羅丹明汞離子熒光探針的合成及光譜研究

1、2014 年第43 卷第4 期461石油化工PETROCHEMICAL TECHNOLOGY收稿日期 2013 - 11 - 18;修改稿日期 2014 - 01 - 20。 作者簡(jiǎn)介 張麗珠(1973,女,四川省成都市人,博士,副教授,電話 135*,電郵 zhanglizhu333 。聯(lián)系人:樊保敏,電話138*,電郵 adams.bmf 。 基金項(xiàng)目 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21162040,21162042。分析測(cè)試汞是一種危害人體健康的重金屬元素1,通常環(huán)境中的汞主要來(lái)自于火山噴發(fā)和地質(zhì)風(fēng)化,然而隨著工業(yè)化的不斷發(fā)展,環(huán)境中汞的排放則主要來(lái)自于人類(lèi)活動(dòng)。汞在自然界中主要以單質(zhì)汞、無(wú)機(jī)汞

2、和有機(jī)汞3種形式存在,通過(guò)生物的富集作用,進(jìn)到食物鏈中,人體吸收過(guò)量的Hg 2+后會(huì)導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)、肝、腎和腸道的損害,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)鹚劳?-3。因此,生物體和環(huán)境中Hg 2+的檢測(cè)十分重要。近年來(lái),檢測(cè)Hg 2+的方法主要有原子吸收-發(fā)射光譜法、分光光度法、高效液相色譜法、電化學(xué)法和熒光分析法等4-7。其中,熒光分羅丹明汞離子熒光探針的合成及光譜研究張麗珠1,于 璐1,梁 坤2,谷利軍1,樊保敏1,楊麗娟1(1. 云南民族大學(xué) 國(guó)家民委-教育部民族藥資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,云南 昆明 650500;2. 西南林業(yè)大學(xué) 理學(xué)院,云南 昆明 650224摘要 通過(guò)硫的親汞性和氨基硫脲衍生物能被Hg

3、2+轉(zhuǎn)化為胍衍生物的機(jī)理,合成了一種新的Hg 2+探針3,6-二乙氨基-2,7-二甲基-2-(N -氨基乙基螺異吲哚-1,9-呫噸-3-硫酮(R6G1?？疾炝颂结楻6G1的水溶性、光譜性能及其在水相中對(duì)常見(jiàn)離子的選擇性,測(cè)定了探針R6G1與Hg 2+的絡(luò)合比例和絡(luò)合常數(shù)。水溶液中金屬陽(yáng)離子選擇性測(cè)試結(jié)果表明,探針R6G1的水溶性好,能高選擇性地識(shí)別Hg 2+,該識(shí)別過(guò)程不受Fe 3+,Cu 2+,Al 3+,Cr 3+,Fe 2+,Mn 2+,Co 2+,Pb 2+,Mg 2+,Ca 2+,Cd 2+,Zn 2+,Ba 2+等金屬陽(yáng)離子和F -,Cl -,Br -等陰離子的干擾。紫外滴定結(jié)果表

4、明,探針R6G1與Hg 2+按11的化學(xué)計(jì)量比絡(luò)合。熒光滴定測(cè)試結(jié)果表明,探針R6G1識(shí)別Hg 2+的絡(luò)合常數(shù)lg K a =5.92。 關(guān)鍵詞 羅丹明;熒光探針;汞離子;光譜性能文章編號(hào) 1000 - 8144(201404 - 0461 - 05 中圖分類(lèi)號(hào) TQ 426.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 ASynthesis and Spectrum of Mercury Ion Fluorescent Probe Based on Rhodamine DyesZhang Lizhu 1,Yu Lu 1,Liang Kun 2,Gu Lijun 1,Fan Baomin 1,Yang Lijuan 1(

5、1. Key Laboratory of Chemistry in Ethnicmedicinal Resources ,State Ethnic Affaira Commission & Ministry of Education ,Yunnan University of Nationalities ,Kunming Yunnan 650500,China ;2. Faculty of Science ,Southwest Forestry University ,Kunming Yunnan 650224,China Abstract A Hg 2+ fluorescence probe

