熒光探針2-硼酸基苯甲醛-(2′-羥基-4′-磺酸基)萘腙的合成及對Pb2+的識別

肖 敏, 吳芳英， 吳生彪

(1.南昌大學化學系,江西南昌 330031;2.南昌大學共青學院，江西九江 332020)

鉛是重金屬污染中毒性較大的一種，一旦進入人體將很難排除，會對神經、造血、心血管、腎臟和內分泌等多個系統產生嚴重傷害[1]。當成人血液中鉛的濃度達到400 μg/L時，就可確診為職業性鉛中毒；兒童血液中鉛濃度超過100 μg/L時，就會對他們的身體造成危害。因此微量鉛的測定[2 - 5]十分必要。常用的Pb2+定量測定方法有電感耦合等離子體質譜法[6]、電化學法[7]、原子吸收光譜法[8]和分子熒光光譜法[9]等。其中分子熒光光譜法以其低成本、高靈敏及簡便快捷等優勢成為檢測Pb2+的重要手段，但在已報道的方法中多數為熒光猝滅[10]，而熒光增強的文獻報道則相對較少，如Goswami等[11]合成了鄰二氮雜菲類熒光受體；XIAO[12]等合成了喹啉腙衍生物；Tan等[13]合成了基于納米金和脫氧核酶的熒光探針。它們均可結合Pb2+并出現熒光增強現象，由此建立了高選擇性識別Pb2+的熒光傳感體系。

圖1 主體2-BBHSNH的結構圖Fig.1 Structure of the host(2-BBHSNH)

硼酸衍生物具有低毒性及生物活性，其在糖類傳感器[14]方面的研究報道比較常見。但硼酸類衍生物用于金屬離子識別的文獻報道還較少。本文設計合成了2-硼酸基苯甲醛-(2′-羥基-4′-磺酸基)萘腙衍生物(2-BBHSNH)(結構式見圖1)。這種衍生物與前期合成的喹啉腙衍生物[12]相比，不僅保留了可與金屬離子結合的位點和可增強與金屬離子結合能力的硼酸基團，而且具有更好的水溶性，可實現水相中Pb2+的識別，據此建立了穩定的高選擇性識別Pb2+的熒光傳感體系，拓展了硼酸類衍生物在識別金屬離子方面的應用。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Hitachi F-4600型熒光光譜儀；Shimadzu 2501PC型紫外-可見分光光度計；Bruker Avance 600 MHz核磁共振儀，溶劑為D2O-d6，以TMS為內標；Waters ZQ4000/2695型液-質聯用儀；Nicolet 360 FT-IR光譜儀。

2-甲?；脚鹚豳徲贛atrix Scientific公司(含量>97%)；1-氨基-2-萘酚-4-磺酸購于國藥集團化學試劑有限公司；金屬離子溶液均為對應的硝酸鹽或硫酸鹽(分析純，上海青析化工科技有限公司)按常規法配制，濃度均為0.1 mol·L-1；pH=6.0的KH2PO4-NaOH緩沖溶液由0.1 mol·L-1NaOH和0.2 mol·L-1KH2PO4溶液按比例配制而成。其它所用試劑均為分析純。實驗用水為二次蒸餾水。

1.2 化合物2-BBHSNH的合成與表征

化合物2-BBHSNH的合成：稱取鄰甲酰苯硼酸0.15 g(0.001 mol)，以適量乙醇超聲溶解完全。稱取1-氨基-2-萘酚-4-磺酸0.24 g(0.001 mol)，用0.1 mol·L-1NaOH溶液使其溶解完全，再以36%乙酸中和至中性。將上述兩種溶液混合于50 mL圓底燒瓶中，在溫度80 ℃水浴條件下攪拌回流約3 h，有紫紅色結晶物從溶液中析出，繼續回流8～9 h，停止反應，冷卻過濾，產物先后用95%乙醇和蒸餾水洗滌數次，自然干燥后得最終產品，產率約為20%。

制得的目標產物2-BBHSNH經1H NMR和質譜確認。C17H12BNNaO6S[M-H]-質荷比(m/z)為392.05，在質譜中，觀察到了質荷比(m/z)為392.50處的[M-H]-質譜峰，可以推斷合成得到目標產物2-BBHSNH。

2-BBHSNH的合成路線如下：

1H NMR(D2O,600 MHz)(ppm):5.568(s,1H,-CH=N-),7.068(t,3H,Ar-H),7.187-7.242(m,1H,Ar-H),7.355(s,1H,Ar-H),7.355(s,1H,Ar-H),7.468(t,1H,Ar-H),7.561(d,1H,Ar-H),7.710(d,1H,Ar-H),8.354(d,1H,Ar-H)

1.3 主體化合物2-BBHSNH儲備液的配制

稱取0.0046 g的主體化合物2-BBHSNH，用蒸餾水溶解后轉移到25 mL容量瓶中定容，配成5.0×10-4mol·L-1的儲備液。

2 結果與討論

圖2 主體2-BBHSNH及加入各種金屬離子后的熒光光譜圖(a)和熒光強度變化圖(b)Fig.2 Fluorescence spectra(a) and intensity change(b) of the host 2-BBHSNH in the presence and absence of various metal ions The concentrations of the host 2-BBHSNH and metal ions are 5.0×10-6 mol/ L and 1.0×10-4 mol/ L,respectively.Reference solution is pH=6.0 KH2PO4-NaOH,λex =450 nm.

