喻艷華, 付 成

(江漢大學 交叉學科研究院，湖北 武漢 430056)

用基于苯并噻二唑衍生物的比率熒光化學傳感器檢測氟離子

喻艷華*, 付 成

(江漢大學 交叉學科研究院，湖北 武漢 430056)

研制了一種用于靈敏、快速地檢測溶液中的氟離子的基于苯并噻二唑衍生物的熒光傳感器. 4,7-二溴-2,1,3-苯并噻二唑與三甲基硅基乙炔通過Sonogashira偶聯(lián)反應得到二取代的三甲基硅基乙炔苯并噻二唑；將該化合物用于檢測氟離子，分析了檢測靈敏度和選擇性. 結(jié)果表明，在乙腈和水(V/V= 9∶1)混合溶液中，合成的苯并噻二唑衍生物的最大發(fā)射波長峰值為455 nm (激發(fā)波長為376 nm)；就所測試的F-，Cl-，Br-， I-， ClO4-，AcO-，NO3-，H2PO3-，CN-和HSO4-等陰離子而言，僅F-可以脫除三甲基硅保護基使得該化合物熒光最大發(fā)射波長藍移至435 nm，熒光強度降低60%，且最低檢測限可達4.5×10-8mol/L. 因此，二取代的三甲基硅基乙炔苯并噻二唑應用于氟離子檢測具有很好的靈敏度和選擇性.

苯并噻二唑；熒光化學傳感器；氟離子；檢測

氟是人體所必需的微量元素之一，在形成骨骼組織、牙齒釉質(zhì)以及鈣磷的代謝等方面都起著無可替代的作用[1-2],但如果攝入過量的氟可導致慢性或急性中毒，例如氟斑牙，氟骨病，胃和腎功能損害等[3-4],因此發(fā)展快速、高效的氟離子檢測方法在近幾十年受到極大的重視[5]. 目前常用來檢測氟離子的方法主要有氟離子選擇電極法[6]、離子色譜法[7]、氟試劑比色法等[8]. 這些方法的優(yōu)點是靈敏度高、選擇性好，但是大多對樣品要求高，需要用到的儀器昂貴，單個樣品測定時間長，并且需要熟練的操作人員，不能滿足環(huán)境監(jiān)測中高效、低成本的需要.

化學熒光傳感器和熒光探針以其優(yōu)異的化學和生物作用性能而備受重視[9-10]. 熒光傳感器法是以熒光為手段，運用受體和外來物種之間的特異結(jié)合，實現(xiàn)對待檢測物種的定性或定量分析. 該方法具有檢測限低、靈敏度高、抗干擾能力強、樣本處理方便、成本低廉等優(yōu)點，因而受到國內(nèi)外學者的關注. 現(xiàn)在很多報道的檢測氟離子的熒光傳感器主要是將氟離子與其進行絡合，使其熒光發(fā)生猝滅[11-13]，利用熒光基團的強度變化和氟離子濃度之間的關系來達到檢測的目的，此類方法很容易受到激發(fā)和發(fā)射光相對強度的影響. 熒光比率法是通過兩個波長熒光強度的比值變化檢測目標物，可以通過自我校正消除不定因素的影響，所以比率法是目前檢測離子的最佳選擇. 運用比率法檢測氟離子的報道較少[14-17]，本文作者報道了一種基于含有三甲基硅基乙炔苯并噻二唑衍生物的新型比率熒光化學傳感器用來檢測氟離子. 其原理是氟離子能夠定量的脫除三甲基硅基保護基，使其熒光發(fā)射光譜藍移20 nm，并且伴隨熒光強度降低. 此方法可以定量、快速的檢測氟離子，最低檢測限達到4.8 × 10-8mol/L.

