基于吲哚类半花菁染料的钯比率荧光探针

李宏达,陈秀琼,尹炳柱*

(1.延边大学长白山生物资源与功能分子教育部重点实验室，吉林 延吉 133002；2.中国刑事警察学院 法化学系，辽宁 沈阳 110035)

0 引言

钯是珍贵的过渡金属之一，它不仅广泛应用于制作燃料电池、牙冠、珠宝及医药合成等[1-2]，而且还被用于设计制作催化转化器以有效控制汽车尾气的污染问题．文献[3-4]表明，Pd2+可对人体健康产生危害，例如钯积累在人体中会导致细胞线粒体和DNA的退化、过敏反应以及抑制酶的活性等；因此，开发简易快捷、灵敏度高的钯检测方法具有重要意义．传统的钯离子检测方法主要有原子吸收光谱法和电化学分析法等，但这些方法往往需要复杂的样品预处理和高成本的仪器，使其应用受到一定限制[5-6]．目前，荧光探针检测法因具有灵敏度高、选择性好、分析时间短及易于可视化等优点，已受到越来越多的关注.但由于Pd2+检测用分子探针多数是基于比色法、荧光淬灭法和荧光增强型等[7]，其结果的精确性容易受到检测底物浓度、外部环境和仪器条件变化(如光漂白、散射和背景光)等影响[8]．文献[9]研究表明，比率型荧光探针不受光源强度和仪器灵敏度等外部环境的影响，不仅能提高方法的选择性和灵敏度，而且还能够增大方法的动态响应范围[9].目前，利用比率型荧光探针检测钯含量的文献很少，而且已报道的这类探针具有响应时间长[10]、需要外加试剂[11]等问题.

本文鉴于钯与富电子π-电子体系有较好的亲和力[10-12]，半花菁染料具有合成简单、易于纯化、荧光量子产率高、摩尔消光系数大以及水溶性好和无毒等优点，以6-羟基萘-2-醛为荧光基团，碘化1-乙基-2,3,3-三甲基吲哚季铵盐为菁染料单元合成了中间体:羟基半花菁染料2；然后，在2的羟基上引入烯丙氧羰基得到半花菁染料探针1(合成路线见图1)，并对探针对Pd2+的检测效果和反应机理进行了研究.

图1 探针1的合成路线

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

熔点用XRC-1显微熔点仪测定(温度计未经校正)；1H NMR用AV300型超导核磁共振波谱仪(瑞士布鲁克公司，CDCl3为溶剂，TMS为内标)测定；荧光光谱用RF-5301PC型荧光分光光度仪(日本岛津公司)测定；UV-vis用U-3010紫外可见分光光度计(日本日立公司)测定；MS用Axima CFRTMplus基质辅助激光解析飞行时间质谱仪(日本岛津公司)测定；高分辨质谱用Bruker microTOF II聚焦光谱仪(ESI).

所有反应试剂均为市售分析纯，购买后未经处理直接使用；柱层析硅胶用青岛海洋化工厂产品，硅胶粒度为100～200目，pH值为6.5～7.0； N-(2-羟乙基)哌嗪-N′-2-乙烷磺酸(HEPES)采购于阿拉丁试剂公司，使用三次去离子水配置成HEPES缓冲溶液直接使用； 6-羟基萘-2-醛从百灵威试剂公司购进，未经纯化直接使用； 碘化1-乙基-2,3,3-三甲基-3H-吲哚季铵盐参照文献[12]的方法合成.

1.2 中间体2的合成

在50 mL单口瓶中加入碘化1-乙基-2,3,3-三甲基-3H-吲哚季铵盐(300 mg,1.74 mmol)、化合物6-羟基萘-2-醛(658 mg,2.1 mmol)和精制乙醇(12 mL).待反应物完全溶解后，加入哌啶(150 μL)，并回流搅拌3 h，出现大量固体，抽滤，用无水乙醇洗涤，干燥．用无水乙醇重结晶得墨绿色固体2(225 mg)，产率为28%．M.p.>250 ℃.1H NMR(300 MHz,DMSO-d6): δ 10.48(1H,s),8.55～8.75(2H,m),8.32(1H,d,J=7.2 Hz),7.76～8.01(4H,m),7.60～7.76(3H,m),7.15～7.30(2H,m),4.74(2H,q,J=7.0 Hz),1.83(6H,s),1.48(3H,t,J=7.0 Hz);13C NMR(75 MHz,DMSO-d6): δ 14.04,26.08,42.38,52.44,110.03,111.16,115.22,120.40,123.59,125.10,127.66,129.59,129.62,129.76,132.08,155.12,159.30,174.4,181.59.HRMS(ESI-TOF)Calcd for C24H249NO+([M]+)342.185 2.Found 342.183 0.