6、 ,3,6-diethylamino-2,7-dimethyl-2-(N -aminoethylspiro isoindoline-1,9-xanthene -3-thione(R6G1,was synthesized through the strong thionic affinitywith Hg 2+and the transformation of thiourea derivatives to guanidine derivatives by the promotion of Hg 2+. The water solubility ,spectrum and ion selecti

7、vity of R6G1 were investigated. The complexing ratio of Hg 2+ to R6G1 and the complexation constant were measured through fluorometric titration. The results showed that the probe R6G1 had high selectivity to Hg 2+ and good water solubility. The recognition process of R6G1 to Hg 2+ was not affected

8、by other metal ions such as Fe 3+,Cu 2+,Al 3+,Cr 3+,Fe 2+,Mn 2+,Co 2+,Pb 2+,Mg 2+,Ca 2+,Cd 2+,Zn 2+,Ba 2+,and anions such as F -,Cl -,Br -. Spectrophotometric titration indicated that the complex of Hg 2+ and R6G1 formed with the ratio of 11 and the complexation constant(lg K a was 5.92.Keywords rho

9、damine ; uorescent probe ;mercury ion ;spectral properties4622014 年第43 卷石油化工PETROCHEMICAL TECHNOLOGY析法因具有便捷、專(zhuān)一、靈敏和適時(shí)原位檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。雖然目前有關(guān)檢測(cè)Hg 2+的熒光探針報(bào)道8-12較多,且大多數(shù)Hg 2+探針都能做到單一地高選擇性和高靈敏度識(shí)別,但由于受到一些重要因素(如探針配體水溶性差等的限制,目前有關(guān)能在水相中檢測(cè)Hg 2+且不受溶液中陽(yáng)離子和陰離子干擾的探針的報(bào)道還較少9,13。本工作合成了一種新的Hg 2+探針3,6-二乙氨基-2,7-二甲基-2-(N -氨基乙

10、基螺異吲哚-1,9-呫噸-3-硫酮(R 6G 1;考察了探針R 6G 1的水溶性、光譜性能及其在水相中對(duì)常見(jiàn)離子的選擇性;測(cè)定了探針R 6G 1與Hg 2+的絡(luò)合比例及絡(luò)合常數(shù)。1 實(shí)驗(yàn)部分1.1 儀器與試劑400 MHz 型核磁共振儀:Brucker 公司;Saturn2200/2100型液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀和Cary Eclipse 型熒光分光光度計(jì):Varian 公司;8453型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì):Agilen 公司。羅丹明6G 、勞森試劑、甲苯、甲醇、二氯甲烷、水合肼:分析純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。1.2 探針R6G1的合成以羅丹明6G 為原料,利用硫的親汞性和氨基硫脲衍生物能被

11、Hg 2+轉(zhuǎn)化為胍衍生物的原理,合成了R 6G 1,合成路線見(jiàn)式(1。其中,3,6-二乙氨基-2,7-二甲基-2-(N -氨基乙基螺異吲哚-1,9-呫噸-3-酮(化合物按文獻(xiàn)15報(bào)道的方法合成。將5.5 g 化合物和2.5 g 勞森試劑加入到圓底燒瓶中,N 2保護(hù)下加入35 mL 甲苯,緩慢升溫至回流,6 h 后停止加熱,冷卻至室溫。蒸出甲苯,粗產(chǎn)物用體積比為1003的二氯甲烷和甲醇的混合溶液(作為洗脫液進(jìn)行柱層析,得到白色固體(即R 6G 11.53 g ,收率為26%。 Compound :3,6-diethylamino-2,7-dimethyl-2-(N -aminoethylspir