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

LAMBDA 25型紫外-可見分光光度計(美國Pekin Elmer公司)；LS55型熒光光譜儀(美國Pekin Elmer 公司)；AVANCE 400型核磁共振波譜儀(瑞士Bruker公司)；Bu4NHSO4(98%)，Bu4NH2PO3(98%)，三甲基硅基乙炔(98%)均購自上海晶純生化科技股份有限 公司；二(三苯基膦)二氯化鈀，Bu4NF(99%)，Bu4NCl(99%)，Bu4NBr(AR)，Bu4NI(AR)，Bu4NClO4(98%)，Bu4NAcO(95%)，Bu4NNO3(98%)，Bu4NCN(99%)，4,7-二溴-2,1,3-苯并噻二唑(98%)，三苯基膦(CP)，碘化亞銅(AR)，三乙胺均購自國藥集團化學試劑有限公司.

1.2 熒光化學傳感器的合成

如圖1所示，將4,7-二溴-2,1,3-苯并噻二唑(1.0 g，3.4 mmol)，三甲基硅基乙炔(1.4 mL，10.2 mmol )，二氯三苯基膦鈀(20 mg，0.03 mmol)，碘化亞銅(20 mg，0.1 mmol)，三苯基膦(70 mg，0.3 mmol)混合于100 mL三乙胺中，在90 ℃下攪拌4 h. 反應結(jié)束后，濃縮，硅膠柱層析(Petroleum ether/CH2Cl2=7/1,V/V)得到黃色固體1(1.0 g，95%). TLC (Petroleum ether/CH2Cl2=3/1,V/V):Rf= 0.45.1H NMR (400 MHz, CDCl3): 7.71 (s, 2H, 2×CH), 0.19 (s, 18H, 2×Si(CH3)3).13C NMR (100 MHz, CDCl3): 155.1 (Cq), 132.5 (CH), 115.0, 107.6, 95.2 (Cq); 0.0 (CH3).

圖1 熒光化學傳感器的合成Fig.1 Synthesis of fluorescent chemodosimeter

1.3 氟離子滴定檢測

在乙腈和水(V/V= 9∶1)混合溶液中分別配制Bu4NF儲備液5×10-3mol/L，化合物1儲備液1×10-3mol/L. 在比色池中加入25 μL的化合物1儲備液、2 475 μL乙腈和水(V/V= 9∶1)的混合溶液，滴加0.5 μL氟離子儲備液，搖勻5 s后檢測吸收光譜和熒光發(fā)射光譜. 重復滴加0.5 μL氟離子儲備液，檢測吸收光譜和熒光發(fā)射光譜，直至加入8倍量的氟離子.

1.4 氟離子選擇性檢測

在乙腈溶液中配制1×10-3mol/L化合物1的儲備液；分別配制濃度為1×10-2mol/L的Bu4NF，Bu4NCl，Bu4NBr，Bu4NI，Bu4NClO4，Bu4NOAc，Bu4NNO3，Bu4NH2PO3，Bu4NHSO4陰離子儲備液；在比色皿中加入25 mL化合物1儲備液，2 475 mL乙腈和水(V/V= 9∶1)的混合溶液(最終濃度10 μmol/L)，檢測吸收光譜和熒光發(fā)射光譜. 然后再加入20 μL的氟離子儲備液，搖勻，檢測吸收光譜和熒光發(fā)射光譜. 其他陰離子(Cl-, Br-, I-, ClO4-, AcO-, NO3-, H2PO3-, HSO4-)的檢測均按照此方法進行.

1.5 氟離子檢測干擾實驗

在比色皿中加入25 μL化合物1儲備液，2 475 mL乙腈和水(9∶1,V/V)的混合溶液(最終濃度10 μmol/L)，檢測吸收光譜和熒光發(fā)射光譜；加入100 μL的氯離子儲備液，搖勻，進行吸收光譜和熒光發(fā)射光譜檢測. 然后再加入10 μL氟離子，搖勻，檢測吸收光譜和熒光發(fā)射光譜. 其他陰離子(Br-, I-, ClO4-, AcO-, NO3-, H2PO3-, HSO4-)的檢測均按照此方法進行.