1.3 探针1的合成

在50 mL单口瓶中加入化合物2 (100 mg,0.21 mmol)和N,N-二甲基甲酰胺(8 mL)，待反应物完全溶解后，用冰浴冷却到0 ℃.加入三乙胺(30 μL)，搅拌5 min中后升温至室温．将氯甲酰丙烯脂(112 mg,99 μL,1.05 mmol)和N,N-二甲基甲酰胺(5 mL)逐滴加到反应体系中，在室温搅拌5 h后，加入适量乙醚，析出的固体用乙醇重结晶得红色针状固体1(56.2 mg)，产率为48%．M.p.200 ℃(dec.).1H NMR(300 MHz,CDCl3): δ 8.83(1H,s),8.73(1H,d,J=15.0 Hz),8.49(1H,d,J=6.9 Hz),7.90～8.12(3H,m),7.83(1H,d,J=15.0 Hz),7.75～7.55(4H,m),5.99～6.30(1H,m),5.30～5.50(2H,m),4.76～4.81(4H,m),1.86(6H,s),1.51(3H,t,J=6.6 Hz).13C NMR(75 MHz,DMSO-d6): δ 14.28,25.96,42.90,52.91,69.51,113.39,115.77,119.04,119.55,122.84,123.66,129.11,131.23,132.76,140.90,144.57,151.02,153.13,153.94,181.92.HRMS(ESI-TOF)Calcd for C28H28INO3+([M]+)426.206 4.Found 426.205 6.

2 结果与讨论

2.1 溶剂的选择

考虑到探针1的实际应用，本文首先考察了在不同比例的乙醇-HEPES缓冲溶液中,探针1(10 μmol/L)与PdCl2(100 μmol/L)相互作用的荧光变化.用566 nm处的荧光强度做柱状图得图2 a.从图中可知，在乙醇-HEPES缓冲溶液比例为5∶5、 4∶6、 3∶7时，探针1与PdCl2作用使荧光增强最为明显.

另外，本文也考察了乙醇-HEPES缓冲溶液比例为1∶1时的pH值对荧光发射强度的影响，结果如图2 b所示.从图中可以看出，探针1在pH值为5～8的范围内，其荧光强度呈现稳定状态，这说明探针1可以在一个相对较宽的pH值范围内用于检测Pd2+．根据上述实验结果，本文选择了乙醇-HEPES缓冲溶液比例为1∶1、pH值为7.2的HEPES缓冲溶剂体系.

图2 探针1 (10 μmol/L)在Pd2+(100 μmol/L)存在下，在不同测试溶剂中荧光发射强度(a)和在不同pH值条件下荧光发射强度(b):从左到右乙醇-水的体积比为9∶1,8∶2,7∶3,6∶4,5∶5,4∶6,3∶7,2∶8,1∶9,0∶10

2.2 探针1对钯离子的选择性

化学传感器的最重要性质之一是对某一分析物的高度选择性．在乙醇-HEPES缓冲溶液(体积比为1∶1，pH=7.2)中加入100 μmol/L Pd2+后，探针1的荧光强度在几分钟内有30倍的荧光增强；而在相同的条件下，加入100 μmol/L的其他阳离子(Ag+,Al3+,Ba2+,Ca2+,Cd2+,Co2+,Cu2+,Fe2+,Fe3+,Hg2+,K+,Li+,Mg2+,Na+,Ni2+,Pb2+,Zn2+)后，探针1对其没有明显的荧光响应(图3 a)．另外，在365 nm的紫外光照射下，探针1的溶液呈淡绿色，而加入100 μmol/L Pd2+后，溶液颜色变为橙黄色.

图3 探针1 (10 μmol/L)与100 μmol/L的PdCl2或其他阴阳离子的选择性实验(a)和干扰性实验(b): 其他阴阳离子从左到右依次为Ag+,Al3+,Ba2+,Ca2+,Cd2+,Co2+,Cu2+,Fe2+,Fe3+,Hg2+,K+,Li+,Mg2+,Na+,Ni2+,Pb2+,Zn2+,AcO-,Br-,Cl-,CN-,F-,H2PO4-,HSO4-,I-