12、o isoindoline-1,9- xanthene -3-ketone ;R 6G 1:3,6-diethylamino-2,7-dimethyl-2-(N -aminoethylspiro isoindoline-1,9-xanthene -3-thione.2H 5+H2NH2HN H 2N3Lawessons reagents Rhdamine 6GCompound R6G1(1探針R 6G 1的1H NMR 表征結(jié)果(400 Hz ,CDCl 3,化學(xué)位移為:8.14(d ,J =2.4 Hz ,1H ,7.51(d ,J =1.6 Hz ,1H ,7.50(d ,J =3.6 H

13、z ,1H ,7.07(m ,1H ,6.35(s ,2H ,6.10(s ,2H ,3.61(t ,J=5.6 Hz ,2H ,3.20(m ,4H ,2.61(t ,J =6.0 Hz ,2H ,1.87(s ,6H , 1.32(t ,J =7.2 Hz ,6H 。探針R 6G 1的13C NMR 表征結(jié)果(100 Hz ,CDCl 3,為:168.8,153.9,151.8,147.6,132.6,131.4,128.5,128.2,124.0,123.0,118.2,106.3,96.7,65.2,44.1,40.9,38.5,16.9,14.9。M+H +=473.2。1.3 光譜

14、實(shí)驗(yàn)經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),探針R 6G 1具有良好的水溶性,這為探針R 6G 1在水體系中的應(yīng)用提供了可能。因此,探針R 6G 1的熒光光譜和紫外吸收光譜均在三羥甲基氨基甲烷(Tris -HCl (pH=7的緩沖溶液中測(cè)試。溶液中探針R 6G 1的濃度為5 mol/L ,加入的各離子的濃度為200 mol/L 。激發(fā)波長(zhǎng)為510 nm ,激發(fā)狹縫為2.5 nm ,發(fā)射狹縫為5 nm 。2 結(jié)果與討論2.1 離子的選擇性和光譜性能測(cè)試探針R 6G 1是按照硫的親汞性設(shè)計(jì)合成的,因此在濃度為5 mol/L 的R 6G 1溶液中加入濃度為200 mol/L 的Hg 2+,Fe 3+,Cu 2+,Al 3+,C

15、r 3+,Fe 2+,Mn 2+,Co 2+,Pb 2+,Mg 2+,Ca 2+,Cd 2+,Zn 2+,Ba 2+,K +,Ni 2+,以考察探針R 6G 1的離子選擇性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可見(jiàn),加入Hg 2+后R 6G 1的熒光強(qiáng)度顯著增強(qiáng),加入Fe 3+和Cu 2+后R 6G 1的熒光強(qiáng)度略有增強(qiáng),而加入其他金屬離子對(duì)R 6G 1的熒光強(qiáng)度幾乎無(wú)影響。這與本工作的設(shè)計(jì)理念吻合。水相中Hg 2+濃度變化與探針R 6G 1相互作用的熒光滴定曲線見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn),未加入Hg 2+時(shí),463第4 期R 6G 1的熒光強(qiáng)度幾乎為零,表明此時(shí)探針R 6G 1為閉環(huán)狀態(tài)。加入Hg 2+后,在56

16、6 nm 處出現(xiàn)一個(gè)新的 熒光特征峰,且熒光強(qiáng)度隨Hg 2+濃度的增大而增強(qiáng),表明R 6G 1內(nèi)酰胺結(jié)構(gòu)的打開(kāi)產(chǎn)生了熒光,且熒光強(qiáng)度的增幅與Hg 2+濃度呈線性關(guān)系,溶液顏色也由無(wú)色逐漸變成粉紅色。 由圖4(a 可見(jiàn),在濃度為5 mol/L 的R 6G 1溶液中加入濃度為200 mol/L 的其他金屬陽(yáng)離子后,熒光強(qiáng)度幾乎沒(méi)有變化,之后再加入Hg 2+,熒光強(qiáng)度顯著增強(qiáng);除Cu 2+,Al 3+,Cr 3+,Fe 3+外,加入其他金屬陽(yáng)離子后R 6G 1的熒光強(qiáng)度的增幅與單獨(dú)加入Hg 2+后R 6G 1的熒光強(qiáng)度的增幅相同,表明其他金屬陽(yáng)離子的存在未干擾R 6G 1對(duì)Hg 2+的檢測(cè)。而Cu