2 結(jié)果與討論

2.1 化合物1的紫外吸收和熒光性質(zhì)

配制10 mmol/L化合物1的乙腈和水(9∶1,V/V)混合溶液，測定其紫外吸收光譜，結(jié)果如圖1所示. 化合物1的最大吸收波長為376 nm, 熒光發(fā)射光譜最大波長為455 nm (激發(fā)波長為376 nm).

2.2 化合物1 紫外吸收光譜對氟離子的響應研究

圖2為化合物1溶液在不同濃度的氟離子下的紫外吸收光譜．可以看到，當未加入氟離子時，化合物1的最大吸收峰為376 nm；加入氟離子后，隨著氟離子濃度的增加，最大吸收峰吸光度逐漸減弱，且峰位置藍移16 nm.

圖1 化合物1在乙腈和水(9∶1, V/V)混合溶液中的紫外吸收光譜(實線)和熒光發(fā)射光譜(虛線)Fig.1 Absorption (solid) and fluorescence spectra (dash) of compound 1 in the mixture of acetonitrile and water (V/V = 9∶1)

溶劑：乙腈/水 = 9/1 (V/V)

2.3 化合物1 熒光光譜對氟離子的響應研究

圖3為化合物1溶液加入不同濃度的氟離子后的熒光發(fā)射光譜，隨著氟離子濃度的增加，熒光強度逐漸減弱，并且最大發(fā)射峰發(fā)生藍移，直至加入兩倍量的氟離子后熒光強度變化達到平衡，最大發(fā)射峰由455 nm藍移至435 nm，熒光強度降低60%. 主要原因是氟離子具有強堿性，可以使硅炔鍵斷裂，得到化合物2和三甲基氟化硅(圖4). 當化合物1脫除TMS后，苯并噻二唑的電子云密度降低，導致熒光強度減弱，并且發(fā)生藍移. 由于是定量的化學反應，所以加入兩倍量的氟離子可使TMS完全脫除，繼續(xù)滴加氟離子熒光則不會再發(fā)生改變. 此反應非常快速，加入氟離子后搖勻即可測定.

激發(fā)波長為376 nm，溶劑：乙腈/水= 9/1 (V/V)

圖4 TBAF脫除TMS保護基Fig.4 Deprotection of TMS by TBAF

2.4 化合物1對氟離子檢測限的測定

如圖3所示，當氟離子的濃度范圍為 0～20 μmol/L時，化合物1在不同濃度氟離子下產(chǎn)生熒光發(fā)射波長在402 nm處的強度值與最大發(fā)射峰455 nm峰值的比值的變化曲線線性增長并表現(xiàn)出較好的線性關系(R2=0.970 0，見圖5)．根據(jù)國際純粹與應用化學聯(lián)合會(IUPAC)對檢測限的定義，可以利用“檢測限= 3σ/k”這一公式來計算檢測限．其中σ為空白樣的標準偏差, 對化合物1空白樣 (未加入氟離子)分別進行12次熒光測量，取測量結(jié)果并計算各自的標準偏差．k為線性擬合方程中擬合直線的斜率．通過公式可得，化合物1對氟離子的檢測限為4.5×10-8mol/L, 表明此化合物可以作為理想的檢測氟離子的熒光化學傳感器．

圖5 氟離子的檢測限測定Fig.5 The determination of the detection limit (LOD) for F-

2.5 化合物1對氟離子選擇性的響應

為了確定此方法在檢測中常見的陰離子是否會對氟離子的檢測造成干擾，研究了可能對氟離子檢測造成干擾的陰離子對化合物1熒光強度的影響. 圖6是化合物1對氟離子的選擇性的研究示意圖．從圖6A中可以看出，在向化合物1溶液中加入不同陰離子時，只有氟離子能引發(fā)化合物1產(chǎn)生熒光變化，熒光強度降低60%，最大發(fā)射峰藍移20 nm，其他離子對化合物1沒有明顯的響應. 這主要基于氟離子具有強堿性可以使硅炔鍵斷裂，而其他陰離子由于堿性不足無法誘導反應發(fā)生. 通過熒光比率法I402 nm/I455 nm得到柱狀圖6B，從圖6B可見，化合物1對氟離子具有非常好的選擇性.