由于实际环境样品中往往多种离子共存，为了考察在其他各种离子存在的条件下，探针1是否可以实现对Pd2+的检测而不受干扰，本文进行了干扰性实验(图3 b).结果表明，在Pd2+和其他阳离子或者阴离子共存条件下，探针1的荧光发射强度几乎没有发生变化.上述结果说明，探针1对Pd2+具有很好的选择性，而且这种选择性可以被裸眼识别．更重要的是在其他竞争离子存在的条件下，探针1对Pd2+的检测不受干扰，这在实际应用中具有非常重要的意义．

不同价态钯化合物都具有相似的催化性能，为了研究探针1是否还可以用来检测其他钯化合物，本文利用探针1对Pd(PPh3)4，Pd(AcO)2，PdCl2，Pd(PPh3)2Cl2进行了检测．如图4所示，探针1对不同价态的钯化合物都有荧光响应，其中对Pd(AcO)2和PdCl2的荧光增强大于Pd(PPh3)4.Pd(PPh3)4的相对较差可能是因为参与催化的0价钯需要经历一个被氧化的过程．这说明探针1可以应用于不同价态钯化合物的检测．

图4 探针1 (10 μmol/L)与不同价态钯类化合物的荧光强度: 从左到右依次为1,1+Pd(PPh3)4,1+Pd(AcO)2,1+PdCl2,1+Pd(PPh3)2Cl2

2.3 探针1对钯离子的检测

由于PdCl2的毒性是钯类化合物中最高的，本文考察了探针1对PdCl2的荧光检测能力.随着不同浓度的PdCl2的加入，探针1(10 μmol/L)的HEPES (10 mmol/L,pH=7.2,50%乙醇)缓冲溶液在480 nm处的荧光发射峰逐渐减弱，而在566 nm处的荧光发射峰大幅度增强，并且其荧光发射峰发生86 nm的红移．当加入2当量的PdCl2后，566 nm处的荧光发射峰强度保持不变，这说明探针1与PdCl2的反应已经达到平衡(图5 a).

将566 nm处的荧光发射强度对PdCl2的浓度作图，发现荧光强度在0～15 μmol/L浓度范围内呈良好的线性关系．通过拟合得到线性回归方程y=7.52x-196 (R2=0.983)，计算得到检出限为0.23 μmol/L[13](图5 b).利用Job曲线法研究表明(图6 a)，探针1和PdCl2的化学计量比是1∶1.本文将探针1(10 μmol/L)与PdCl2(100 μmol/L)的反应利用荧光光谱跟踪检测(图6 b)，并通过准一级动力学公式进行拟合得到准一级反应动力学常数为4.5×10-3s-1(R2=0.998)[14].以上结果说明探针1是一种可用于痕量钯快速检测分析的高灵敏度荧光探针.

图5 探针1 (10 μmol/L)与PdCl2 (0～30 μmol/L)的荧光滴定光谱(a)和结合作用的线性拟合曲线(b)

图6 探针1 (10 μmol/L)与Pd2+作用的Job曲线(a)和时间变化(b)

2.4 反应机理研究

探针1、1与PdCl2反应液和中间体2的质谱见图7.探针1对Pd2+的高选择性应归于Pd-触发酰氧键断裂反应的专一性[15]．可能的反应机理如图8所示.Pd2+与探针1的碳酸烯丙酯部位反应生成π-烯丙基钯络合物3，3脱去烯丙基转化成碳酸单酯4，最后脱去二氧化碳生成强荧光的羟基半花菁染料2.

图7 探针1、1与PdCl2和中间体2的质谱

图8 探针1和Pd2+的反应机理

为了进一步说明探针1与Pd2+的反应机理，将探针1分子与PdCl2的反应液进行质谱分析.测试结果显示：探针1(C28H28INO3+[M]+∶426.21.Found 426.2)与PdCl2反应,生成中间体2(C24H24NO+([M]+)342.19.Found 342.4),由此证实了上述推测的机理.

3 结论

本文报道了一个以烯丙基碳酸脂和羟基半花菁染料为反应基团和荧光发光基团的新型钯荧光探针1.利用荧光发射光谱对探针1检测钯离子的选择性、灵敏度、响应时间进行研究，并结合飞行质谱对其作用机理进行了研究.研究结果表明，探针1对钯离子具有高选择性，并且不会受其他阴阳离子的干扰；对于钯离子作用的前后，荧光发射峰从480 nm红移至566 nm，并且荧光颜色由绿色变为橙色，可被裸眼识别.探针1可以实现对钯离子的快速检测，响应时间仅需10 min.在乙醇-HEPES(体积比为1∶1，pH=7.2)缓冲溶液中，对钯离子的检测极限为0.23 μmol/L.因此，探针1可被应用于实际环境体系以及生物体系样品中定量与定性的钯离子检测.

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