劉艷紅 馬曉光 李俊杰 劉殿衛(wèi)

摘 要：本文設(shè)計(jì)合成新型氨基酸席夫堿受體1（甘氨酸肟-5-硝基水楊醛），對(duì)其進(jìn)行紅外光譜掃描，基本確立了其結(jié)構(gòu).通過(guò)UV-Vis和熒光光譜考察了其與Zn2+，F(xiàn)e3+，K+，Pb2+，Al3+，Cd2+，Li2+和Mn2+之間的相互作用.當(dāng)加入Fe3+時(shí)受體1的DMSO溶液中由淺黃色變成紅色，而其它陽(yáng)離子加入基本不變色，因此新型受體1能夠?qū)e3+進(jìn)行裸眼識(shí)別.通過(guò)紫外光譜可知，在受體1的DMSO溶液中加入Fe3+后，隨著Fe3+濃度的逐漸加大，在420nm處的吸收峰的吸收光度值降低，在370nm處的吸收峰的吸收光度值升高，而其它陽(yáng)離子變化沒(méi)有鐵離子明顯.由熒光光譜可知，受體1的最大激發(fā)在484nm，最大發(fā)射出現(xiàn)在513nm.當(dāng)加入同濃度的陽(yáng)離子時(shí)，當(dāng)加入Fe3+時(shí)，受體1在513nm的發(fā)射峰出現(xiàn)淬滅，而加入其它金屬陽(yáng)離子，其在513nm的發(fā)射峰變化很小或基本不變.從而表明受體1的DMSO溶液對(duì)Fe3+識(shí)別的獨(dú)特性和專一性.

關(guān)鍵詞：氨基酸席夫堿;合成;陽(yáng)離子;裸眼識(shí)別;紫外熒光研究

中圖分類號(hào)：O657.3? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2020）07-0053-04

利用化學(xué)傳感器檢測(cè)金屬離子正逐漸成為環(huán)境監(jiān)測(cè)和生物科學(xué)的研究熱點(diǎn)，因?yàn)檫@類傳感器具有制備簡(jiǎn)單、選擇性強(qiáng)、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn).所以，開(kāi)發(fā)檢測(cè)過(guò)渡金屬離子和重金屬離子的化學(xué)傳感器是化學(xué)、環(huán)境化學(xué)和生物科學(xué)的一個(gè)活躍而又有意思的領(lǐng)域.近幾年來(lái)，合成成本低、毒性小的席夫堿已成為研究人員的研究目標(biāo).Fe3+作為過(guò)渡金屬離子，在發(fā)展生命體系的過(guò)程中也具有很重要的作用，是人體微量元素所必需最多的一種，在人體內(nèi)起到不可替代的作用，人體內(nèi)鐵缺乏會(huì)導(dǎo)致缺鐵性貧血，影響人體正常的生理活動(dòng)[1].人體缺鐵或鐵元素過(guò)量都會(huì)導(dǎo)致許多疾病[2-4].因此，F(xiàn)e3+的檢測(cè)對(duì)人類健康具有重要意義.

2006年，Tong組[5]利用二乙烯三胺將兩個(gè)羅丹明B連接起來(lái)，從而形成新型的席夫堿配體，該配體呈無(wú)色且無(wú)熒光，在加入Fe3+后其內(nèi)酰胺結(jié)構(gòu)開(kāi)環(huán)，熒光光譜增強(qiáng)，從而檢測(cè)出Fe3+.

2007年，Tae和Bae等人[6]設(shè)計(jì)合成了探針，該探針是利用兩步簡(jiǎn)單步驟合成的以甲氧基為識(shí)別基團(tuán)，將氧肟酸作為Fe3+的功能團(tuán)，以氧肟酸引入羅丹明內(nèi)酰胺和開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)的平衡中，從而形成一種新型的Fe3+探針，這種基熒光探針由于具有特殊的結(jié)構(gòu)片段，在甲醇-乙腈同摩爾比的溶液中可以很好的識(shí)別Fe3+，加入后能使Fe3+熒光顯著增強(qiáng)同時(shí)溶液顏色變?yōu)樽霞t色.

