近年来，人们发现安替比林席夫碱具有激发态分子内质子转移（ESIPT）效应，其中的C=N键在激发态下易发生异构化，导致荧光较弱。当金属离子与其发生络合后，将阻碍异构化过程，引起荧光强度的变化。Zhou等[15]、Niu等[16]、晋卫军等[17]、朱维菊等[18]先后合成了基于安替比林席夫碱结构的铝离子、铁离子和铜离子荧光探针。本文利用4-氨基安替比林和5-苯乙炔基水杨醛合成了一种新型席夫碱探针，实现了对铜离子的比色-荧光双通道识别。与报道的探针相比，苯乙炔结构的引入有利于增强探针的共轭结构，提高探针的吸光性能。同时，苯乙炔和席夫碱中流动的电子桥能够调节探针的配位性能，有利于提高探针对金属离子的选择性识别能力。

1 实 验

1.1 仪器与试剂

仪器：全数字化核磁共振谱仪，AV 400，瑞士Bruker公司；紫外可见分光光度计，UV-6300，上海美谱达仪器有限公司；荧光光谱仪，F-4600，日立高科技公司；傅里叶红外光谱仪，Vario EL.Ш，德国Elementar公司。

试剂：4-氨基安替比林、5-溴水杨醛、苯乙炔、二（三苯基膦）二氯化钯、三苯基膦、碘化亚铜、四氢呋喃、三乙胺、乙醇及金属硝酸盐等均为分析纯试剂（购自北京伊诺凯科技有限公司），实验用水为去离子水。

1.2 探针的合成与表征

探针L的合成路线如图1所示，相关产物的结构通过1H NMR及FTIR表征得以确证。

1）5-苯乙炔基水杨醛的合成

在100 mL三口烧瓶中，加入5-溴水杨醛（2.010 g，10 mmol）、碘化亚铜（0.038 g，0.2 mmol）、三苯基磷 （0.052 g，0.2 mmol）、Pd（PPh3）2Cl2（0.070 g，0.1 mmol），用15 mL三乙胺和 20 mL四氢呋喃的混合溶液溶解。通氮气15 min后，在氮气保护下将1.53 g（15 mmol）的苯乙炔加入三口烧瓶中。回流8 h，TLC监测原料 5-溴水杨醛反应完全，冷却后过滤，用5 mL乙酸乙酯洗涤滤渣。合并滤液，浓缩得棕黄色固体，再用无水乙醇∶石油醚=1∶1的混合溶液重结晶，得黄色晶体1.98 g，产率89.1%。1H NMR （400 MHz，CDCl3） δ 11.12 （d，J=1.52 Hz，1H），9.90 （d，J=2Hz，1H），7.76 （d，J=1.2 Hz，1H），7.68 （d，J=5 Hz，1H），7.53～7.51（m，2H），7.36～7.26（m，3H），6.99 （d，J=8 Hz，1H）。 IR（KBr） υ（cm-1）：3454，2700，2200，1655，800，688。

图1 探针L的合成路线

2）探针L（4-氨基安替比林缩5-苯乙炔基水杨醛席夫碱）的合成

50 mL三口烧瓶中加入5-苯乙炔基水杨醛（0.555 g，2.5 mmol）和 4-氨基安替比林（0.506 g，2.5 mmol），再加入 25 mL无水乙醇溶液溶解。回流2.5 h，生成棕色沉淀。TLC监测原料反应完全，趁热过滤。滤渣用无水乙醇∶石油醚=1∶1的混合溶液重结晶，得棕红色针状晶体0.75 g，产率 73.4%。1H NMR （400 MHz，CDCl3） δ11.68 （s，1H），8.25 （d，J=2.04 Hz，1H），7.77～7.27 （m，10H），7.13～7.11（d，J=8.6 Hz，1H）。 IR （KBr） υ（cm-1）：3444， 2700，2280，1650，1300，900，550。

1.3 光谱测试实验

1）储存液的配制

准确称取 0.0019 g探针，用乙醇溶解，配制成10-4mol/L的溶液。称取一定质量的常见金属离子（Cu2+、Mg2+、Zn2+、Co2+、Al3+、Fe3+、Ce4+、Ni2+、Pb2+、Ag+、Sr2+）的硝酸盐，用去离子水作为溶剂，配制成10-4mol/L的溶液。

2）光谱测定

金属离子选择性识别测试：用移液枪移取0.1 mL探针和0.1 mL金属离子溶液于比色皿中，用去离子水稀释至10 μmol/L。通过紫外光谱和荧光光谱分别测试探针对金属离子的选择性识别能力。

紫外及荧光滴定测试：用移液枪移取0.1 mL探针溶液，再分别加入0～2.0 equiv.的Cu2+溶液，用去离子水稀释至 Cu2+最终浓度为 0、2、4、6、8、10、12、14、16、20 μmol/L的测试液，进行紫外光谱和荧光光谱测试。