17、2+,Al 3+,Cr 3+,Fe 3+的加入使得R 6G 1的熒光強(qiáng)度顯著增強(qiáng)則可能是因?yàn)楦邼鈭D1 探針R6G1的離子選擇性Fig.1 Ion selectivity of the probe R6G1.(Ion=200 mol/L and (R6G1=5 mol/L in solution.1 Hg 2+;2 Fe 3+;3 Cu 2+;4-17 Blank ,Al 3+,Cr 3+,Fe 2+, Mn 2+,Co 2+,Pb 2+,Mg 2+,Ca 2+,Cd 2+,Zn 2+,Ba 2+,K +,Ni 2+05F l u o r e s c e n c e i n t e n s i

18、t y 234 171Wavelength/nm550500650600700圖2 水相中Hg 2+濃度變化與探針R6G1相互作用的熒光滴定曲線Fig.2 Fluorometric titration curves of the interaction between the probe R6G1 and Hg 2+ concentration change in aqueous solution.(Ion=200 mol/L and (R6G1=5 mol/L in solution.c (Hg 2+/(mol L -1:a 0;b 0.5;c 1.0;d 1.5;e 2.0;f 2.5;g

19、 3.0;h 3.5;i 4.0;j 4.5;k 5.0;l 10.0F l u o r e s c e n c e i n t e n s i t y Wavelength/nm為考察探針R 6G 1與Hg 2+的絡(luò)合比例和檢測(cè)靈敏度,測(cè)試了探針R 6G 1與Hg 2+結(jié)合的紫外吸收光譜的Job -Plot 曲線(見(jiàn)圖3和絡(luò)合常數(shù)(K a 。由圖3可見(jiàn),R 6G 1與Hg 2+是按11的化學(xué)計(jì)量比絡(luò)合的?；诖私j(luò)合比例,計(jì)算得到lg K a =5.92,表明探針R 6G 1具有較高的靈敏度。為考察其他金屬陽(yáng)離子和陰離子對(duì)探針R 6G 1鑒別Hg 2+的影響,還進(jìn)行了其他金屬陽(yáng)離子和陰離子的干

20、擾實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。圖3 R6G1與Hg 2+結(jié)合的紫外吸收光譜的Job-Plot 曲線Fig.3 Job-Plot curves of the ultraviolet absorption spectrum ofR6G1 and Hg 2+.A b s o r p t i o n c (Hg 2+c (Hg 2+R6G1圖4 金屬陽(yáng)離子和陰離子對(duì)Hg 2+識(shí)別的干擾Fig.4 Competition experiments of Hg 2+ with other metallic ions and anions.(Ion=200 mol/L and (R6G1=5 mol/L in so

21、lution.Hg 2+ other ions ; OtherionsHg Cu 2+Al Cr 3+Fe Fe 2+Mg Zn 2+Mn Ca 2+Pb Cd 2+Co Ba 2+K NiF l u o r e s c e n c e i n t e n s i tyF l u o r e s c e n c e i n t e n s i t yH 2PO 3Hg NO2-F MoO 42-HCO 3SO 32-Br SO42-I Cl 張麗珠等. 羅丹明汞離子熒光探針的合成及光譜研究4642014 年第43 卷石油化工PETROCHEMICAL TECHNOLOGY 度下,這4種金屬陽(yáng)離