同年，Huang等人[7]基于羅丹明的閉環(huán)-開(kāi)環(huán) （off-on）這一機(jī)理設(shè)計(jì)合成了羅丹明B-席夫堿衍生物，成功的識(shí)別了Fe3+，而且能用于檢測(cè)活體細(xì)胞中的Fe3+，并取得了很好的效果.

武漢大學(xué)傅恩琴組[8]，使用親水性較好的環(huán)糊精與吡啶二甲酰胺連接的多胺鏈反應(yīng)生成的配合物，熒光分子識(shí)別研究表明，水溶液中Fe3+能使其熒光迅速淬滅，而在相同條件下加入其它離子則幾乎沒(méi)有熒光變化或者淬滅非常有限.

2017年，貴州大學(xué)江光奇組[9]，合出兩種新型席夫堿化合物，這兩種配合物可用于不同水樣的二價(jià)和三價(jià)的鐵離子的比色識(shí)別，通過(guò)光譜滴定及液質(zhì)譜聯(lián)用等方法研究了這兩種化合物與Fe3+的識(shí)別作用，化合物與Fe3+同摩爾配比，對(duì)Fe3+的檢出限分別為0.19mol/L和0.21mol/L，比世界衛(wèi)生組織規(guī)定的飲用水的檢出標(biāo)準(zhǔn)（5μmol/L）低，具有一定的現(xiàn)實(shí)價(jià)值.

席夫堿是一類重要的被廣泛探索的有機(jī)化合物之一，由于其成本低，容易合成并具有巨大的應(yīng)用，因而研究人員將席夫堿作為化學(xué)傳感器用于陽(yáng)離子的識(shí)別研究，但氨基酸席夫堿作為熒光探針來(lái)檢測(cè)陽(yáng)離子報(bào)道較少，氨基酸席夫堿具有生物活性，且具有低毒的優(yōu)點(diǎn).總結(jié)前人研究成果，我們以甘氨酸與5-硝基水楊醛為原料，合成新的受體1，并利用紫外、熒光研究了受體與陽(yáng)離子的作用.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

甘氨酸（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司），5-硝基水楊醛（成都貝斯特試劑有限公司），硝酸鐵，硝酸鉀，硝酸鉛，硝酸鋅，硝酸鎘，硝酸汞，硝酸錳，氫氧化鉀，甲醇，二甲基亞砜均為市售分析純.

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

85-2恒溫磁力加熱攪拌器（常州國(guó)華電器有限公司），Nicolet iS5-紅外分光光度計(jì)（美國(guó)，賽默飛尼），F(xiàn)97pro熒光分光光度計(jì)（上海棱光技術(shù)有限責(zé)任公司），TU-1910型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)（北京普析通用儀器有限責(zé)任公司）

1.3 受體席夫堿的合成

稱取甘氨酸（0.7507g，10mmol），置于100mL圓底燒瓶中，在加入20mL無(wú)水乙醇并緩慢加熱直至全部溶解，再往該溶液中加入5-硝基水楊醛（1.6368g，10mmol），氫氧化鉀（0.5611g，10mmol）的無(wú)水乙醇溶液，然后將反應(yīng)混合物攪拌、加熱回流2小時(shí).生成黃色沉淀，趁熱過(guò)濾，用無(wú)水乙醚洗滌干燥，得到受體1（0.6327g.產(chǎn)率為73.4%）.熔點(diǎn)146-147℃.

1.4 受體席夫堿的表征

以二次蒸餾水為溶劑，配制5.0×10-3mol/L的硝酸鋅，硝酸鐵，硝酸鉛，硝酸鋁，硝酸鎘的金屬陽(yáng)離子備用，并測(cè)定其對(duì)應(yīng)離子的熒光光譜.

