吳雅琴，閆燦，史香慧，張曉敏

山西師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，山西 臨汾 041004

0 引言

目前，水體、土壤和大氣環(huán)境中的重金屬污染廣泛存在，嚴(yán)重影響著地球生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)［1］，近幾年來汞污染對環(huán)境和土壤的危害更是不容小覷.調(diào)查發(fā)現(xiàn)，汞是造成重金屬污染的主要來源，環(huán)境中汞的殘留物很難被生物體自身降解，人體內(nèi)汞的積累量隨著食物鏈的傳遞越來越多，這可能會引起身體正常組織器官的病變.所以，找到一種能夠準(zhǔn)確檢測汞的方法是非常有必要的.現(xiàn)在常用的檢測汞的方法有原子吸收、原子發(fā)射、電化學(xué)、色譜法等［2～4］.然而，這些方法通常需要昂貴且復(fù)雜的實驗儀器和復(fù)雜繁瑣的實驗操作過程來完成，并且表現(xiàn)出較低的選擇性.相比較而言，熒光探針對離子的識別具有靈敏度高、選擇性好等優(yōu)點［5］，它在生物學(xué)、醫(yī)藥學(xué)、環(huán)境檢測、細(xì)胞成像等諸多領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用.

近年來，由唐本忠課題組提出的聚集誘導(dǎo)發(fā)光(AIE)現(xiàn)象引起了人們的廣泛關(guān)注，這類材料在稀溶液中具有弱的熒光，但是在高濃度或聚集態(tài)時表現(xiàn)出較強的熒光.AIE現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)為熒光材料領(lǐng)域提供了一個嶄新的研究方向，具有這種性能的化合物作為熒光探針也被越來越多地應(yīng)用于細(xì)胞成像等生物檢測中［6～8］.在測定汞的AIE活性分子中，研究人員合成了許多類型的多功能熒光團，比如四苯基乙烯衍生物、吡咯衍生物、蒽衍生物、三苯胺衍生物等［9～12］.然而，能夠用于準(zhǔn)確檢測Hg2+的芘基AIE傳感器還很少見.

本文我們成功地合成了一種新型的具有AIE特性的芘基衍生物探針1.探針1在H2O/DMF溶液中呈微弱的綠色熒光，當(dāng)加入Hg2+后，發(fā)光顏色變?yōu)樗{(lán)色.探針1能夠選擇性識別Hg2+，對實際樣品中的汞進(jìn)行了檢測，結(jié)果令人滿意.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

三苯基甲胺和1-芘基甲醛都是分析純試劑，所有的實驗試劑均購自阿拉丁;實驗過程中用來配置溶液的水都是去離子水;TU-1901紫外-可見分光光度計(中國);Cary Eclipse熒光分光光度計(美國);AVANCE III核磁共振儀(德國);Bruker-Impact II質(zhì)譜分析光譜儀(德國).

1.2 探針1的合成與表征

稱取0.230 3 g 1-芘基甲醛(1 mmol)和0.259 3 g三苯甲胺(1 mmol)，將這兩種化合物混合在乙醇中反應(yīng)，加熱回流12 h，得到亮黃色固體.將此產(chǎn)品過濾，然后再用乙醇洗凈，測得其產(chǎn)率為68%.其合成路線見圖 1;1H NMR(DMSO-d6，600 MHz)，δ(ppm):8.86(s，1H)，8.71(d，J=7.8 Hz，1H)，8.61(d，J=9.0 Hz，1H)，8.41(d，J=7.8 Hz，1H)，8.38(d，J=7.2 Hz，1H)，8.35(d，J=7.8 Hz，1H)，8.24～8.31(m，2H)，8.26(d，J=9.0 Hz，1H)，8.13(t，J=7.8 Hz，1H)，7.43(t，J=7.8 Hz，6H)，7.34～7.36(m，9H).MS:m/z found［1+H］+=472.324 8(圖2).