22、子發(fā)生水解使緩沖能力有限的Tris -HCl 溶液的pH 略有降低,較低的pH 使得R 6G 1的酰胺結(jié)構(gòu)部分開(kāi)環(huán),從而導(dǎo)致熒光強(qiáng)度增強(qiáng)。由圖4(b 可見(jiàn),添加陰離子后,除I -的加入使熒光強(qiáng)度下降外,其他陰離子對(duì)熒光強(qiáng)度的影響不大,而I -的加入使熒光強(qiáng)度下降可能是由于I -與Hg 2+形成了HgI 42+,從而使Hg 2+無(wú)法正常與R 6G 1結(jié)合所致,這與文獻(xiàn)12報(bào)道的結(jié)果基本一致。2.2 體系pH 對(duì)探針R6G1的影響考察體系pH 對(duì)探針R 6G 1和R 6G 1識(shí)別Hg 2+后熒光強(qiáng)度的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5可見(jiàn),探針R 6G 1在較寬的pH 范圍(3.512.0內(nèi)主要以螺環(huán)形

23、式存在,其水溶液既無(wú)顏色又無(wú)熒光,通過(guò)Sigmoidal 擬合計(jì)算得p K a =2.520.07,表明探針R 6G 1是一種對(duì)pH 不敏感的熒光分子。由圖5還可見(jiàn),當(dāng)R 6G 1識(shí)別Hg 2+后,盡管熒光強(qiáng)度變化較大,但并不影響探針在酸性和中性環(huán)境中對(duì)Hg 2+的識(shí)別,該測(cè)試結(jié)果為探針R 6G 1在實(shí)際環(huán)境中的應(yīng)用創(chuàng)造了很好的條件。2.3 反應(yīng)機(jī)理的探討為進(jìn)一步研究探針R 6G 1與Hg 2+的絡(luò)合機(jī)理,根據(jù)文獻(xiàn)14報(bào)道的氨基硫脲衍生物能被Hg 2+轉(zhuǎn)化為胍衍生物的機(jī)理,可以推測(cè)出R 6G 1與Hg 2+進(jìn)行絡(luò)合反應(yīng)的可能機(jī)理(見(jiàn)圖6,即隨Hg 2+的加入,Hg 2+與S 結(jié)合生成HgS 沉

24、淀,從而得到3,6-二乙氨基-2,7-二甲基-2-(N -苯基-6H -呫噸咪唑(R 6G 3,并對(duì)R 6G 3進(jìn)行了MS 表征,從表征結(jié)果可確定所得產(chǎn)物為R 6G 3。F l u o r e s c e n c e i n t e n s i t y System pH圖5 R6G1和R6G1+Hg 2+的pH 滴定結(jié)果Fig.5 pH titrations of the R6G1 system and the R6G1+ Hg 2+ system.R6G1; R6G1+ Hg 2+ 圖6 R6G1與Hg 2+進(jìn)行絡(luò)合反應(yīng)的可能機(jī)理Fig.6 Proposed mechanism for t

25、he complexing reaction of R6G1 with Hg 2+.R6G3:3,6-diethylamino-2,7-dimethyl-2-(N -phenyl-6H- xanthenesimidazole.2Hg 2+R6G1R6G3M +:439.23 結(jié)論1以羅丹明6G 為原料,利用硫的親汞性設(shè)計(jì)合成了Hg 2+探針R 6G 1,并對(duì)R 6G 1進(jìn)行了1H NMR ,13C NMR ,MS 表征,證明合成產(chǎn)物為所設(shè)計(jì)的目標(biāo)化合物。2測(cè)試探針R 6G 1對(duì)離子的選擇性時(shí)發(fā)現(xiàn),R 6G 1能在水相中檢測(cè)Hg 2+,與Hg 2+結(jié)合后熒光強(qiáng)度顯著增強(qiáng);R 6G 1與Hg 2+

26、的絡(luò)合常數(shù)lg K a =5.92,表明探針R 6G 1在水溶液中的選擇性好,靈敏度高且不受其他金屬陽(yáng)離子的干擾。參 考 文 獻(xiàn)1 Wolfe M F ,Schwarzbach S ,Sulaiman A. Effects of Mercuryon Wildlife :A Comprehensive Review J . Environ Toxicol Chem ,1998,17(2:146 - 160.2 Renzoni A ,Zino F ,Franchi E. Mercury Levels Along theFood Chain and Risk for Exposed Populati

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