反应型汞离子荧光探针的合成及性能

石治川，田庆勤，赵志刚

（西南民族大学化学与环境学院国家民委化学基础重点实验室，四川成都 610041）

汞是自然环境中毒性最高的金属之一［1］，根据毒代动力学特性，汞分为元素形式、二价无机形式和有机汞3 类。Hg2+（无机形式）是水生环境中最稳定的形式，具有致癌性、高溶解性、细胞毒性［2］，长期摄入会损害人体的神经系统［3-4］。印染废水中含有大量的染料、助剂、酸碱、无机盐等，是难处理的工业废水。如果纺织物在丝光过程中使用工业氢氧化钠溶液，在生产过程中会产生汞盐，进而使丝光废水含有汞离子。传统的检测法大多不适用于现场实时测定，且需要昂贵的设备支持和复杂的样品前期制备［5］。荧光法因操作简便可实时监测，因此受到人们的青睐［6-9］。香豆素具有大的摩尔消光系数、相对较长的激发和发射波长以及较高的量子效率，分子结构中包含氢键供体（O—H）和氢键受体（），能够发生分子内质子转移，显示出激发态分子内质子转移（ESIPT）荧光［10-12］。硫缩醛基团可以被Hg2+选择性脱硫，从而形成相应的醛和汞化合物。本课题设计并合成了一种将硫缩醛基团引入香豆素衍生物的反应型“开-关”荧光探针（L2），同时考察其在汞离子识别方面的性能。

1 实验

1.1 试剂及仪器

试剂：二氯甲烷、1,2-乙二硫醇、三氟化硼乙醚(BF3∙Et2O)、乙酸盐、硝酸盐、乙醇（均为分析纯，成都市科龙化工试剂厂），中间体1 和2（参照文献［13］合成），实验用水为去离子水。

仪器：FINNIGAN-LCQ DECA 质谱仪、IR200傅里叶变换红外光谱仪（美国赛默飞公司），400 MHz 核磁共振仪（美国安捷伦公司），Vario MICRO 自动元素分析仪（德国Elementar 公司），WRS-1B 型数字熔点仪（上海精密仪器仪表有限公司），TU-1901 双光束紫外-可见光分光光度计、NEX UP1000 超纯水机（北京普析通用仪器公司），Dual-FL 快速荧光光谱仪（日本HORIBA 公司），PHSJ-4F 型pH 计（上海雷磁公司）。

1.2 荧光分子的制备

向中间体2（204 mg，1 mmol）的二氯甲烷溶液（10 mL）中加入1,2-乙二硫醇（84.9 μL，1 mmol），随后加入数滴催化剂(BF3∙Et2O)，在室温（25 ℃）下搅拌，用薄层色谱法（TLC）监测。反应完成后，将所得混合物碱化，用二氯甲烷（50 mL）萃取、分离、干燥、浓缩，柱层析纯化，得到产物L2（114 mg）。反应式如下：

1.3 溶液的配制

将不同重金属离子采用乙酸盐或硝酸盐配制成1×10-3mol/L 的去离子水溶液，L2 储备溶液用DMSO溶解，乙醇水溶液（体积比1∶1）定容到1×10-3mol/L。测定条件：激发光369 nm，狭缝宽2 nm，波长扫描范围390～750 nm。

1.4 测试

收率=实际产量/理论产量×100%。

IR：用傅里叶变换红外光谱仪测试，KBr压片。

NMR：采用CDCl3溶解，Me4Si作为内标。

分子质量：用质谱仪测试，甲醇溶解后用ESI 源正离子模式。

元素分析：取2 mg 样品，用自动元素分析仪测试，平行测定3次，取平均值。

2 结果与讨论

2.1 荧光分子的表征

荧光分子为白色固体，收率为40.7%，熔点为234～235 ℃。IR（KBr，v，cm-1）：3 299、2 982、2 959、2 929、1 705、1 607、1 934、1 309、1 061、852。1H NMR（CDCl3，400 MHz），δ=10.96（s，1H，OH）、7.55（d，J=8.8 Hz，2H，ArH）、6.86（d，J=8.8 Hz，2H，ArH）、6.33（s，1H，S—CH）、6.18（d，J=8.8 Hz，2H，ArH）、3.90～3.83（m，2H，CH2）、3.42～3.37（m，2H，CH2）、2.37（s，3H，CH3）；13C NMR（CDCl3，100 MHz），δ=160.17、158.59、154.43、153.07、125.96、114.84、112.97、112.59、110.48、42.48、41.36、18.81。ESI-MS，m/z=281.84［M+1］+。C13H12O3S2理论值为C 55.69，H 4.31，实测值为C 55.81，H 4.30。