2.1 金屬離子對主體化合物(2-BBHSNH)熒光光譜的影響

圖2顯示了不同金屬離子存在時主體化合物2-BBHSNH的熒光光譜及熒光強度的變化。由圖可見，當加入20倍于主體濃度的Pb2+時，熒光強度增強了8倍，而加入同等量的其它金屬離子時光譜變化較小且趨勢不同，如Cu2+、Mn2+使其熒光強度略有增強，而加入Cd2+、Zn2+、Ag+、Fe3+、Ca2+、Co2+、Ni2+、Hg2+以及堿金屬離子和堿土金屬離子時主體2-BBHSNH的熒光光譜變化較小，表明主體2-BBHSNH對Pb2+具有高選擇性光譜響應。

2.2 主體2-BBHSNH與Pb2+配合物的吸收光譜及結合常數的測定

圖3為不同濃度Pb2+存在時主體2-BBHSNH在pH=6.0的KH2PO4-NaOH緩沖液中吸收光譜的變化。由圖可見，主體2-BBHSNH在溶液中最大吸收波長為520 nm，摩爾吸光系數為2.03×103L·mol-1·cm-1，Pb2+的加入使主體2-BBHSNH的最大吸收波長移至595 nm，但摩爾吸光系數降低；同時在419、450、578 nm處出現3個等吸收點。吸收光譜的劇烈變化表明了主體2-BBHSNH與Pb2+金屬配合物的形成。

依據主客體結合模型[15]，采用紫外-可見光譜滴定數據并結合下式計算主客體的結合常數與結合比：

H+nG=HGn

(1)

ln[(A0-Ae)/(Ae-A∞)]=nlnc0+lnKs

(2)

式中，H代表主體，G代表客體，n為二者的結合比，A0為無客體存在時主體試劑的初始吸光度，Ae為主體試劑與客體結合后的吸光度，A∞為主體試劑與客體結合后的飽和吸光度，Ks為結合常數，n為結合比。擬合曲線見圖4。

圖3 Pb2+不斷加入主體2-BBHSNH的吸收光譜Fig.3 Absorption spectra of the host 2-BBHSNH(5.0×10-5mol/L) upon the addition of Pb2+The concentration of Pb2+ according to the direction of arrow in turn is:0,0.05,0.10,0.15,0.25,0.30,0.40,0.50,0.60,0.70 and 0.80(×10-5 mol·L-1),respectively.Reference solution is pH=6.0 KH2PO4-NaOH.

圖4 ln[(A0-Ae)/(Ae-A∞)]對lncpb2+的擬合曲線圖Fig.4 Plot of ln[(A0-Ae)/(Ae-A∞)] vs.lncPb2+

圖5 2-BBHSNH與Pb2+可能的結合模式圖Fig.5 Proposed binding model between the host 2-BBHSNH and Pb2+

由圖4中的斜率與截距計算出主體2-BBHSNH與Pb2+的配位數n及結合常數Ks，該體系的n值接近于1，與Job-Plot實驗方法采取等摩爾連續變化法(保持主體2-BBHSNH與Pb(NO3)2溶液的總濃度為5.0×10-5mol·L-1，從0.0到1.0逐漸增加Pb2+的摩爾分數配制不同的溶液，測定熒光光譜，繪制Job-plot曲線)測定結果一致。故認為識別過程中主客體間形成了1∶1型配合物；結合常數為43 028.16 L·mol-1，由于鄰位硼酸基團參與鉛配合物的配位，故使其配位能力增強，該配合物可能的結合模式如圖5所示。

2.3 2-BBHSNH用于Pb2+的測定

2.3.1工作曲線在pH=6.0的KH2PO4-NaOH緩沖溶液中，以激發波長為450 nm，發射波長為568 nm，其相對熒光強度△F(△F=F-F0,F為配合物熒光強度，F0為試劑的熒光強度)與Pb2+濃度呈線性關系，Pb2+的線性范圍為5.0×10-7～1.0×10-4mol·L-1，校正方程為：△F=1.890c(μmol·L-1)+1.977，相關系數R=0.9983，檢出限為9.7×10-8mol·L-1。

2.3.3水樣中Pb2+的檢測采用標準加入法，運用本實驗方法對前湖校區湖水樣品中的Pb2+進行測定，結果見表1，回收率在111%～116%范圍內。

表1 前湖校區湖水樣品中的Pb2+ 測定結果(n=5)

3 結論

合成了2-硼酸基苯甲醛-(2′-羥基-4′-磺酸基)萘腙衍生物(2-BBHSNH)，該化合物顯示出對Pb2+高選擇性光譜響應，兩者形成1∶1型發光配合物。采用熒光光譜法和紫外吸收法研究了主體2-BBHSNH與Pb2+的相互作用。采用紫外-可見光譜滴定數據計算了主體2-BBHSNH與Pb2+的結合常數，結合常數顯示出主體2-BBHSNH與Pb2+的結合能力強，可能源于鄰位硼酸基團參與了Pb2+的配位作用，使得配合物穩定性增強，據此建立了測定Pb2+的新方法。該研究不僅拓展了硼酸類熒光傳感器在測定金屬離子方面的應用,而且因主體分子具有極好的水溶性，抗菌、抗病毒等生物活性，把它作為一種對環境友好型的Pb2+熒光傳感器，具有很好的應用前景。