圖1 探針1的合成路線Fig.1 Synthesis route of the probe 1

1.3 實驗方法

用去離子水配制成1×10-2mol/L不同金屬離子的儲備液;探針1用純N，N-二甲基甲酰胺(DMF)配制成1×10-3mol/L的原液;最終的測試液含有6×10-6mol/L探針1、適當(dāng)量的Hg2+、1×10-3mol/L PBS緩沖液，在 H2O/DMF(2∶3，V/V)中充分混合.在363 nm激發(fā)波長處測定探針1的熒光光譜.

1.4 實際樣品的處理

鯽魚和鯉魚樣品采自當(dāng)?shù)厥袌?，用超純水清洗干凈后取其可使用部分，分別稱取樣品0.200 0 g于消解瓶中，加入1mL H2SO4和2 mL HClO4，加熱一段兒時間后，再加入3mL HNO3進(jìn)行消解，待溶液透明澄清后定量轉(zhuǎn)移并定容至25mL的容量瓶中.

圖2 探針1的質(zhì)譜圖Fig.2 MS spectra of the probe1

2 結(jié)果與討論

2.1 探針1的紫外可見吸收光譜

分別測定了探針1在不同比例水的H2O/DMF溶液中的紫外可見吸收光譜圖(見圖3)，在288 nm、363 nm、390 nm三處有吸收峰，歸因于π-π*和n-π*電荷躍遷［13］.當(dāng)水的比例達(dá)到70%時，最大吸收峰出現(xiàn)明顯的紅移，這種現(xiàn)象可能是由于聚集體的形成導(dǎo)致的.

圖3 探針1在不同含水量的H2O/DMF溶液中的紫外-可見吸收光譜Fig.3 UV-visabsorption spectra of the probe 1(2 μM)in H2O/DMF solution with different fractions of water

2.2 探針1的AIE特性

在H2O/DMF溶液中對探針1進(jìn)行了熒光測定.結(jié)果表明，探針1在純DMF溶液中只呈現(xiàn)微弱熒光，不斷增加H2O/DMF溶液中水的體積分?jǐn)?shù)，熒光發(fā)射強度增強.當(dāng)含水量從0%增加到80%時，在發(fā)射波長500 nm處，探針1的熒光強度比在純DMF溶液中增強了45倍.然而當(dāng)水含量大于80%后，溶液的形態(tài)可能發(fā)生了聚集，形成了較大的粒子，熒光強度反而隨著水含量的增加呈減弱趨勢(圖4).這一現(xiàn)象表明探針1具有AIE性質(zhì).

探針1在純DMF溶液中顯示微弱的熒光，這可能是光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移(PET)效應(yīng)導(dǎo)致的［14］.當(dāng)增加水的比例在聚集態(tài)時，探針1的C-N和C-C單鍵將不能自由旋轉(zhuǎn)，分子的非輻射躍遷減少，所以探針1的熒光強度增強.

圖4 (a)探針1(2 μM)在含水量不同的H2O/DMF溶液中的熒光光譜(λm=363 nm);(b)紫外線燈(365 nm)照射在不同比例H2O/DMF溶液的探針1照片F(xiàn)ig.4 (a)Fluorescence spectra of the probe 1(2 μM)in H2O/DMF solution with different fractions of water，λex=363 nm;(b)Photographs of probe 1 in differrent proportions of H2O/DMF solution under UV lamp(365 nm)

2.3 探針1對Hg2+的選擇性識別

為了研究探針1在H2O/DMF(v∶v=2∶3，PBS緩沖液，pH=7.0)溶液中對不同金屬離子的傳感能力，我們將 Al3+、Cr3+、Fe3+、Zn2+、Cd2+、Ni2+、Co2+、Ca2+、Cu2+、Mn2+、Mg2+、Ag+、Pb2+和 Hg2+等不同金屬離子加入到含探針1的H2O/DMF溶液中，紫外-可見光譜并沒有出現(xiàn)明顯的差異，然而在熒光光譜中我們觀察到除了Hg2+，加入其他金屬離子都沒有產(chǎn)生明顯的熒光變化，說明探針1能夠選擇性識別Hg2+.我們把探針1和Hg2+加入到含水量為60%的H2O/DMF溶液中，用紫外光照射，觀察到溶液出現(xiàn)了明顯的從綠色到藍(lán)色的顏色變化(圖5)，伴隨著熒光強度的增大，熒光峰出現(xiàn)了明顯的藍(lán)移.相反，在相同條件下往同樣的溶液中添加其他金屬離子時，幾乎沒有產(chǎn)生熒光.