2.2 荧光探针识别Hg2+的紫外-可见吸收光谱

由图1 可知，随着溶液的Hg2+浓度（0～80 μmol/L）不断增加，L2 在272 nm 处的吸收带逐渐增强，表明L2 与Hg2+发生相互作用，改变了荧光探针分子能级差的特点，吸收峰强度发生变化。

图1 100 μmol/L L2 的紫外-可见吸收光谱

2.3 荧光探针识别Hg2+的选择性

在乙醇水溶液中分别加入L2（10 μmol/L）和不同的金属阳离子（10 μmol/L），定容至10 mL，测定荧光强度。由图2 可知，L2 在451 nm 处显示出非常强的蓝色荧光，当加入Hg2+后，荧光强度立即淬灭，蓝色荧光消失。相反，在相同条件下添加其他金属离子（Cu2+、Fe3+和Ni+除外）后，没有检测到明显的荧光强度变化。Cu2+、Fe3+和Ni+是常见的荧光淬灭离子，加入后荧光强度下降15.2%～42.8%，但是荧光强度仍然可以达到9 102～5 870 a.u.，肉眼可见强烈的蓝色荧光，表明L2是一种高选择性的Hg2+荧光探针。

图2 L2 加入不同金属阳离子的荧光光谱

2.4 pH 对荧光探针识别Hg2+的影响

由图3可知，当pH 小于6或大于10时，L2的荧光强度急速减弱，原因是在强酸或强碱条件下探针容易分解，导致荧光失活。加入Hg2+后，L2在pH 为6.15～9.96 时有效地淬灭了溶液的荧光；pH 大于8 时，荧光强度缓慢增强，这是因为体系中的Hg2+在碱性条件下会先和OH-结合，稀释了L2-Hg2+。表明L2 在相对较宽的pH 范围（6.15～9.96）内对Hg2+的识别度高。

图3 pH 对L2（10 μmol/L）识别Hg2+（10 μmol/L）的影响

2.5 荧光滴定及检出限

由图4 可知，随着Hg2+浓度（0～11 μmol/L）的增加，L2（10 μmol/L）的荧光强度显著降低。当c（Hg2+）/c（L2）=0～1.1 时，L2 的荧光强度与Hg2+浓度之间具有良好的线性相关性（R2=0.991 6）。根据3σ方法［LOD（检出限）=3σ/K，其中σ代表空白溶液的标准偏差，K代表图中标准曲线的斜率］得到L2 对Hg2+的LOD 达到5.9 nmol/L，表明L2 可以潜在地用于化学品中Hg2+的痕量检测。

图4 不同Hg2+浓度时L2 的荧光光谱及线性拟合（λem=451 nm）

2.6 荧光探针识别Hg2+的抗干扰性

由图5 可知，当Hg2+与其他金属离子共存时，L2的荧光强度都会急剧减小，和只加Hg2+时的荧光强度相近。这表明L2 对Hg2+的识别具有良好的荧光响应和优异的抗干扰能力，是一种具有潜在应用价值的Hg2+荧光探针。

图5 共存离子的影响

2.7 探针L2与Hg2+反应机理探究

由图6 可看出，在存在Hg2+的情况下，亚甲基（δ=3.40 和3.80）和次甲基（δ=6.18）的峰消失，而在δ=11.17 处形成新的醛氢单峰。这表明Hg2+与L2 结合后发生反应，导致脱硫并形成相应的醛。基于此提出一种Hg2+促进硫缩醛化合物水解脱硫机理（反应式如下）。当添加Hg(NO3)2后，Hg2+与探针L2 的硫原子配位导致硫缩醛上的碳原子活化，活化碳原子被水分子攻击得到相应的醛。

图6 探针L2 与Hg2+的核磁滴定

3 结论

以香豆素为母体，设计并合成一种用于检测Hg2+的香豆素衍生的二硫缩醛反应型荧光探针（L2）。在pH 为6.15～9.96 时，L2 能够特异性地识别Hg2+，浅蓝色荧光发射猝灭表现出明显的“开-关”荧光行为，最低检出限为5.9×10-9mol/L，可以进一步用于化学和环境系统水样中低浓度Hg2+的检测。