以受體1為溶質(zhì)，二甲基亞砜為溶劑稱取0.0023g樣品，配制10mL溶液，濃度為5.0×10-3mol/L，量取溶液觀察熒光性質(zhì).

加入各種金屬陽(yáng)離子對(duì)比，加入上述的稀釋溶液中，觀察熒光光譜，各種金屬陽(yáng)離子分別加入各自互相對(duì)照，觀察熒光光譜的變化.

2.5 主客體的紫外光譜測(cè)定

以二次蒸餾水為溶劑，配制5.0×10-3mol/L的待測(cè)溶液的金屬陽(yáng)離子Zn2+，Cu2+，F(xiàn)e3+，K+，Pb2+，Al3+和Cd2+，以留備用，并測(cè)定其對(duì)應(yīng)離子的紫外光譜.

2.6 受體1紅外光譜測(cè)定

分別稱取各配合物0.0100g，稱取溴化鉀0.0020g，分別將各配合物和溴化鉀置于瑪瑙研缽研磨，取2/3進(jìn)行壓片，分別測(cè)定受體1的紅外吸收光譜.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 主客體的裸眼識(shí)別

從下面圖2中可以看出受體L（5.0×10-3mol/L）的DMSO溶液是淺黃色，但是分別加入5.0×10-3mol/L的Zn2+，F(xiàn)e3+，K+，Pb2+，Al3+，Cd2+，Li2+，Mn2+以后，只有加入Fe3+的主體發(fā)生明顯的變色，加入其它幾種金屬陽(yáng)離子后的主體溶液的顏色基本不變.為研究在受體1的DMSO（5.0×10-3mol/L）溶液對(duì)Fe3+具有裸眼識(shí)別的獨(dú)特性時(shí)，觀察溶液顏色的變化，如圖2所示，向受體1的DMSO溶液中加入Fe3+后，溶液的顏色明顯發(fā)生變化，由淡黃色漸漸加深，最后變?yōu)檠t色;在同樣的條件下，加入其他金屬陽(yáng)離子后的溶液的顏色無(wú)明顯顏色變化，這表明受體1對(duì)Fe3+具有較強(qiáng)的專一性識(shí)別作用，受體1可以用來(lái)識(shí)別Fe3+，是識(shí)別Fe3+的良好感應(yīng)器，受體1是對(duì)Fe3+具有高選擇性的探針.

2.2 紫外可見(jiàn)光譜

圖3展示了在受體1的DMSO溶液中，逐漸加入Fe3+濃度引起受體1（5.0×10-3mol/L）的DMSO溶液的紫外吸收光譜的變化.從光譜圖中可以看出：在未引入陽(yáng)離子溶液時(shí)，主體分子在420nm和370nm之間出現(xiàn)了兩個(gè)較強(qiáng)的吸收峰，在420處的吸收峰呈上升增強(qiáng)，370處的吸收峰呈下降減弱，這是由于分子內(nèi)電荷中的電子轉(zhuǎn)移引起的.在向受體1的DMSO溶液中加入Fe3+后，主體分子的吸收光譜出現(xiàn)會(huì)有很大的變化，隨著Fe3+濃度的逐漸加大，在420處的吸收峰的吸收光度值降低，在370處的吸收峰的吸收光度值升高.出現(xiàn)這種變化的原因最主要是陽(yáng)離子（Fe3+）的濃度的增強(qiáng)，這種增強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致主體顏色的變化，從而導(dǎo)致這種紫外吸收光度值的變化.這表明紫外吸收光譜的強(qiáng)弱會(huì)隨Fe3+的濃度的變化而改變.