圖5 探針1和1-Hg2+的熒光光譜.插圖:紫外燈照射下的探針1和1-Hg2+的顏色變化Fig.5 Fluorescence spectra of probe 1(2 μM)and 1-Hg2+.Inset:the photograph of 1 and 1-Hg2+with naked eyes under UV lamp(365 nm)

2.4 實驗條件的優(yōu)化

為了能夠準(zhǔn)確地測定Hg2+，需要不斷的優(yōu)化分析條件.我們研究了溶液含水量對熒光強度的影響，在H2O/DMF溶液中，當(dāng)含水量在40%時，定量測定的實驗結(jié)果較好，因此在后續(xù)的實驗中，我們把水的比例固定在了40%.

我們還研究了不同pH條件對探針1選擇性識別Hg2+的影響.經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)在pH=7時熒光強度最高(圖6);當(dāng)pH低于7.0時，質(zhì)子化亞胺基團在酸性條件下可能會阻止Hg2+配位;而當(dāng)溶液呈堿性時，又容易形成沉淀.這種現(xiàn)象表明，該探針適合于中性條件下進(jìn)行Hg2+的檢測.

2.5 1-Hg2+絡(luò)合物形成機理

通過Job’s Plot法來確定1-Hg2+絡(luò)合物結(jié)合的化學(xué)計量比，實驗過程中配置了一系列不同濃度比的探針1和Hg2+，總濃度保持為2×10-5mol/L，分別測定溶液的熒光強度，結(jié)果如圖7所示.當(dāng)摩爾分?jǐn)?shù)為0.7時，溶液熒光強度最大，表明1-Hg2+絡(luò)合物就是探針1和Hg2+以2∶1的形式形成的.

圖6 pH對1-Hg2+絡(luò)合物熒光強度的影響Fig.6 Influence of pH for the 1-Hg2+ complex

圖7 用Job’s Plot法推斷1-Hg2+在H2O/DMF溶液中的絡(luò)合比Fig.7 Job plot for 1-Hg2+ in H2O/DMF solution

2.6 探針1對Hg2+的定量測定

在上述實驗中得到的最適宜條件下測定探針1的熒光強度.圖8是加入Hg2+之后探針1的熒光變化，從圖中可以看出，往探針1中加入Hg2+后，探針1的熒光強度在450 nm處最強.當(dāng)Hg2+濃度在0 μM～20 μM范圍時，探針1的熒光強度隨著Hg2+濃度的增加而增強，并呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.986 7，檢出限為 4.2 × 10-7mo l/L.

我們用探針1檢測了魚肉中的Hg2+.在不同魚肉中加入不同量的Hg2+，實驗中每個樣本都做了三次平行重復(fù)實驗，且回收率在89.1% ～93.2%之間，結(jié)果令人滿意(表1).

圖8 (a)探針1的熒光強度隨Hg2+濃度的變化;(b)450 nm處探針1的熒光強度和Hg2+的線性擬合圖Fig.8 (a)Fluorescent spectra of probe 1 with different concentration of Hg2+;(b)The linear fitting plot between the fluorescence intensity of probe 1 and Hg2+ at 450 nm

表1 實際樣品中Hg2+的加標(biāo)回收結(jié)果(n=3)Tab.1 Recoveries of Hg2+ in real samples(n=3)

3 結(jié)論

通過簡單的有機反應(yīng)合成了一種新型的具有AIE特性的芘基衍生物熒光探針.探針1在純DMF溶液中不發(fā)射熒光，增加一定量的水后，熒光強度變大.探針1對Hg2+有良好的選擇性，Hg2+的檢出限可達(dá)4.2×10-7mol/L.探針1能用來檢測魚肉中的Hg2+，這表明了其在環(huán)境和生物系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用前景.