紫外-可见分光光度计检测参数：电压 250 V，扫描精度0.5 nm，扫描速度 10 nm/s。

荧光光谱检测参数：扫描速度240 nm/min，狭缝宽度10.0 nm，电压400 V，激发波长300 nm。

2 结果与讨论

2.1 紫外光谱

图2为向探针溶液中加入不同金属离子的紫外-可见光谱。由图2可见，空白探针溶液的最大吸收峰在360 nm处。当向探针溶液加入Cu2+后，360 nm处的吸光度减弱，吸收峰红移至415 nm。同时，可由肉眼观察到溶液迅速由无色变为黄色（图2插图）。同等条件下，除了Sr2+和Fe3+的吸收峰能观察到微弱的红移外，其他金属离子均无明显的响应。由此可见，该探针具有“裸眼”识别Cu2+的功能，可作为高选择性比色探针。

图2 探针加入不同金属离子的紫外-可见吸收光谱及颜色变化

Cu2+对探针的紫外-可见吸收光谱滴定如图3所示。由图3可见，随着Cu2+浓度的升高，360 nm处吸收峰的强度不断减弱，415 nm处吸收峰的强度逐渐增大。工作曲线表明，在Cu2+浓度为0～14 μmol/L范围内，415 nm处吸收峰的强度与Cu2+浓度呈线性增大的关系（R2=0.9977），从中可得探针对 Cu2+的检测限为 1.3 μmol/L（图 3插图）。此外，在390 nm处可观察到较明显的等吸点，表明探针与铜离子形成了稳定的配合物。由于这种配合作用破坏了探针的分子内氢键，使酚羟基氧原子上的电子云密度增大，导致紫外光谱出现红移。

图3 Cu2+（0-2 equiv.）对探针的紫外-可见光谱滴定

2.2 荧光光谱

探针及添加不同金属离子后的荧光光谱见图4。由图4可见，空白探针分子400 nm和533 nm处出现双峰，可观察到明显的Stokes位移。这是由于探针分子的烯醇式异构体受到激发后，跃迁至单线激发态，随即迅速发生分子内质子转移（ESIPT），得到酮式异构体单线激发态，在返回基态的过程中发出荧光。由于酮式异构体激发态和基态间的能量间隙更低，因此发出的荧光波长更长，从而展现出更大的Stokes位移[19]。当铜离子加入探针后，由于配合作用阻碍了探针分子的互变异构，从而破坏了ESIPT效应，因此Stokes位移减小，同时在504 nm处的发射峰强度明显增强。同等条件下，除了Zn2+的发射峰有微弱增强外，其他金属离子均无明显响应。

图4 探针对不同金属离子的荧光选择性

Cu2+对探针的荧光光谱滴定如图5所示。从图5可见，随着Cu2+浓度的增大，Stokes位移逐渐减小，504 nm处的荧光强度逐渐增强。当Cu2+浓度增大至14 μmol/L时，荧光强度基本不变。工作曲线表明， 在 Cu2+浓度 2～14 μmol/L 范围内，504 nm 处的荧光强度与Cu2+浓度具有良好的线性关系，线性相关指数R2=0.9968。在信噪比（S/N=3）时，探针对Cu2+的检测限为 0.29 μmol/L。

图5 Cu2+（0-2 equiv.）对探针的荧光光谱滴定

为了进一步探究探针与Cu2+的配合方式，配制总浓度为 20 μmol/L，[Cu2+]/ （[Cu2+]+[L]） 为 0～0.9的测试液，进行荧光光谱测定，取504 nm处荧光强度作图，所得Job’s plot如图6所示。从图6可见，当Cu2+与探针配合比为1∶1时，荧光强度最大。据此，可以推测络合机理为Cu2+与探针分子中酚羟基的O、亚胺中的N和安替比林结构中的羰基配位，形成同时具有六元环和五元环结构的配合物，导致荧光增强（图7）。

图6 Cu2+与探针的 Job’s plot曲线

图7 Cu2+与探针的络合机制

2.3 共存离子的干扰实验

共存离子对探针性能的影响如图8所示，尽管Zn2+、Al3+、Ce4+等几种离子能引起 504 nm 处的荧光强度微弱增强，但向体系中加入Cu2+后，荧光强度均大幅增加。对于其他离子，除了Co2+和Ni2+的测试液会减弱504 nm处荧光强度外，其他测试液均可观察到明显的荧光增强。由此可见，在常见金属离子存在的情况下，探针对Cu2+的识别具有较强的抗干扰性。

图8 不同金属离子对探针荧光识别Cu2+的影响

3 结 论

本文设计合成了一种基于安替比林结构的新型席夫碱探针，并通过1H NMR、IR等对探针结构进行了确证。分别通过紫外光谱和荧光光谱考察了该探针在乙醇-水溶液中对 Cu2+、Mg2+、Zn2+、Co2+、Al3+、Fe3+、Ce4+、Ni2+、Pb2+、Ag+、Sr2+金属离子的识别能力，结果表明，该探针能通过比色和荧光对Cu2+进行特异性识别。此外，该探针还具有检测限低、抗干扰能力强等优点，有望成为一种实用的Cu2+检测手段。