為了進一步測試化合物1檢測體系對氟離子的檢測能力，分析了化合物1檢測體系在不同陰離子與氟離子共存的條件下對氟離子的檢測效果，結(jié)果如圖7所示. 可以看出，在與其他陰離子共存的情況下，氟離子依然可以脫除化合物1中的TMS，誘導化合物1產(chǎn)生熒光強度減弱且藍移的效果. 因此可以得出結(jié)論，化合物1作為檢測氟離子的熒光化學傳感器具有很好的抗干擾能力，在檢測過程中其他陰離子不會對檢測結(jié)果帶來明顯的干擾.

激發(fā)波長為376 nm；A:熒光光譜圖；B: I402 nm / I455 nm柱狀圖

激發(fā)波長為376 nm

3 結(jié)論

以苯并噻二唑為熒光發(fā)色團引入TMS保護的炔基，設計、合成化合物1新型的熒光化學傳感器，并考察了其對氟離子熒光檢測的性能．研究結(jié)果表明，在乙腈和水(9∶1,V/V)的溶劑中氟離子可以快速脫除TMS，得到只含炔基的苯并噻二唑，同時伴隨著熒光發(fā)射光譜的強度降低60%，且最大發(fā)射峰藍移20 nm. 化合物1對氟離子的檢測限為4.5×10-8mol/L，在檢測過程中其他陰離子不會對檢測結(jié)果帶來影響．綜上所述，化合物1對氟離子的檢測具有簡單、快速和高靈敏度等特點，在氟離子檢測中具有潛在的應用價值.

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[責任編輯：吳文鵬]

Detectionoffluorideionbyratiometricfluorescentchemodosimeterbasedonbenzotiadiazolederivative

YU Yanhua*, FU Cheng

(InstituteforInterdisciplinaryResearch,JianghanUniversity,Wuhan430056,Hubei,China)

A ratiometric fluorescent chemodosimeter based on benzotiadiazole derivative has been developed for detecting fluoride ion (F-) in solution sensitively and rapidly. Namely, bis-trimethylsilylalkyne benzothiadiazole was prepared by Sonogashira coupling reaction of 4,7-dibromo-2,1,3-benzothiadiazole and trimethylsilyl ethyne. As-synthesized product was used to detect F-, and the detection sensitivity and selectivity were analyzed. Results show that the emission band of the as-synthesized benzothiadiazole derivative in the mixture of acetonitrile and water (V/V= 9∶1) is centered around 455 nm (the excitation wavelength is 376 nm). Among tested anions such as F-, Cl-, Br-, I-, ClO4-, AcO-, NO3-, H2PO3-, CN-and HSO4-, only F-is able to eliminate the trimethylsilyl (TMS) protective group thereby leading to a blue shift of the maximum fluorescent emission wavelength from 455 nm to 435 nm as well as a decrease of the fluorescence intensity by 40%, with the detection 1imit being 4.5×10-8mol/L. This means that bis-trimethylsilylalkyne benzothiadiazole can be well used to detect F-with good sensitivity and selectivity.

benzotiadiazole; fluorescent chemodosimeter; fluoride ion; detection

2014-06-03.

江漢大學博士科研啟動基金(2014036)

喻艷華(1985-)，女，助理研究員，研究方向為有機化學.*

，E-mail：hpyyh@aliyun.com.

O 657.39

A

1008-1011(2014)05-0482-06

10.14002/j.hxya.2014.05.010