圖4展示了受體1（5.0×10-3mol/L）的DMSO溶液中分別加入同濃度的Cd2+，Zn2+，Pb2+，F(xiàn)e3+紫外吸收光譜的變化.從光譜圖中可以看出：主體分子在420nm和370nm之間出現(xiàn)了兩個(gè)較強(qiáng)的吸收峰，分別加入同濃度的Cd2+，Zn2+，Pb2+，F(xiàn)e3+只有Fe3+明顯發(fā)生變化，其他的金屬陽(yáng)離子變化的幅度很小或無(wú)顯著變化.

2.3 熒光光譜

金屬離子熒光分子探針作為一種高靈敏的檢測(cè)手段具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，其設(shè)計(jì)、合成及識(shí)別機(jī)理已受到廣泛關(guān)注.由于Fe3+具有順磁性，可以有效的淬滅熒光，F(xiàn)e3+的熒光探針多為淬滅型[10].故在受體1的DMSO溶液中加入金屬陽(yáng)離子，熒光均表現(xiàn)出淬滅，通過(guò)熒光淬滅的大小不同，以此對(duì)比來(lái)研究加入Fe3+在受體1的DMSO溶液中的熒光的變化，從而說(shuō)明受體1的DMSO溶液對(duì)Fe3+識(shí)別具有的特殊性.

圖5表示了受體1（5.0×10-3mol/L）的DMSO溶液在熒光光度計(jì)通過(guò)三維光譜掃描后，以484nm的光波作為最大激發(fā)，受體1在513nm處出現(xiàn)最大發(fā)射光譜.

圖6表示了受體1（5.0×10-3mol/L）的DMSO溶液在加入同濃度（5.0×10-3mol/L）的不同金屬陽(yáng)離子（Fe3+，Al3+，Cd2+，Pb2+，Zn2+）變化情況.受體1在加入Al3+，Cd2+，Pb2+，Zn2+這幾種金屬陽(yáng)離子后，其最大發(fā)射峰值都出現(xiàn)在513nm處，但是這幾種金屬陽(yáng)離子的熒光強(qiáng)度幾乎不變或變化很小;當(dāng)加入Fe3+時(shí)，其受體在513nm處的熒光發(fā)生淬滅，熒光強(qiáng)度相較于受體1有急劇的降低.由此可以說(shuō)明受體1的DMSO溶液對(duì)Fe3+有很強(qiáng)的選擇性識(shí)別.

2.4 紅外吸收光譜

根據(jù)圖7中受體1的IR分析可以看出，在2872.08cm-1，2728.01cm-1的C-H鍵的伸縮振動(dòng)峰，1675.95cm-1處的中強(qiáng)吸收為C=N鍵所致，是受體1的特征峰，在1599.35cm-1，1452.91cm-1為苯環(huán)C=C的特征吸收峰，在816.58cm-1，763.31cm-1處的峰被指認(rèn)為芳環(huán)=C-H彎曲振動(dòng)吸收峰，在763.31cm-1的中強(qiáng)吸收為鄰位取代苯環(huán)的特征吸收峰，初步認(rèn)定受體的合成.

3 結(jié)論

本文利用簡(jiǎn)單的方法合成了一種新型氨基酸席夫堿受體1，并研究了受體1的DMSO溶液對(duì)陽(yáng)離子的識(shí)別能力.發(fā)現(xiàn)只有Fe3+加入使受體1由淺黃色變成紅色，分別加入其他陽(yáng)離子時(shí)，受體的顏色基本不發(fā)生變化或變化很少，從而能夠裸眼識(shí)別Fe3+.通過(guò)主體1與陽(yáng)離子的紫外光譜、熒光發(fā)射光譜，可以看出主體1對(duì)不同陽(yáng)離子的識(shí)別作用也不相同.通過(guò)受體1的紅外光譜表明，受體1的結(jié)構(gòu)的初步確定.總之，受體1的DMSO溶液能有效的識(shí)別鐵離子，其對(duì)于Fe3+有很好的選擇性、獨(dú)特性和敏感性.這種探針對(duì)具有重要生物和環(huán)境保護(hù)意義的金屬離子有著良好的專一選擇性識(shí)別作用.

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